综述：揭示基于共价有机框架的电化学传感器在医疗保健和环境分析中的多方面见解

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Unravelling the multifaceted insights on covalent organic frameworks based electrochemical sensors towards healthcare and environmental analysis

本综述系统阐述了共价有机框架（COFs）这一新兴晶体多孔聚合物在电化学传感器构建中的最新进展。文章重点探讨了COFs因其大比表面积、可调孔隙和易于功能化等特性，在生物分子（如抗坏血酸AA、多巴胺DA）、疾病标志物（如前列腺特异性抗原PSA、心肌损伤分子KIM-1）、药物（如恩诺沙星ENR、氧四环素OTC）及环境污染物（如双酚A BPA、重金属离子）的高灵敏检测方面的独特优势。同时，综述也指出了COFs在导电性和稳定性方面的当前挑战，并展望了其与便携式、可穿戴设备集成用于远程传感的未来发展方向。

　　

引言

全球化和城市化进程的加快，对能够检测生物体内重要分子、生物标志物以及环境中毒素的微型化电子设备的需求日益增长。电化学传感器以其低成本、快速响应、高灵敏度和选择性等优势，在此领域发挥着关键作用。共价有机框架（COFs）作为一类由共价键连接、具有预定形状的结晶性多孔聚合物，凭借其大比表面积、可调孔隙、扩展的π共轭体系等特性，已成为设计高性能电化学传感器的理想电催化剂材料。

电化学传感器的工作机制

电化学传感器通过将电化学相互作用转化为可测量的分析信号来工作。其核心是一个三电极系统，包括工作电极（W.E.）、对电极（A.E.）和参比电极（R.E.）。当目标分析物在工作电极表面发生氧化还原反应时，会产生与浓度相关的电流或电位变化。常用的技术包括循环伏安法（CV）、差分脉冲伏安法（DPV）、安培法和电化学阻抗谱（EIS）等，它们从不同角度反映了电极表面的电化学过程和分析物信息。

COFs在医疗保健分析中的应用

生物分子检测

生物分子浓度的平衡对维持健康至关重要。COFs基传感器在检测多种关键生物分子方面表现出色。

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  抗坏血酸（AA）：Wang等人利用硫堇（Thi）和1,3,5-三（对甲酰基苯基）苯（TFPB）合成的COF_Thi-TFPB并与碳纳米管（CNT）复合，用于检测维生素C片中的AA，检测限（LOD）为17.68 μM。
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  多巴胺（DA）：Geng W.Y.等人将碳黑（CB）负载到三苯胺基COF（TPA-COF）中，利用其大比表面积和高导电性，实现了对DA的高灵敏检测，LOD达0.17 μM，并成功应用于实际注射剂样品。
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  过氧化氢（H₂O₂）：Song等人构建了PtNPs/FeTPP-COF/CFE传感器，用于检测HT22细胞再氧合条件下的H₂O₂，线性范围为1-140 μM，LOD低至2.9 nM。Xie等人合成的铁卟啉基COF（COF_p-Fepor NH₂-BTA）不仅能检测H₂O₂（LOD=2.06 nM），还能测量pH值。

同时检测多种生物分子

COFs的协同效应使其能够同时检测多种分析物。例如，Xu等人合成的具有多氧化还原活性态的COF_DHTA-TTA可用于检测H₂O₂和葡萄糖。Guan等人利用胺功能化CNTs和COFs（IL COF-1）与金纳米颗粒（AuNPs）复合，同时检测了DA和尿酸（UA）。Wang等人开发的三嗪COF（TS-COF）与AuNPs和还原氧化石墨烯（rGO）的杂化传感器矩阵，可同时检测UA、DA和AA，展现了优异的性能。

生物标志物检测

早期、高灵敏地检测疾病生物标志物对诊断和治疗至关重要。

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  半乳糖凝集素-3（GL-3）：Yola和Atar开发了一种使用Ti-MOF@COFs复合材料进行信号放大的安培免疫传感器，用于检测血浆中的GL-3，LOD低至25 fM，对心血管疾病的早期诊断具有重要意义。
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  前列腺特异性抗原（PSA）：Liang等人利用黑磷（BPene）作为平台，磁性COFs进行信号放大，构建了PSA免疫传感器，LOD达到了惊人的0.03 pM。
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  microRNA：Du团队报道了一种同时检测miRNA-155和miRNA-122的电化学适配体传感器，采用COF纳米线作为传感平台，LOD分别低至6.7 fM和1.5 fM。
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  人绒毛膜促性腺激素（HCG）：Liang等人构建的夹心式电化学免疫传感器，使用AuNPs/eHNT/COF/GCE，成功测定了人工血清中的HCG。
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  心肌损伤分子（KIM-1）：Yola等人开发的免疫传感器，采用COFs-AuNPs作为检测平台，NiCo₂S₄@CeO₂微球进行信号放大，对急性肾损伤标志物KIM-1的LOD为2.0 fM。

2的合成及(B) AuNPs/eHNT/COF/GCE免疫传感器用于测定HCG的构建过程。转载自[81]，版权2021，美国化学会。'>

药物检测

药物滥用和残留对生态系统和人类健康构成威胁。COFs传感器在药物检测方面展现出潜力。

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  恩诺沙星（ENR）：Lu等人利用TAPB-PDA-COFs/AuNPs复合材料修饰电极，通过方波伏安法（SWV）检测ENR，LOD为41.0 nM，并成功应用于水和牛奶样品。
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  呋喃唑酮：Sun等人将COF固定在胺功能化CNT上，构建的COF@NH₂-CNT/GCE对呋喃唑酮的LOD达0.775 nM。
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  氧四环素（OTC）：He团队合成了尺寸依赖的COF并修饰适配体，通过阻抗谱（EIS）检测OTC，LOD为16.1 fM。Lu团队则构建了基于Ce-MOF@MCA杂交体的无标记适配体传感器，LOD为17.4 fM。
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  对乙酰氨基酚（ACP）：Xie等人制备的TAPB-DMTP-COF@PANI复合材料，因其大的电化学表面积和聚苯胺（PANI）的固有导电性，对ACP的LOD为32.0 nM。

-1时，不同浓度ENR的SWV图；(b) 相应的校准曲线。插图：50.0 nM至10.0 μM动态范围内的校准曲线。转载自[94]，版权2021，Elsevier。'>

同时检测多种药物

COFs也被用于同时检测多种药物。例如，Sun等人开发了GO@COF纳米复合材料修饰的传感器，结合分子印迹聚合物（MIP），同时检测了对乙酰氨基酚（ACP）和磺胺嘧啶。Guan等人利用DP-Py COF与AuNPs复合材料，同时检测了茶碱和咖啡因。

COFs在环境毒物传感中的应用

环境污染物对人类健康构成严重威胁，COFs传感器在此领域也大有可为。

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  双酚A（BPA）：Xie等人设计了基于血红素/TAPB-DMTP-COF/AuNPs的三重信号放大传感器，用于检测水样中的BPA，LOD为3.4 nM。
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  铅（Pb）：Zhang等人利用TAPB-DMTP-COF修饰碳糊电极，通过Pb与COF中胺基的络合作用，实现了对Pb的高灵敏检测，LOD为1.9 nM。
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  重金属离子：Zhu等人合成的COF_MELE-BTDD可同时检测Cd(II)、Pb(II)、Cu(II)和Hg(II)。Roushani团队利用CB-COF/GCE平台，同样实现了对多种重金属离子的高灵敏同时检测，并应用于实际食品样品。

COFs用于检测多种分析物

COFs的多功能性使其能够用于构建检测不同类别分析物的传感器。Huang等人开发了AgNPs修饰的COF杂化材料，用于同时检测H₂O₂和芦丁。还有研究报道了基于酶@COF微胶囊的传感器，可同时检测葡萄糖、H₂O₂和马拉硫磷。

TFPB-DBD/GCE用于同时测定葡萄糖、H₂O₂和马拉硫磷。转载自[130]，版权2021，Elsevier。'>

当前挑战与未来展望

尽管COFs在电化学传感中展现出巨大潜力，但其固有的中等导电性和稳定性限制了其更广泛的应用。未来的研究应侧重于通过合理的结构设计和后合成修饰来优化这些性能。此外，COFs的大规模合成、生物相容性以及传感机理的深入理解也是需要解决的问题。将新型COFs或其杂化材料与便携式、可穿戴电化学传感器技术有机结合，有望为生物重要分子和环境毒物的检测开辟更广阔的前景。计算方如密度泛函理论（DFT）和机器学习工具有助于更好地理解COFs的作用和详细的传感机制。最终目标是开发出具有增强分析性能、更长保质期且易于与微流控设备及无线数据库技术集成的多路复用生物传感器，用于远程传感应用。