钴-二茂铁MOF实现HPV裸眼检测，推动宫颈癌筛查普及
热烈祝贺奚敏博士题为“Cobalt-ferrocene MOF-based colorimetric biosensing platform for naked-eye detection of human papillomavirus”的研究论文发表在Talanta（IF=6.1）上。复旦大学附属妇产科医院的奚敏博士为论文第一作者。上海交通大学医学院附属瑞金医院医学芯片研究所的邓正助理研究员、陈昌教授和复旦大学附属妇产科医院的邱君君教授和华克勤教授为论文的通讯作者。
宫颈癌是威胁女性健康的重大公共卫生问题，其中HPV16型病毒是最主要的致癌亚型。研究表明，宫颈癌的早期诊断与干预能极大提升治愈率。目前，荧光定量PCR技术是临床HPV筛查的金标准。该方法虽灵敏可靠，但其依赖昂贵的荧光探测设备和标记探针，导致检测成本高昂，在基层医院和资源有限地区难以普及。开发一种低成本、高灵敏、无需复杂仪器、裸眼即可判读的检测技术，成为领域内亟待解决的关键问题。鉴于此，来自复旦大学附属妇产科医院、上海交通大学医学院附属瑞金医院等机构的联合团队巧妙设计并合成了一种钴-二茂铁金属有机框架（Co-Fc MOF）材料，并以此为核心构建了一个全新的比色传感检测平台，成功实现了对HPV16的裸眼检测。这不仅是检测技术的创新，更是MOF材料设计与生物传感完美结合的典范。
图1. Co-Fc MOF的合成与裸眼检测HPV的机理示意图
一、研究背景与科学问题：从临床需求到材料设计
1. 临床需求的现实痛点：
宫颈癌的早期诊断与干预能极大提升治愈率。HPV作为其最主要病因，使得HPV筛查成为预防的关键。然而，现有的qPCR技术虽好，但其“贵”与“繁”的特性，成为了阻碍筛查普及的“最后一公里”。
2. 比色传感的机遇与挑战：
比色传感以其设备简单、结果直观、成本低廉的优点，被视为理想的替代方案。其核心思路是：将目标物的信号转化为肉眼可见的颜色变化。在PCR检测中，DNA链的每一次延伸都会释放出一个副产物：无机焦磷酸根离子（PPi）。因此，PPi的浓度与PCR的扩增程度直接正相关。
3. 关键的科学问题：
如何构建一个能高灵敏、高选择性地响应PPi的比色传感系统？这里的挑战在于：
• 灵敏度： 需要能检测到PCR过程中产生的微量PPi。
• 选择性： PCR反应体系中存在大量干扰物，如dNTPs（结构与PPi类似）、Mg2+、磷酸盐等，传感系统必须“无视”它们，只对PPi产生响应。
• 稳定性与成本：作为替代方案，其核心材料必须稳定、易于制备且成本可控。
二、研究意义与创新点：
1. 材料创新：构建具有极高类POD酶活性的花瓣状Co-Fc MOF
研究团队通过一步溶剂热法，成功合成了具有花瓣状微球结构的Co-Fc MOF。这种结构由无数纳米薄片组装而成，形成了巨大的比表面积和丰富的孔道。与传统的纳米酶（通常是纳米颗粒）不同，Co-Fc MOF结构中的Fe是以原子级分散的形式存在，实现了近乎100%的原子利用率，具有极高的POD酶催化活性。
2. 传感机制创新：“占据位点，中断反应”
Co-Fc MOF能够模拟天然过氧化物酶，在过氧化氢存在下，催化无色的TMB底物氧化生成蓝色的oxTMB。PPi具有非常强的金属螯合能力。它会优先吸附在MOF的Fe2+活性位点上，如同一个“塞子”堵住了反应的“钥匙孔”。这直接阻碍了H2O2的吸附和活化，中断了后续产生羟基自由基的催化循环，导致oxTMB（蓝色）无法生成。
3. 应用模式创新：“从分子到颜色，从仪器到裸眼”
该平台将复杂的PCR扩增信号（DNA浓度）转化为化学信号（PPi浓度），再进一步转化为最直观的物理信号（颜色变化），实现了检测信号的两次放大与转化。最终，用户只需在PCR完成后，将产物加入该颜色反应体系，观察溶液是否变蓝或蓝色深浅，即可直接判断HPV16是否为阳性，完全摆脱了对荧光仪器的依赖。
三、研究内容与关键结果
1）材料表征
研究团队成功合成了具有花瓣状微球结构的Co-Fc MOF，并对其结构进行了SEM、XRD、XPS和BET等表征。
图2. Co-Fc MOF的制备与表征
2）类POD酶活性评估
对Co-Fc MOF的催化性能进行了系统的催化动力学分析。得到的米氏常数非常低，表明该材料对底物TMB和H2O2具有极高的亲和力。其催化效率与天然辣根过氧化物酶相当，甚至优于许多已报道的贵金属、金属氧化物等纳米酶。
图3. Co-Fc MOF类酶活性评估
3）Co-Fc MOF传感识别PPi的机制研究
研究结果表明PPi能够显著抑制Co-Fc MOF的类POD酶活性，从而抑制TMB的显色反应。随后，作者通过电子自旋共振谱证明了PPi抑制了羟基自由基的生成，并利用密度泛函理论计算，从能量角度揭示了PPi如何提高H2O2裂解的反应能垒，从理论层面证实了抑制机制。
图4. Co-Fc MOF传感识别PPi的与机制
4）抗干扰性能评价：在复杂环境中“精准锁定”
研究人员除了PPi之外，同时测试了AMP、ADP、dNTPs、Mg²⁺等多种PCR体系中常见的干扰物对Co-Fc MOF比色传感的影响。结果令人振奋：只有PPi能引起显著的信号变化。即使dNTPs在浓度较高时有一定干扰，但在实际PCR工作浓度下，其影响可忽略不计。这证明了该传感平台在实际应用中的高可靠性和抗干扰能力。
图5. Co-Fc MOF检测PPi的性能与抗干扰性能评价
5）临床样本验证：从实验室走向临床应用
研究的最终试金石是临床样本。在对12例临床宫颈脱落细胞样本（6阳6阴）的检测中，该比色传感平台的判断结果与qPCR结果完全一致。更重要的是，阳性样本和阴性样本反应后的颜色对比非常鲜明，无需任何仪器，肉眼即可轻松区分，充分展现了其用于临床初筛的巨大潜力。
图6. Co-Fc MOF裸眼检测HPV的临床应用验证
四、主要结论
本研究构建了基于Co-Fc MOF的比色传感平台，通过将MOF材料的结构设计、催化机理与临床检测需求紧密结合，为实现低成本、高灵敏、裸眼可视的HPV筛查提供了一条全新的技术路径。该项研究展示了二茂铁基MOF材料在解决实际生物医学问题中的潜力，有望让曾经“高冷”的尖端检测，飞入寻常百姓家，守护每一个人的健康。
原文信息：
Min Xi, Qing Li, Xiang Chen, Shifang Fei, Kaihuan Zhang, Zheng Deng*, Chang Chen*, Junjun Qiu*, Keqin Hua*; Cobalt-ferrocene MOF-based colorimetric biosensing platform for naked-eye detection of human papillomavirus, Talanta, 2026, 300, 129166. (IF=6.1)
撰稿人：邓正
校稿人：邓正
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