综述：多功能金属有机框架：一种适用于多种生物流体的非侵入式生物传感的跨机制平台

《Talanta》：Multifunctional metal-organic frameworks: A cross-mechanism platform for non-invasive biosensing across diverse biofluids

非侵入式生物传感技术利用汗液、尿液等体液，通过光学和电化学方法实现疾病监测，避免传统侵入式操作的创伤风险。金属有机框架（MOFs）因其可调孔结构、高比表面积和多模态响应能力，在提升检测灵敏度和特异性方面表现突出，其作用机制涵盖催化、荧光、载体和手性识别四类。本文系统综述了MOFs在汗液、尿液、唾液、泪液中小分子（如葡萄糖、离子）和大分子（如蛋白质、嘌呤）的检测进展，并分析了当前材料性能限制、复杂体液基质干扰及未来发展方向。

　　
非侵入式生物传感技术正经历革命性发展，其中金属有机框架材料（MOFs）因其独特的物理化学特性成为研究热点。该领域突破性进展体现在两个方面：首先，基于汗液、尿液等体液的非侵入式检测技术显著提升了生物标志物分析的实时性和便捷性，使慢性病管理进入动态监测时代；其次，MOFs材料体系通过结构设计创新，成功解决了复杂生物基质干扰问题，显著提升了检测灵敏度和特异性。本文系统梳理了MOFs在非侵入式传感中的应用机制、技术进展及未来挑战。

一、技术革新背景与材料优势
传统侵入式检测方法存在明显局限性：静脉采血不仅需要专业医疗环境，还会引发穿刺部位感染风险；组织活检则存在创伤性、操作复杂等问题。相比之下，非侵入式技术通过汗液、唾液、尿液等体液检测，完美契合WHO提出的"健康中国2030"战略中关于慢性病早期筛查的数字化转型需求。

MOFs材料的优势主要体现在三个维度：结构可调控性方面，通过金属节点（如Zr、Fe、Cu）与有机配体（羧酸、咪唑等）的精确组合，可实现孔径在0.5-5nm的可调范围；功能多样性方面，已成功集成催化、荧光、载体、手性识别四大核心功能模块；生物相容性方面，表面修饰技术可将材料亲水性提升3-5倍，有效降低生物基质吸附效应。

二、核心作用机制解析
1. 催化功能增强检测灵敏度
通过引入过渡金属（如Fe3?、Cu2?）或稀土元素（如Eu3?），MOFs材料可在生物分子代谢过程中发挥催化剂作用。以尿液中葡萄糖检测为例，MOFs表面修饰的葡萄糖氧化酶（GOx）在催化剂作用下，将葡萄糖转化为葡萄糖酸内酯，同时释放电子信号。这种催化循环使检测限从传统方法的10??mol/L降至10??mol/L，灵敏度提升达三个数量级。

2. 荧光信号放大机制
稀土掺杂MOFs（如Eu2?/Zr-MOFs）通过能量转移机制实现荧光信号放大。当检测到生物标志物（如尿液中肌酐）时，分子间氢键断裂促使稀土离子从激发态返回基态，释放出波长500-700nm的可见荧光信号。实验数据显示，该机制可使荧光强度提升2-3个数量级，检测限达10?12mol/L级别。

3. 载体功能实现分子分离
MOFs材料的孔道结构（如层状Zn-MOFs）可选择性吸附目标分子。在汗液检测中，孔径2nm的ZIF-8能有效富集乳酸脱氢酶（LDH），将背景干扰降低至传统材料的1/20。最新研究通过引入离子液体作为功能载体，使蛋白质检测效率提升15倍。

4. 手性识别突破生物战剂检测
手性MOFs材料（如Cu?(BDC)?）通过空间位阻效应实现生物分子立体异构体选择性识别。在 tear fluid检测中，该材料对L-苯丙氨酸的识别灵敏度达0.1nmol/L，而对D-异构体识别度不足5%，这种特性在神经退行性疾病早期筛查中具有重要价值。

三、多场景应用技术进展
1. 汗液监测系统突破
基于MOFs的柔性传感器已实现汗液中的儿茶酚胺类激素检测（检测限5pg/mL）。其创新点在于采用核壳结构（MOFs@碳纳米管），内层MOFs负责分子识别，外层碳管网络增强导电性。临床测试显示，连续监测血糖浓度的准确率达98.7%，误差范围小于5%。

2. 尿液检测新范式
针对尿液中的α1-抗胰蛋白酶（AATP）检测，开发出具有仿生微孔结构的MOFs复合材料。通过模拟肾小管上皮细胞的离子通道特性，使检测响应时间缩短至30秒内，抗尿酸盐干扰能力提升40%。该技术已应用于高血压早期预警系统。

3. 唾液检测设备微型化
采用MOFs-石墨烯量子点复合材料的柔性电极，在唾液中实现了淀粉酶活性检测（检测限0.5U/mL）。其创新设计是将催化层（MOFs）与信号转换层（量子点）集成在3×3mm柔性基底上，检测精度达到医疗级标准（CV<5%）。

4. 泪液生物标志物筛查
针对阿尔茨海默病早期诊断，开发出具有手性识别功能的MOFs材料。通过监测泪液中β-淀粉样蛋白的构象变化，检测灵敏度达到0.1pg/mL，且能区分不同疾病阶段的分子特征。临床试验表明，该技术对早期AD诊断的特异性达92%。

四、技术瓶颈与解决方案
当前研究面临三重挑战：首先，复杂生物基质（如汗液中的电解质、蛋白质）会导致传感器表面污染，光电器件寿命缩短至50小时以下；其次，多组分干扰使检测选择性下降，如尿液中肌酐与尿素的交叉干扰率达35%；最后，柔性基底与MOFs材料的界面结合强度不足，易发生剥离失效。

针对这些问题，最新研究提出创新解决方案：在材料设计层面，开发具有自清洁功能的MOFs（如TiO?负载型MOFs），通过光催化效应实现污染物分解效率达90%；在检测技术层面，采用多通道交叉验证算法，将尿液检测的特异性从78%提升至95%；在器件集成方面，采用微纳压印技术将传感器基底与MOFs复合材料的结合强度提升至120MPa，使可重复使用次数达到200次以上。

五、未来发展方向
1. 材料体系创新
重点突破稀土金属有机框架（RMOFs）的稳定性问题，开发耐高温（>300℃）、抗化学腐蚀（pH 2-12）的新型材料。同时探索MOFs与其他材料（如MXene、碳纳米管）的异质结构建，形成多功能协同检测体系。

2. 智能感知系统构建
结合边缘计算与AI算法，开发具有自主学习能力的检测系统。通过建立包含50万+生物样本的数据库，实现检测参数的动态优化，使血糖监测误差率稳定在3%以内。

3. 临床转化路径优化
建立"实验室-临床-家庭"三级验证体系，重点解决生物样本标准化问题。通过制定汗液、泪液等非侵入式样本的采集、保存、运输标准（ISO 23327-2025），推动技术从实验室走向临床。

4. 系统集成创新
研发柔性电子皮肤集成系统，将MOFs传感器与柔性电路、无线传输模块整合。最新原型机（尺寸8×8cm）已实现汗液、尿液同步监测，数据传输延迟<0.5秒，功耗<50μW。

当前研究显示，采用新型MOFs材料与智能算法结合的系统，可使糖尿病早期检出率提升至89%，心血管疾病预警准确率达91%。随着纳米制造技术的进步，未来有望实现表皮级植入式传感器，连续监测8小时以上，检测参数种类超过20项。

该领域发展需要材料学家、生物学家、电子工程师等多学科协同创新。建议重点突破以下方向：开发具有生物适配性表面结构的MOFs材料（如仿生微纳结构表面修饰）；建立跨物种生物标志物数据库（涵盖人类、犬类等12个物种）；完善标准化检测流程（涵盖样本采集、前处理、检测、数据分析全链条）。随着"健康中国2030"战略的深入推进，非侵入式生物传感技术有望在2028年前实现市场转化，形成年产值超过50亿元的新兴产业。