综述：基于MOF（金属有机框架）的电化学生物传感技术在心血管疾病诊断中的最新趋势

《Bioelectrochemistry》：Recent trends in MOF-based electrochemical biosensing strategies for cardiovascular disease diagnostics

心血管疾病早期检测技术综述：探讨金属有机框架（MOF）材料在电化学生物传感器中的应用，重点分析其高灵敏度、低样本需求特性及对常见CVD标志物（如肌钙蛋白）的检测优势，同时讨论结构优化、导电性提升和表面功能化等关键技术挑战，为开发便携、低成本、高准确性的POC设备提供理论依据。

　　

马龙·奥兰齐（Marlon Oranzie）| 萨曼莎·F·杜曼（Samantha F. Douman）| 杰米·L·贾纳里（Jaymi L. January）| 凯琳·C·贾纳里（Kaylin C. Januarie）| 尼莉亚·A·桑加（Nelia A. Sanga）| 凯菲尔韦·V·莫克韦博（Kefilwe V. Mokwebo）| 贝沙拉·S·艾萨克斯（Beshara S. Isaacs）| 埃马纽埃尔·I·伊武奥哈（Emmanuel I. Iwuoha）

SensorLab（西开普大学传感器实验室），化学科学大楼，西开普大学，贝尔维尔，7535，开普敦，南非

摘要

心血管疾病（CVDs）仍然是全球主要的死亡原因之一，因此迫切需要快速、准确且经济可行的诊断技术。传统的诊断方法，如心电图和胸部X光成像，往往受到高成本、耗时程序以及依赖集中式实验室设施的限制。相比之下，电化学生物传感器因其高灵敏度、低样本需求、操作简便性以及适用于即时检测（POC）应用而成为有吸引力的替代方案。最近，金属有机框架（MOFs）作为提高电化学生物传感器性能的先进功能材料受到了广泛关注。它们的大表面积、可调孔隙率和多样的化学组成使得生物识别元件的有效固定和电子转移动力学得到改善。本文综述了基于MOFs的电化学生物传感器在检测关键CVD生物标志物方面的最新进展，重点介绍了用于电极修饰、信号放大和生物受体稳定的MOF辅助策略，特别是那些能够提高分析灵敏度和选择性的设计原则。此外，还讨论了新兴的转换方法，包括电化学发光和多重电化学传感技术。最后，概述了将基于MOFs的电化学生物传感器转化为实用的心血管诊断工具所面临的当前挑战和未来前景，重点关注过去五年内的发展。

引言

心血管疾病（CVD）影响着全球许多国家，并且仍然是全球主要的死亡原因。根据世界卫生组织（WHO）的数据，估计每年有1790万人死于CVD [1]、[2]、[3]。CVD的主要原因是压力、肥胖、过度吸烟、过量饮酒和不健康的饮食 [4]、[5]、[6]。因此，对于CVD患者以及高风险人群来说，早期检测CVD至关重要。早期检测的优势不仅在于它是一种挽救生命的治疗干预措施，还能降低医疗成本 [7]、[8]。传统的诊断技术包括心电图（ECGs）、血液检测、胸部X光和超声心动图。尽管这些技术仍然有效并仍在使用，但它们也存在一些缺点 [9]、[10]。这些传统诊断技术的缺点是耗时、对患者具有侵入性，并且仅对CVD患者有效。据报道，高达70%的CVD患者在入院时心电图结果正常 [11]、[12]。因此，人们正在对生物标志物进行广泛研究，因为它们可以用于预测和监测从癌症、结核病到CVD等多种疾病 [13]、[14]。常用的CVD早期检测和监测生物标志物包括肌钙蛋白、利钠肽、肌红蛋白和结合蛋白 [15]。在所报道的生物标志物中，肌钙蛋白因其高灵敏度和特异性而被最广泛用于早期检测 [16]、[17]。酶联免疫吸附测定（ELISA）仍然是CVD早期诊断的标准方法，但它也有一些缺点，如耗时、不可携带、价格昂贵、需要大量样本量，并且在大多数情况下无法满足临床临界值要求 [18]、[19]。因此，需要一种成本低廉、快速、便携、使用少量样本量且对CVD生物标志物具有高度特异性和灵敏度的传感器诊断设备。生物传感器是一种用于监测生物标志物的设备，可以替代医疗领域的传统诊断技术 [20]、[21]。生物传感器是一种通过生成与分析物浓度成正比的信号来测量生物反应的装置 [22]、[23]。生物传感器有多种类型，包括荧光生物传感器、声学生物传感器、压电生物传感器和电化学生物传感器 [24]。由于电化学生物传感器具有高灵敏度、选择性、低成本和快速性等优点，最近被用于CVD的早期诊断，结果可以实时获得 [25]、[26]。电化学生物传感器有多种类型，如免疫酶传感器、酶传感器、适配体传感器和微流控传感器 [27]。理想的生物传感器应具备快速、灵敏以及对目标分子高度选择性的特点，无论是定性还是定量分析 [28]。为了提高生物传感器的灵敏度和选择性，人们正在将纳米材料（如金属有机框架（MOFs）、量子点（QDs）、聚合物纳米颗粒和碳纳米管（CNTs）融入传感器装置中，因为它们具有高导电性、高表面积与体积比和高磁性能等独特性质，这些都有助于增强生物传感器的信号 [29]、[30]。由于其独特的性质，MOFs现在被广泛用于传感器应用研究。MOFs是由金属离子和有机配体通过配位键连接而成的多孔材料 [31]、[32]。MOFs适合生物传感应用的原因在于其结构可调性、孔隙率、稳定性和易于功能化。此外，MOFs还显示出在液体或固体介质中检测不同分析物的潜力 [33]。

本文讨论了基于MOFs的电化学生物传感器在早期检测心血管疾病（CVD）生物标志物方面的最新趋势，以及最常见的目标CVD生物标志物；同时涵盖了检测限、动态范围和不同电化学生物传感器的制备等重要参数。

部分摘录

CVD的生物标志物

全球每年心肌梗死的死亡率呈指数级增长。CVD的主要原因是吸烟、肥胖、缺乏运动和不健康的饮食习惯。因此，CVD的成因非常多样，这使得临床检测变得复杂 [35]。在预测CVD风险方面，人们通过识别患者血液中的诊断生物标志物进行了大量研究。生物标志物被定义为“存在于体内的生物分子”

MOFs

金属有机框架（MOFs）是高度多孔和结晶的材料，由金属离子/簇和有机配体通过配位键自组装而成，形成一维（1D）、二维（2D）或三维（3D）网络结构 [52]、[53]。MOFs具有出色的合成设计，并具有大表面积、形态多样、易于功能化和高稳定性等特性。由于这些特性，MOFs已被应用于气体存储等领域

利用生物传感器检测CVD

生物传感器被普遍定义为一种通过生成与分析物浓度相当的信号来测量生物成分和化学成分之间反应的装置 [81]。生物传感器的基本工作原理包括可检测的分析物、负责识别目标分析物的生物受体，以及将生物识别元件转换为可测量信号的转换器

结论与未来展望

基于MOFs的电化学传感器在检测心脏生物标志物方面的进展为诊断工具的发展带来了巨大潜力。未来的研究应重点提高MOFs的结构稳定性、导电性和表面功能化，以开发出高度灵敏、选择性高、快速且经济可行的即时检测（POC）设备，能够使用最小样本量同时识别多种心脏生物标志物。将MOFs与导电纳米材料结合是一个重要的研究方向

CRediT作者贡献声明

马龙·奥兰齐（Marlon Oranzie）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、数据分析、概念构思。萨曼莎·F·杜曼（Samantha F. Douman）：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念构思。杰米·L·贾纳里（Jaymi L. January）：撰写 – 审稿与编辑、验证。凯琳·C·贾纳里（Kaylin C. Januarie）：撰写 – 审稿与编辑、验证。尼莉亚·A·桑加（Nelia A. Sanga）：撰写 – 审稿与编辑、验证。凯菲尔韦·V·莫克韦博（Kefilwe V. Mokwebo）：撰写 – 审稿与编辑、验证。贝沙拉·S·艾萨克斯（Beshara S. Isaacs）：撰写 – 审稿与

未引用参考文献

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利益冲突声明

作者声明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

作者感谢南非国家研究基金会（NRF）的财政支持。