鲁东大学陈雪叶教授团队ACHM：金属有机框架(MOF)可穿戴电化学生物传感器用于汗液检测的研究进展

可穿戴生物传感器不仅能够在日常生活中对人体生理指标进行持续的动态监测还能在临床环境中为临床医疗提供更多的数据，为个人健康检测提供了新的方法和思路。因此推动生物传感器的进一步发展实现更多生理指标的有效检测成为相关研究的重要方向。汗液中不仅含有丰富的生理标志物，其样本便于采集、能够实现连续检测的优势，也为实现对人体各类生理指标的实时监测提供了极大的便利。金属离子与有机配体之间通过配位键合形成的高度多孔的框架结构——金属有机框架（MOF）凭借高度周期性的结构、高度的结构可调性以及超高的孔隙率在在汗液检测领域展现出独特潜力。

据此，鲁东大学陈雪叶教授团队以2024级研究生董文豪为第一作者，陈雪叶教授为通讯作者在《Advanced Composites and Hybrid Materials》上以“Research Progress of Wearable Electrochemical Biosensors Based on Metal - Organic Frameworks (MOFs) for Sweat Detection”为题发表综述。该论文是鲁东大学为第一/通讯作者单位在IF>20的期刊上发表的首篇论文，实现了历史性突破。该论文系统回顾了可穿戴电化学生物传感器用于汗液检测的研究进展，详细介绍了生物酶、生物抗体、分子印迹聚合物、金属纳米材料等常见敏感材料及其检测原理，总结了汗液中生物标志物的浓度范围、传感策略和健康影响。深入探讨了MOF用于汗液检测的优势与缺点以及常见制备方法，并针对MOF电导率低的问题总结了常见的将MOF与导电材料相结合的方式，重点介绍了将MOF与水凝胶相结合的方案。此外，还阐述了基于MOF的汗液传感器对葡萄糖、乳酸、皮质醇等生物标志物的检测应用。最后，对MOF基可穿戴汗液传感器的发展进行展望，为后续可穿戴电化学汗液传感器的研究提供了参考。

图文简介

图1 基于MOF的可穿戴电化学汗液传感器

图2 电化学汗液传感器的敏感材料

图3 典型的基于生物酶和生物抗体的汗液传感器。(A)基于生物酶的L-乳酸传感器的检测原理。(B)用于检测汗液中葡萄糖的水凝胶。(C)一种用于检测汗液中乙醇的自供电可穿戴生物传感器。(D)人工汗液中神经递质的灵敏酶法测定。(E)用于监测汗液中C反应蛋白的无线贴片示意图。

图4基于分子印迹聚合物（MIP）和金属纳米材料的典型汗液传感器。(A)MIP形成反应的示意图以及用于监测汗液中皮质醇的柔性分子印迹传感器。(B)用于检测汗液中皮质醇和乳酸水平的柔性MIP传感器及其制造过程。(C)基于花状金纳米结构/氧化石墨烯的汗液中葡萄糖非酶传感原理示意图。(D)可穿戴汗液传感贴片示意图。(E)基于铜的天然氧化物的非酶电化学传感器工作电极的制备示意图。

图5 金属有机骨架材料（MOFs）的常见合成方法。(A)水热法制备Co/Cu-MOF的示意图。(B)MOF在水凝胶框架上直接生长的示意图。

图6 金属有机骨架材料（MOFs）的常见合成方法。(A)有无调节剂时MOFs的微波辅助合成。(B)声化学辅助合成法制备CAU-17示意图。

图7 基于金属有机骨架（MOF）的电化学传感器用于检测汗液中的葡萄糖和乳酸.（A）基于镍 - MOF的葡萄糖传感器。（a）、 （b）全固态非酶促汗液葡萄糖生物传感器装置的照片。（c）在20mV s⁻¹下中性溶液中不同葡萄糖浓度的循环伏安（CV）曲线。（d）由（c）得出的电流密度与葡萄糖浓度的关系。（e）由0.75V下的CV曲线得出的电流密度与模拟汗液浓度的关系。（f）使用收集的汗液进行葡萄糖检测。（B）一种用于检测汗液中葡萄糖、尿酸和K⁺电解质的多模态表皮贴片。（C）基于铜 - MHOF的葡萄糖传感器。（D）基于Fe/Co-MOF的乳酸传感器示意图以及Fe/Co-MOF双网络水凝胶的制备过程。

图8 基于金属有机框架（MOF）的电化学传感器用于检测汗液中的生物标志物。(A)基于Ni/Co-MOF的皮质醇传感器示意图。(a)Ni/Co-MOF及MOF-SA生物结合物的合成示意图；(b)碳复合纸（CCP）柔性薄膜电极的制备；(c)皮质醇/适配体/氮掺杂碳复合纸薄膜电极的制备示意图；(d)皮质醇传感器贴片示意图。(B)汗液皮质醇检测原理示意图。

图9 受天然抗坏血酸氧化酶启发定制纳米酶用于汗液抗坏血酸传感。(a)用于无创健康监测的汗液传感器；(b)具有铜催化位点以及由组氨酸和色氨酸形成的特异性结合位点的天然抗坏血酸氧化酶，可对抗坏血酸进行选择性催化；(c)模拟抗坏血酸氧化酶的金属有机框架概念。蓝色、红色、灰色和白色球分别代表铜、氧、碳和氢原子。

图10 基于金属有机骨架衍生的六角棒状多孔碳的微流控可穿戴电化学传感器用于汗液代谢物和电解质分析。(A)集成可穿戴传感器的爆炸图；(B)采用3D打印技术制备微流控模块；(C) 传感模块示意图；(D)柔性传感贴；(E)附着在受试者颈部的设备的实物图。

来源：高分子科学前沿

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