基于血液ZIF-8生物忆阻器的高灵敏度近视诊断新方法

本刊推荐：针对当前近视诊断缺乏客观生理指标的问题，研究人员开发了一种基于Ag/ZIF-8:PVP/FTO结构的忆阻器，通过分析血液样本实现高度近视的精准鉴别。该设备展现出稳定的双极阻变特性和电压依赖的多机制导电行为，在单卵双胞胎模型中成功区分表型差异，为儿童及高风险人群的早期筛查和微创监测提供了新策略。

随着全球近视患病率的急剧上升，尤其是东亚地区青少年近视率高达80%–90%，近视已成为影响公众健康的重大挑战。传统诊断方法如自动验光、视力测试和睫状肌麻痹验光存在明显局限性：儿童配合度差、检查侵入性强，且无法实现动态生理监测。更严峻的是，高度近视（≤?6.0 D）显著增加视网膜脱离、黄斑变性和青光眼等不可逆并发症的风险。尽管代谢组学和蛋白质组学研究提示氧化应激产物和晚期糖基化终末产物（AGEs）可能是近视的潜在生物标志物，但这些发现尚未转化为实用的临床技术。

在此背景下，研究人员开发了一种创新的血液生物忆阻器诊断平台，相关成果发表于《Materials Today Bio》。该研究利用沸石咪唑酯框架-8（ZIF-8）作为主要功能材料，构建了Ag/ZIF-8:PVP/FTO结构的忆阻器件，首次实现了基于血液的近视生理状态鉴别。

研究采用以下关键技术方法：

1. 1.
   样本来自西安人民医院（西安市第四医院）采集的高度近视患者和健康对照者的外周静脉血，通过离心分离血浆；
2. 2.
   通过溶液法合成ZIF-8纳米颗粒，并采用旋涂工艺在氟掺杂氧化锡（FTO）玻璃基底上制备忆阻器功能层；
3. 3.
   利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对材料进行形貌与成分表征；
4. 4.
   使用半导体参数分析仪（B2900 Series）测量忆阻器的电流-电压（I-V）特性，评估阻变性能；
5. 5.
   通过单卵双胞胎家族模型分析遗传与表型因素对忆阻行为的影响。

3.1. 器件制备与结构表征

研究人员通过SEM和EDS分析证实ZIF-8纳米颗粒具有均匀的多孔菱形多面体结构，FTIR光谱显示出明显的C=N拉伸峰（1562 cm^?1）和Zn–N配位带（472 cm^?1），表明金属-有机框架成功形成。器件截面SEM显示功能层厚度约800 nm，且元素分布均匀，XPS分析进一步验证了Zn²⁺与有机配体的稳定配位。

3.2. 关键参数优化

通过系统优化ZIF-8浓度、电压扫描速率和偏压范围，发现10 mg/mL ZIF-8负载、1 V/s扫描速率和±2.0 V偏压条件下，器件表现出最佳的阻变对比度（HRS/LRS比率达67.5）和稳定性。

3.3. 器件可靠性与耐久性分析

在连续100次I-V扫描中，忆阻器表现出高度一致的阻变行为，高阻态（HRS）和低阻态（LRS）分别稳定在820 Ω和92 Ω附近，高斯分布拟合优度（R²）超过0.97，表明其适用于生物电子传感场景。

3.4. Ag/ZIF-8:PVP/FTO忆阻器机制

分段I-V拟合揭示其导电机理为混合模式：0至+1.1 V为肖特基发射（Schottky emission），+1.1至+2.0 V为欧姆传导，反向扫描则涉及跳跃传输和直接隧穿。这种界面极化与陷阱介导的传输机制确保了信号的可重复性。

3.5. 忆阻器的比较电学分析

使用高度近视和健康者血液制备的忆阻器表现出显著差异：近视样本的器件呈现近乎欧姆行为的线性I-V曲线，而健康样本则显示明显的滞回和多级开关特性。在单卵双胞胎家族中，尽管所有成员共享ABCA4基因杂合突变（c.971G>A），仅患病先证者的忆阻器表现出典型的“扁平化”响应，表明其电学表型与近视病理密切相关。

研究结论表明，基于ZIF-8的忆阻器能够通过血液离子相互作用捕捉近视相关的生理变化，甚至区分遗传相同但表型不同的个体。这种微创、动态的筛查策略为儿童及特殊人群的近视早期诊断提供了新途径。未来工作将聚焦于生物标志物解构、设备微型化以及与机器学习结合的实时健康监测系统开发。

该研究的核心意义在于将忆阻器技术从电子学领域拓展至生物医学诊断，通过血液生物标志物与忆阻行为的映射，为近视及其他复杂疾病的表型分层和精准干预奠定了理论基础和技术框架。