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金属有机框架（MOF）材料因其高比表面积和可调结构特性，在可穿戴电化学汗液传感器中展现出应用潜力。本文系统分析了MOF的有机配体与金属离子对结构调控的影响，总结了溶热/水解合成、室温合成、微波辅助合成、电化学辅助合成及超声辅助合成等五种制备方法的特点，并探讨MOF在传感器中的功能优化策略，包括吸附、催化及信号转换机制。最后提出需解决材料稳定性、检测灵敏度及临床标准化等挑战，以推动汗液传感技术的实际应用。
董文豪|陈学叶|翟俊龙|方旭东|张晨宇|王振|傅颖欣
鲁东大学交通学院，中国山东省烟台市264025
摘要
电化学传感器通过敏感材料对目标分子的特异性识别，能够有效检测汗液中的生物标志物。金属有机框架（MOFs）由于其超高的表面积和结构可调性，在电化学传感方面展现出极大的潜力。本文综述了MOFs的固有特性，并分析了结构与性能之间的关系，总结了2021年至2025年间关于MOFs结构调控及其在可穿戴电化学汗液传感器应用方面的研究和进展。文章从MOFs的架构、修饰策略和合成方法等方面讨论了结构调控机制，系统分析了有机配体和金属离子在定制MOFs结构以用于电化学汗液传感中的作用，同时介绍了多种修饰和制备方法以实现结构优化。此外，还总结了MOFs在传感器设计和应用中的功能，并详细探讨了传感机制和设备配置。最后，展望了MOFs在可穿戴电化学汗液传感领域的挑战与未来发展方向。
引言
自21世纪初以来，社会经济的快速发展以及居民生活水平的不断提高显著提升了公众对健康问题的关注。快节奏的生活方式和疾病风险的增加进一步加剧了对个人生理状态实时监测的需求。人体作为一个复杂的生物系统，可以通过脉搏、血压、血糖和血氧饱和度等生理指标准确反映健康状况、代谢水平和潜在的疾病风险。因此，系统而科学的健康监测不仅是提高国民健康素养的关键组成部分，也是提升医疗资源利用效率和构建智能健康生态系统的基础[1]、[2]、[3]、[4]。目前，商用可穿戴检测设备主要依赖光学检测技术，将接收到的光学信号转换为电信号，以实现脉搏、心率和血氧饱和度等生理指标的实时监测[5]、[6]、[7]。然而，这些设备往往难以有效检测葡萄糖、乳酸和尿酸等物质。相比之下，电化学可穿戴设备利用敏感材料与目标生物分子之间的特定反应将化学信号转换为电信号，从而能够有效检测多种生物标志物。这类设备不仅大幅降低了尺寸和功耗要求，还提供了更高的灵敏度和准确性[8]、[9]、[10]。根据Web of Science的统计数据，自2002年以来，与电化学可穿戴设备相关的研究成果稳步增加。特别是2010年后，每年发表的研究论文数量超过了一千篇，2022年 alone 就发表了六千多篇论文。至今人们对这一领域的兴趣依然非常高（见图1）。
在生物流体生物标志物检测领域，血液成分分析因其能够准确反映生理状态和疾病生物标志物而成为临床诊断和健康评估的核心方法。然而，传统的血液采样方法不仅会给患者带来身体不适，也无法实现生物标志物的连续监测[11]、[12]、[13]。在探索非侵入性生物标志物检测技术方面，间质液[14]、[15]、眼泪[16]和唾液[17]都显示出独特的应用潜力。间质液作为血液与细胞之间物质交换的介质，其中的小分子代谢物浓度与血液中的高度相关，理论上可以实现非侵入性检测，作为血液样本的替代方案。不过，用于收集间质液的微针阵列可能会引起皮肤刺痛和发红。同时，眼泪和唾液的检测面临多重实际挑战：眼泪刺激方法可能导致灼烧感和干燥感，进而改变眼泪成分，影响检测准确性；唾液中含有食物残渣、口腔微生物代谢物和黏蛋白，可能会堵塞传感器或与目标分子结合，导致信号失真。相比之下，汗液是由汗腺主动分泌的，无需穿刺或侵入性操作即可收集，更适合连续监测，且干扰物质含量较低[18]、[19]、[20]、[21]。
电化学汗液传感器主要分为基于生物材料和基于非生物材料的两种类型。前者使用酶或生物抗体作为敏感材料，利用酶的特异性识别或抗原-抗体结合反应实现高选择性和灵敏度[22]。然而，生物材料通常需要严格的储存和使用条件，因为其活性容易受到温度、湿度和pH等因素的影响。相比之下，基于非生物材料的传感器具有更强的抗干扰能力，储存要求也较低。分子印迹聚合物（MIPs）是这一类别中的重要组成部分，它们能够在不依赖酶或抗体的情况下实现目标分子的特异性识别，且成本相对较低。不过，MIPs通常无法直接检测未稀释的体液样本[23]。金属纳米材料主要依靠金属颗粒对特定生物标志物的氧化进行检测，但这些材料的应用范围有限，在汗液传感中使用时成本较高[24]、[25]。
金属有机框架（MOFs）是一类由金属离子和有机配体构成的高度多孔的配位聚合物，近年来在电化学汗液传感领域受到了广泛关注。它们高度有序的结构和超高的孔隙率不仅显著提高了传感器的灵敏度，孔内的限制效应还能有效提高检测选择性。在电化学检测过程中，MOFs中的金属位点可以在特定电压条件下氧化汗液中的特定生物标志物。有机配体的多样化学结构赋予MOFs多功能性；通过用不同功能团修饰配体，可以实现特定分子的吸附、催化和传感。此外，MOFs还可以作为与多种功能材料复合的载体，具有良好的加工性能。多种材料之间的协同效应可以为MOFs赋予新的功能，进一步扩展其在生物传感领域的应用范围[26]、[27]。
近年来，许多研究者对MOF材料的结构调控、电催化原理及其多样应用进行了广泛总结和阐述。Liu等人[28]重点研究了MOFs均匀的分子级孔隙在催化中的作用，探讨了多孔含催化剂MOFs如何利用分子级的限制、容纳、隔离、微环境调节、能量传递和流动性来实现所需的化学转化。Li[29]聚焦于MOF膜材料，总结了MOF膜的各种制备和修饰策略及其在气体分离和传感等领域的应用。Dong等人[30]分析了汗液的主要成分、不同敏感材料在电化学汗液传感器中的检测原理和传感特性，并回顾了MOFs在可穿戴电化学汗液传感器中的应用。尽管之前的研究分别涵盖了MOFs在电化学汗液检测中的各个方面，但电化学汗液传感器与传统催化系统在目标分析物和操作环境方面存在差异。此外，专注于电化学传感器的文章很少提供MOF结构设计和制备过程的详细描述。因此，有必要进一步总结专门为电化学汗液传感器应用的MOFs的结构设计和制备方法。
本文综述了可穿戴电化学汗液传感器中的MOF材料，重点讨论了有机配体和金属离子对MOFs结构的影响及其在电化学汗液检测中的功能和作用。总结了不同的修饰策略，以实现根据具体需求对MOF结构的靶向调整。同时，通过不同制备方法获得的MOF材料在结构和性能上存在显著差异，因此探索MOFs的合成过程尤为重要。本文简要介绍了MOF合成的基本原理，并分析了温度、浓度、溶剂和pH等关键因素对MOF形成过程的影响。在合成技术方面，总结了五种常见的制备方法——溶剂热/水热合成、室温合成、微波辅助合成、电化学辅助合成和声化学辅助合成——并重点介绍了它们的原理和特点。此外，本文还总结了MOFs在电化学汗液传感器设计和应用中的不同作用，并详细解释了各种传感器的检测原理和设计方法。最后，讨论了MOFs在可穿戴电化学汗液传感领域的应用和发展前景，主要包括优化MOF结构以提高检测灵敏度和抗干扰能力、改进合成方法以提高制备效率，以及推进传感器的临床应用和检测标准化（见图2）。
部分摘录
有机配体和金属离子对MOF结构的影响
从框架组成来看，MOFs可以分解为两个主要成分：金属离子和有机配体。其中，金属离子作为“节点”，有机配体作为“连接剂”。这两个成分协同作用形成规则的周期性网络。MOFs独特的结构多样性和可调功能正是源于这种“节点-连接剂”单元的设计和调控。
MOFs的合成方法
MOFs的合成是一个在分子层面精确控制的定向组装过程，它依赖于配位化学的自发性和方向性，使金属节点和有机配体通过分子识别机制形成具有周期性网络结构的结晶多孔材料[81]。在这里，金属离子和有机配体像精确的分子构建块一样发挥作用，它们的协同作用共同MOFs的修饰策略
通过对MOFs的化学组成、多孔结构、表面性质或晶体结构的调控，可以克服MOFs在稳定性、功能性和加工性方面的局限性，从而提高可穿戴电化学汗液传感器的灵敏度、选择性和佩戴舒适性[116]、[117]。常见的修饰策略可分为五种类型：有机配体修饰、金属节点修饰MOFs在可穿戴电化学汗液传感器中的应用
汗液富含电解质、代谢生物标志物、水溶性维生素、功能性氨基酸、矿物质和多种活性小分子等成分。这些成分的浓度与血糖平衡、运动引起的疲劳、肾脏代谢功能和电解质稳态等生理状态密切相关，为非侵入性、实时分析人体代谢途径和健康状况提供了非常有前景的研究方向MOFs在可穿戴电化学汗液传感器中的优势
作为实时、非侵入性健康监测的先进工具，可穿戴电化学汗液传感器的核心性能在于敏感界面与目标分析物之间高效、特异性和稳定的相互作用。MOFs具有精确可设计的周期性多孔晶体结构，为构建下一代高性能传感界面提供了革命性的材料平台（见表3）。首先，分子级的结构CRediT作者贡献声明
傅颖欣：撰写 – 审稿与编辑。翟俊龙：撰写 – 原始草稿，概念构思。方旭东：概念构思。张晨宇：撰写 – 审稿与编辑，概念构思。王振：撰写 – 审稿与编辑。董文豪：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，概念构思。陈学叶：撰写 – 审稿与编辑，概念构思
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。致谢
本工作得到了烟台市科技创新发展计划重点基础研究项目（2023JCYJ048）、省级以上领军人才专项支持资金（220-20230002）、山东省青年泰山学者计划（tsqn202103091）、山东省自然科学基金（ZR2024ME052）以及鲁东大学引进人才并启动的资助项目（LD22065）的支持
