大多数生物传感器的设计旨在测量单个分析物，遵循类似“锁-钥匙”的匹配模式对靶标物质进行特定的识别和检测。传感器阵列是受动物嗅觉系统的启发而开发的一种新型传感方法，它由一系列传感单元组成，是一种基于对多种分析物的交互响应所得特征指纹进行分析的方法。传感器阵列被报道能够同时检测多种分析物，通常此类分析物是根据其化学组成的相似性进行分组，而事实上它们可能与特定的分析问题并不相关。如果能够设计用于跟踪反应物和生成物含量变化的传感器阵列，这将能更好地监控反应物不同的化学反应路径。

三磷酸腺苷（ATP）是生物体系中的主要能量物质，ATP 含量的异常与多种疾病密切相关，如低血糖、心血管疾病及阿尔茨海默症等。ATP 也是参与各种生化反应的关键生物分子，例如，ATP 的水解导致生命所需的化学能释放，并伴随生成二磷酸腺苷（ADP）和无机磷酸盐（Pi）。另一方面，ATP 也是合成 RNA 的单体，其聚合生成 RNA 的过程中会产生副产物焦磷酸（PPi）。此外，核苷酸焦磷酸酶还可以将 ATP 转化为单磷酸腺苷（AMP）和 PPi。这些反应都从 ATP 开始，但它们却能产生四种不同的相关产物（AMP、ADP、Pi 和 PPi），这具体取决于 ATP 结构中高能磷酸键的断裂位置。如果能够同时检测并区分这些 ATP 相关的水解产物，将为深入了解 ATP 不同的反应途径提供有效的理论依据。

针对上述问题，加拿大滑铁卢大学刘珏文教授课题组与西北大学谢钢教授课题组合作，开发了一种新型 ZIFs 荧光传感器阵列用于检测与 ATP 水解相关的分析物并区分 ATP 水解的不同反应路径。该研究选取经典沸石咪唑酯骨架（ZIF-8）为模型（图 1），通过金属掺杂策略合成了一系列双金属M/ZIF-8(M=Ni、Mn、Cu)，并借助荧光标记的单链 DNA（FAM-DNA）为信号探针，探究了具有不同金属中心的双金属 ZIFs 对一系列含磷酸分子的识别特性。研究进一步发现 Cu/ZIF-8 对焦磷酸（PPi）具有高选择性识别能力，该选择性得益于 PPi 与 Cu/ZIF-8 表面的二价铜离子（Cu²⁺）之间较高的亲和力。

由于不同种类的磷酸盐与每种 ZIFs 的亲和力不同，对 FAM-DNA 的解吸附能力也不同，因而 FAM-DNA/ZIFs 对多种分析物显示出不同的荧光恢复模式。此外，根据该课题组先前的研究可知 ZIF-67（与 ZIF-8 同构，Zn²⁺ 完全被 Co²⁺ 取代）对 AT P具有高度的选择性识别能力。因此，基于 ZIF-8、Cu/ZIF-8、Mn/ZIF-8、Ni/ZIF-8 和 ZIF-67 对多种含磷酸分子的亲和力差异，设计针对一系列磷酸盐分子的荧光传感器阵列，以期实现对 ATP 水解产物的区分检测。如图 2 所示，主成分分析（PCA）和层次聚类分析（HCA）综合显示，五种不同磷酸盐均被正确地分配到各自的聚类中，且互相之间未出现分类错乱或重叠现象，充分印证了该 ZIFs 荧光传感器阵列优异的鉴别能力。

该项工作不仅将传感器阵列用于多种目标分析物的同时检测，还提出了一种用于监测不同反应途径的新策略。该成果以“A sensor array based on DNA-wrapped bimetallic zeolitic imidazolate frameworks for detection of ATP hydrolysis products”为题，发表在英国皇家学会期刊 Nanoscale 上，并被选为期刊热点论文（2022 Nanoscale HOT Article Collection）。

• A sensor array based on DNA-wrapped bimetallic zeolitic imidazolate frameworks for detection of ATP hydrolysis products
  Zhen Wang(王禛，西北大学), Xumei Zhou, Zhicheng Huang, Jing Han, Gang Xie*(谢钢，西北大学) and Juewen Liu *(刘珏文，加拿大滑铁卢大学)
  Nanoscale, 2022, 14, 26-34
  http://doi.org/10.1039/D1NR05982C

  

  
  

• 王禛博士 西北大学
  2021 年 12 月毕业于西北大学化学与材料科学学院、博士期间赴加拿大滑铁卢大学联合培养，主要从事功能化 MOFs 的可控合成及在光/电生物传感方面的研究工作，相关成果已发表于 Analytical Chemistry、Chemical Communications、Nanoscale 等期刊。

• 谢钢教授 西北大学
  西北大学化学与材料科学学院教授，博士生导师。主要从事燃烧催化、生物传感、电催化等方面研究工作。先后主持国家自然科学基金 4 项，发表 SCI 论文 50 余篇，授权发明专利 13 件，荣获陕西省教学成果奖特等奖，在高教出版社或科学出版社主编或参编教材 5 部，《大学化学》编委，中国化学会高级会员。

• 刘珏文教授 加拿大滑铁卢大学
  加拿大滑铁卢大学化学系教授，博士生导师。获得加拿大化学会 Fred Beamish 奖，和 McBryde 奖章，并入选加拿大皇家学会（青年学院）。近年来发表期刊研究论文共计 300 余篇，包括 Chem. Rev. (2), J. Am. Chem. Soc. (21), Angew. Chem. Int. Ed. (9), Anal. Chem. (20), 引用数达 27000 余次，H-index 为 79。担任 Biosensors & Bioelectronics 杂志核酸部分副主编，Trends in Analytical Chemistry (TrAC)，《中国化学快报》，FACETS 等杂志副主编，Journal of Analysis and Testing 编委，Langmuir，Analytical Methods, Sensors, Particle and Particle Systems Characterization 编委会顾问。现主要从事核酸酶，纳米材料和软物质的分析化学，物理化学，以及表面性质的研究。