调节azine连接的共价有机框架中的核心柔韧性和曲率，以实现葡萄糖的原子摩尔级阻抗传感

《Journal of the American Chemical Society》：Tuning Core Flexibility and Curvature in Azine-Linked Covalent Organic Frameworks for Attomolar-Level Impedimetric Sensing of Glucose

非酶电极葡萄糖传感器研究：通过氮原子取代优化COF结构，实现亚原子灵敏度检测。采用三嗪环取代策略调控COF曲率与电子特性，增强葡萄糖分子吸附与电荷传输，阻抗光谱显示检测范围1 aM-5 mM，LOD 0.878 aM，选择性抑制干扰物质影响，稳定性优于传统酶电极，适用于可穿戴医疗设备。

　　在现代医学和生物传感技术的发展过程中，葡萄糖作为反映代谢健康的重要生物标志物，其连续、可靠监测对于疾病诊断和健康管理具有重要意义。当前，临床实践中广泛采用的酶促葡萄糖传感器依赖于固定葡萄糖氧化酶（GOx）于碳基电极表面，通过催化葡萄糖氧化反应，将其浓度转化为可测量的电信号。然而，这种传感器存在一系列挑战，如复杂的酶固定过程、酶的泄漏风险、检测精度受限、短期稳定性不足以及较高的生产成本。这些限制在实际应用中，尤其是对于可穿戴或植入式设备的集成，带来了显著的技术障碍。

为了解决这些问题，非酶促电化学传感器应运而生，成为一种具有潜力的替代方案。这类传感器通常利用材料的电子特性和表面相互作用来实现葡萄糖检测，而不依赖酶的催化活性。尽管非酶促传感器在灵敏度和选择性方面有所突破，但它们仍然面临检测范围有限、灵敏度不足以及在复杂生物介质中易受干扰等挑战。因此，开发具有更高灵敏度和选择性的非酶促葡萄糖传感器，是当前研究的重点方向。

近年来，共价有机框架（COFs）因其独特的结构特性，如可调的化学结构、永久的周期性孔隙以及优异的化学稳定性，逐渐成为电化学传感器领域的研究热点。COFs是一种由有机连接单元通过共价键构建的晶体多孔材料，其结构可以通过调整连接单元的化学结构进行精确调控。然而，尽管COFs在电化学传感中展现出良好的前景，但目前基于COFs的葡萄糖传感器仍主要依赖于引入金属或酶，这在一定程度上削弱了其非酶促检测的优势。

为了进一步提升COFs在非酶促葡萄糖检测中的性能，本研究提出了一种创新的分子设计策略。通过将C?对称构建单元中的中心三嗪环替换为氮原子，成功引入了结构上的灵活性和曲率变化。这一设计不仅改变了COFs的电子特性，还通过调整核心与外围苯基环之间的二面角，使得COFs的结构从平面型向弯曲型转变。这种结构上的变化有助于增强葡萄糖与框架之间的相互作用，同时优化电极界面的电荷传输效率。

具体而言，氮原子的引入增强了核心的电子供体能力，从而提高了COFs的整体导电性，并促进了电荷在电极界面的高效转移。此外，框架的曲率变化有效减少了π-π堆积效应，使得更多的活性位点暴露于电极表面，从而提升了葡萄糖分子与框架之间的结合效率。这种结构上的优化显著改善了传感器的灵敏度和选择性，使其能够检测低至亚阿摩尔（aM）浓度的葡萄糖，并在较宽的浓度范围内保持线性响应，即从1 aM到5 mM。相比之下，大多数现有的非酶促葡萄糖传感器的检测限通常在纳摩尔（nM）级别，且检测范围较为狭窄。

在实际应用方面，本研究通过将合成的COFs（TtaHz和TFPAHz）均匀沉积在丝网印刷碳电极（SPCE）上，构建了非酶促葡萄糖传感器。实验结果显示，TFPAHz涂层电极在检测灵敏度、稳定性以及可重复性方面均优于TtaHz。TFPAHz的检测限（LOD）达到0.878 aM，而TtaHz的LOD为4.87 nM。这种显著的性能差异源于TFPAHz更优的电子供体能力和结构曲率，使其在低浓度葡萄糖检测中表现出更强的响应能力。

在生物相容性和实际应用场景方面，研究团队进一步评估了TFPAHz和TtaHz在复杂生物环境中的表现。实验表明，这两种COFs在生理相关条件下（如pH 4、pH 10的水溶液，以及模拟体液如DPBS和FBS）均表现出良好的稳定性。特别是TFPAHz在长期测试中仍能保持较高的检测灵敏度，其Cdl值仅在初始值的基础上略有波动，表明其在实际应用中的可靠性。此外，TFPAHz在细胞毒性测试中也展现出较好的生物相容性，能够在维持细胞活性的同时实现有效的葡萄糖检测。

为了进一步揭示TFPAHz在葡萄糖检测中的作用机制，研究团队结合了实验与理论计算方法。通过密度泛函理论（DFT）和分子动力学模拟，研究人员发现葡萄糖分子在TFPAHz表面的吸附行为与其电子供体特性密切相关。具体而言，葡萄糖分子中的羟基（OH）与TFPAHz的azine键之间形成了较强的偶极相互作用，这种相互作用不仅增强了葡萄糖的吸附能力，还显著改变了电极表面的电荷分布。这一变化进而影响了电化学双电层（EDL）的特性，导致电极界面的阻抗发生明显变化，从而实现了非法拉第（nonfaradaic）的电化学信号传递。

理论计算进一步支持了这一机制。在TFPAHz表面，葡萄糖的吸附不仅导致了电子态的显著变化，还改变了材料的能带结构和功函数。具体而言，葡萄糖的吸附使TFPAHz的能带间隙减小，同时增加了表面偶极矩，从而增强了电极与电解质之间的界面相互作用。这些变化直接导致了电极界面电容的增加，进而通过电化学阻抗谱（EIS）实现了对葡萄糖浓度的高灵敏度检测。相比之下，TtaHz由于其平面结构，导致葡萄糖与框架之间的相互作用较弱，从而降低了其检测灵敏度。

在选择性方面，TFPAHz表现出对葡萄糖的显著优势。当传感器暴露于其他常见生理干扰物（如抗坏血酸、尿酸、乳酸、半乳糖和蔗糖）时，这些物质对电极信号的影响远小于葡萄糖。这种高选择性使得TFPAHz在复杂生物介质中仍能准确检测葡萄糖，无需额外的预处理步骤，从而提升了其在实际应用中的可行性。相比之下，TtaHz在高浓度干扰物存在下表现出较低的选择性，表明其在复杂生物环境中的适用性受到一定限制。

此外，研究团队还评估了TFPAHz在模拟体液（如人工汗液）中的性能。实验结果表明，TFPAHz在人工汗液中仍能保持较高的检测灵敏度，尽管其性能在复杂矩阵中有所下降，但仍优于传统酶促传感器。这一发现表明，TFPAHz具有良好的潜力用于可穿戴或植入式传感器，为实现无创血糖监测提供了新的材料选择。

在实际应用中，传感器的长期稳定性同样至关重要。研究团队通过模拟生理条件下的长期暴露实验，评估了TFPAHz和TtaHz在不同环境下的表现。实验结果显示，两种COFs在72小时的暴露后仍能保持较高的检测性能，且结构形态未发生明显变化。这一结果进一步验证了其在实际环境中的适用性。

本研究不仅在实验层面验证了TFPAHz作为非酶促葡萄糖传感器的优越性能，还在理论层面揭示了其在葡萄糖检测中的作用机制。通过结合分子模拟与实验数据，研究人员能够深入理解COFs在电荷传输和分子识别方面的行为。这一研究为设计高性能、非酶促、可穿戴和可植入式传感器提供了重要的理论基础和实验支持。

综上所述，本研究通过结构调控和电子优化，成功开发出一种基于azine连接COFs的非酶促葡萄糖传感器。该传感器在灵敏度、选择性和稳定性方面均表现出色，特别是在低浓度葡萄糖检测和复杂生物介质中的表现尤为突出。这一成果不仅为非酶促葡萄糖检测提供了新的材料平台，也为未来开发更先进、更实用的生物传感技术奠定了基础。此外，研究还强调了未来研究方向，如在更接近实际应用的环境中进一步优化传感器性能，以实现更广泛的应用前景。