仿生MOF/MIPs碳水化合物微流控纸芯片：一种多功能唾液酸检测平台，适用于从即时检测到食品快速分析的各种应用

《Talanta》：Biomimetic MOF/MIPs Carbohydrate Microfluidic Paper Chip:a versatile Sialic Acid detection platform from Point-of-Care screening to food rapid analysis

本研究开发了一种基于硼酸亲和表面印迹技术的微流控纸张生物模拟平台，通过整合金属有机框架（MOF）和分子印迹聚合物（MIPs）实现了神经氨酸的高效吸附与快速检测。该平台具有高吸附容量（352.83 mg·g?1）、优异的选择性（印迹因子IF=3.67）、30分钟内完成检测以及强抗干扰能力，并引入可视化传感系统，检测限达0.066 mg·L?1，为唾液等复杂样本中神经氨酸的便携检测提供了新方案。

　　

孙志|王东辉|王楠|金娟|张一鸣

浙江农林大学食品与健康学院，中国杭州311300

摘要：

新型家用自测试技术的发展在慢性疾病管理和监测方面具有巨大潜力。最近，基于微流控技术的纸质分析装置（μPADs）在即时检测（POCT）领域展现了多功能性。唾液酸（SA）与体内糖蛋白的修饰密切相关，是家用自测试的重要生物标志物。本研究利用硼酸亲和表面印迹技术成功开发了一种新型纸质微流控仿生芯片（FP@Zr-BA@MIP）。该芯片具有高吸附能力（Q_e = 352.83 mg·g^-1）、良好的选择性（印迹因子IF = 3.67）、快速的检测效率（30分钟内完成）以及出色的抗唾液酸干扰能力。此外，该平台还集成了视觉传感系统，可实现唾液酸的快速、可视化及定量分析。检测范围为0.1-25 mg·L^-1，检出限（LOD）和定量限（LOQ）分别低至0.066 mg·L^-1和0.21 mg·L^-1。纸质微流控技术的简单操作特性与视觉传感的直观读数优势相结合，显著提升了检测过程的便捷性和效率。这一设计为非侵入性唾液酸分析提供了新的方法。

引言

唾液酸（SA）是一类含有9个碳原子的酸性单糖衍生物[1]，可分为三种类型：N-乙酰神经氨酸（Neu5Ac）、N-甘氨酰神经氨酸（Neu5Gc）和2-酮-3-脱氧壬酮酸（Kdn）[2]。其中，Neu5Ac是人体内唯一的唾液酸形式，在大多数哺乳动物和乳制品中占主导地位，具有重要的临床和分析意义。虽然Neu5Gc存在于某些动物源性食品中，但其含量通常低于总唾液酸的4%；而Kdn主要存在于微生物中，且含量极低[3],[4]。因此，本研究主要针对Neu5Ac作为目标进行分析。鉴于Neu5Ac在婴儿神经发育、免疫调节和肠道健康中的关键作用，其检测尤为重要[5]。例如，人乳富含唾液酸寡糖——尤其是6′-唾液酸乳糖（6′-SL），其中Neu5Ac是关键功能单元。这些寡糖被认为是促进婴儿大脑发育和建立健康肠道微生物群的核心营养因子[6]。因此，准确监测乳制品中的Neu5Ac含量对于评估其营养价值及模拟人乳的功能特性至关重要，这两者都与婴儿和幼儿的成长发育直接相关[7]。此外，Neu5Ac还可以进一步发生O-乙酰化、O-甲基化和O-硫酸化等修饰，从而增加人体糖萼的结构多样性[8]。体内唾液酸的表达与多种疾病密切相关，其唾液浓度的变化可作为潜在的非侵入性生物标志物。研究表明，唾液酸水平升高与口腔癌和乳腺癌患者密切相关，具有较高的临床预后敏感性[9],[10]。这些发现凸显了唾液作为唾液酸相关疾病早期筛查和辅助诊断介质的巨大潜力。传统检测方法主要依赖高效HPLC-MS[11]和ELISA[12]，但这些方法需要专业复杂的仪器，限制了其在快速现场检测中的应用。因此，亟需一种快速、低成本且便携的唾液酸检测平台。这一进展对于研究唾液酸修饰的多种糖萼结构及其相关蛋白也具有重要意义。

自Whitesides及其同事首次使用基于微流控技术的纸质分析装置（μPADs）进行生理指标快速分析以来，已开发出多种用于实际样品分析的μPAD方法，包括食品、环境和生理基质[13],[14]。这些装置已发展成为强大的即时检测（POCT）平台[15]。与抗体、纳米抗体或适配体等生物亲和材料相比，功能仿生识别材料因生产简便、成本低廉和适用范围广而受到广泛关注[16]。金属有机框架（MOFs）是由金属离子或簇通过配位键连接成扩展聚合物网络的结晶多孔固体[17],[18]。它们具有极高的比表面积、可调的孔径和化学性质，以及众多的活性位点[19],[20]。其中，基于锆的MOFs（Zr-MOFs）因其优异的稳定性和易于功能化而广泛用于固定生物分子或作为重金属[22]、抗生素[23]、生物标志物[24]等分析物的吸附剂/催化剂[24]。Zr-MOFs对生物活性化合物具有显著的亲和力，这种亲和力主要源于Zr⁴⁺与含有磷酸基或羧基的分子之间形成的稳定配位键，具有高结合强度和特异性[21]。例如，Lin等人将Zr-MOFs沉积在多巴胺涂层的硅胶微球上，有效富集了磷酸肽[25]。此外，这类复合材料还能高效捕获含磷酸基的核酸、磷酸化蛋白质和富含羧基的肽。在这些应用中，糖蛋白印迹技术发挥了关键作用。因此，Zr-MOFs在特异性吸附和识别唾液酸及其末端糖蛋白方面具有巨大潜力。唾液酸中的羧基通常位于糖蛋白链的末端，通过与Zr⁴⁺的配位实现特异性结合，从而实现靶向富集。这种精确的捕获能力有效减少了杂质蛋白的干扰，为未来糖蛋白分析的发展奠定了基础。

分子印迹聚合物（MIPs）的合成——常被称为“人工抗体”[26],[27]——是通过目标分子作为模板，使功能单体在其周围聚合形成的，从而创建出与模板在尺寸、形状和化学功能上相匹配的“印迹腔”。这种机制实现了高度特异性的“锁钥”识别[28],[29],[30]。将MIPs与MOFs结合形成的复合材料是集识别和传感功能于一体的分析平台。在这种系统中，MIPs的高机械强度、耐用性和分子选择性与MOFs的刚性框架有效结合，产生了协同效应[31],[32]。对于大分子量的唾液酸糖蛋白，MOFs因其特殊的比表面积提供了强大的支撑，从而提高了MIPs的负载量。此外，MOFs的层次孔结构不仅具有分子筛分作用，还能通过毛细力促进目标分析物向识别位点的快速传输。同时，MOF表面的π-π堆叠和氢键等相互作用有助于糖蛋白的富集[33]。然而，传统MOF/MIP复合材料不仅存在结合亲和力弱和非特异性吸附的问题[34]，在处理具有顺反异构体、结构异构体或多结合位点的类似物（尤其是生物活性物质和天然产物）时面临挑战。在这种情况下，MIPs的印迹腔难以区分细微的空间和构象差异，导致非特异性吸附增加和选择性降低。本研究中开发的MOF/BA-MIP复合材料通过引入硼酸亲和作用，显著提升了对兽医药物分子、糖类及相关分析物的识别性能[35]。硼酸（BA）能与含有顺式二醇的化合物（如碳水化合物[36]、糖基化蛋白质[37]和核苷[37]）形成可逆共价键，实现目标分子的精确识别。MOFs的高度有序多孔结构和易于功能化的表面为构建可容纳大分子（如糖蛋白）的印迹腔提供了理想平台[38]。利用这一优势，本研究开发的MOF/BA-MIP复合材料显著提升了对小分子的识别性能，同时表现出优异的结构延展性和适应性。该平台还可扩展到表位印迹策略，有望开发出新型糖蛋白印迹材料，克服传统大分子印迹效率低的问题。

本研究采用硼酸亲和策略，开发了一种基于纸质微流控仿生平台，该平台结合了MOFs和MIPs。首先在纸基底上原位生长一层硼酸功能化的MOF晶体，然后通过硼酸亲和辅助的溶胶-凝胶工艺在滤纸上涂覆FP@Zr-BA@MIP识别层，实现唾液酸的准确识别和高效富集。结合特定的显色反应，该集成系统能够实现高灵敏度和快速检测。该基于MOF/MIPs的纸传感器因高检测灵敏度、优异的特异性和稳健的稳定性而被证明是一种高性能的唾液酸分析μPAD平台。综上所述，由于其成本效益、用户友好性和可靠的性能，该系统在即时检测和家庭监测异常唾液酸水平相关疾病方面具有巨大潜力。

化学品和材料

聚（4-苯乙烯磺酸钠）（PSS）、氨水、乙酸（HAc）、无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和甲醇购自中国上海的国家药品试剂有限公司。四乙基正硅酸盐（TEOS）和3-脲基丙基三乙氧基硅烷（UPTES）购自中国上海的Aladdin有限公司。唾液酸、对苯二甲酸（PTA）、四氯化锆（ZrCl₄）、过碘酸钠（NaIO₄、4,6-二羟基-2-巯基嘧啶（TBA）、十二烷基硫酸钠等试剂也来自同一家公司。

FP@Zr-BA@MIP的合成

FP@Zr-BA@MIP的制备过程如图1A所示。首先，通过在纸基底上涂覆MOF层构建均匀的传感界面，为后续MIP薄膜的生长提供稳定平台[41]。本方法中，纸基底先用盐酸清洗，再通过PSS进行功能化处理，使滤纸表面带有负电荷（-SO₃^-），从而促进...

结论

本研究基于硼酸亲和表面印迹技术，构建了一种纸质MOF/MIPs仿生分析平台。该平台与特定的比色可视化传感平台结合，形成了用于快速分析唾液和婴儿配方奶等复杂基质中唾液酸的纸质微流控视觉传感器。实验结果表明，该纸芯片传感器在真实样本（如唾液和婴儿奶粉）中表现可靠。

CRediT作者贡献声明

孙志：撰写初稿、验证、正式分析、数据整理。王东辉：监督、实验设计。张一鸣：撰写、编辑、监督、资源协调、项目管理和资金申请、概念构思。王楠：监督、实验设计。金娟：监督

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

数据获取

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢中国浙江省自然科学基金（ZJNSF）（项目编号LQN25B050008）的支持。此外，本项目还得到了浙江省重点建设项目（项目编号WKJ-ZJ-2302）的资助。同时，感谢Shiyanjia实验室（网址：www.shiyanjia.com）在材料表征方面的帮助。