综述：基于金属有机框架（MOF）生物传感器在抗氧化剂检测中的多功能性

本综述系统评述了金属有机框架（MOF）生物传感器在抗氧化剂检测中的前沿进展，重点介绍了其结构特性、传感机制（电化学、荧光、比色等）及在临床（如活性氧/氮物种ROS/RNS相关疾病）、食品工业与环境监测中的应用，为开发高灵敏度、高选择性且可商业化的下一代抗氧化剂传感平台提供了重要指导。

　　

金属有机框架（MOF）生物传感器在抗氧化剂检测中的研究进展

抗氧化剂在缓解由活性氧/氮物种（ROS/RNS）引起的氧化应激中具有关键作用，其失衡会导致慢性疾病和生物分子损伤。除生物学意义外，抗氧化剂还广泛应用于食品、化妆品和药品中以增强稳定性和延长保质期。传统的检测方法如分光光度法（DPPH、ABTS、ORAC）和色谱技术（HPLC、LC-MS）虽准确但成本高、流程复杂且便携性差。生物传感器以其高灵敏度、快速分析和实时监测的优势成为理想替代方案，其中基于金属有机框架（MOF）的生物传感器因其可调孔隙率、高比表面积和多功能设计而脱颖而出，可通过荧光、比色、电化学或混合机制实现精确的抗氧化剂检测。

MOF在生物传感中的结构与特性

金属有机框架（MOF）是由金属簇与有机配体配位形成的结晶多孔材料，具有超高比表面积（通常为1000–10000 m2/g）、可调孔径（0.5–10 nm）和模块化框架组成。其周期性排列的金属节点和有机连接体产生精确有序的空腔，可通过功能化创建特异性识别位点。MOF的结构多样性使其能够通过氢键、π-π堆积和静电相互作用与生物分析物有效互动，同时作为受体和 transducer 发挥作用。

MOF的独特性质包括高表面积、可调孔隙率、化学稳定性、生物相容性和多功能性。其高孔隙率（高达94%的自由空间）允许通过分子限制和促进传质优化抗氧化剂检测。某些MOF（如MIL-53(Al)）表现出刺激响应的“呼吸”行为，可逆的孔膨胀/收缩响应热或化学刺激，从而实现对表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）和半胱氨酸的选择性检测。

MOF的结构和化学可调性使其能够精确设计生物传感特性。通过选择金属离子（如Cu²⁺、Zn²⁺、Fe³⁺）和有机配体，可以原子级控制孔几何形状、表面功能和化学反应性。例如，巯基功能化的Zn-MOF通过协同羟基和羧基相互作用选择性结合抗坏血酸（AA）。MOF的化学和热稳定性对其作为生物传感平台的可靠性至关重要，其中较高氧化态的金属离子（如Al³⁺、Fe³⁺、Zr⁴⁺、Ti⁴⁺）形成更强的键，增强稳定性。

MOF的生物相容性对于临床诊断和生物医学应用至关重要，许多MOF对生物系统显示出最小的有害效应。例如，银/咪唑MOF比银纳米颗粒（AgNPs）表现出更低的细胞毒性。MOF的多功能性允许精确整合多种功能组件，如催化中心、荧光团和氧化还原活性介质，实现多种检测模式。化学功能化通过添加功能部分显著增强MOF生物传感器的特异性和选择性，而无需改变其结构。

MOF的发光和电化学特性为生物传感提供了显著优势。分析物诱导光物理变化，如荧光猝灭或增强，允许定量分析。其固有荧光通过浓度相关的猝灭机制实现敏感的抗氧化剂检测。同时，MOF表现出优异的电化学活性，通过三种主要电荷传输途径：通过键协调网络的传导、通过π-π堆积连接体的空间传导以及客体介导的传导。MOF还通过修饰电极增强导电性和检测灵敏度，并可作为电化学传感器中的信号标签。

MOF生物传感器的合成策略

MOF的受控合成对其在生物传感应用中的性能至关重要。合成方法包括溶剂热和水热、电化学、微波辅助、超声辅助和室温搅拌方法，直接影响传感器参数：结晶质量、缺陷密度、表面功能和形态控制。

溶剂热和水热方法是MOF合成的黄金标准，提供无与伦比的结晶度、孔隙率和形态特征控制。溶剂热方法特别适用于光学生物传感器开发，允许精确调制MOF电子特性和表面特性。例如，UoZ-4（一种锰基MOF）在140°C下由间苯二甲酸合成，表现出均匀的纳米棒形态和优异的结晶度。水热合成在水性介质中进行，产生具有增强生物相容性和水稳定性的MOF，适用于生物和食品相关应用。

电化学合成已成为制备MOF的有效且可控的方法。通过在有机配体存在下还原电极表面的金属离子，这种方法能够通过施加电位精确调节MOF生长动力学、形态和结构。与传统的溶剂热方法不同，电化学合成在温和条件下操作，降低能耗并实现快速、可扩展的生产。关键优势是MOF直接沉积在导电基底上，增强电子转移并提高传感器灵敏度。

超声辅助合成是制备具有增强物理化学性质的MOF的创新且高效的策略。该技术采用高频声波诱导空化——涉及微气泡的形成、生长和爆裂性坍塌的过程——产生具有极端温度和压力的局部热点。这些条件在温和的反应参数下促进快速成核和受控晶体生长，与传统水热或溶剂热方法相比具有明显优势，如更短的合成时间、降低的能耗以及精确的颗粒尺寸和形态控制。

微波辅助合成通过提供快速、节能的替代方案彻底改变了MOF制备。该技术利用微波辐射实现均匀和瞬时加热， dramatically 减少反应时间同时确保优异的材料质量和批次间重现性。该方法固有的可扩展性促进了MOF基生物传感器的大规模生产，通过精确控制形态和表面特性实现特定传感应用的快速优化。

室温搅拌合成已成为制备MOF的简单而有效的策略。这种节能方法涉及在适当溶剂中溶解金属前体和有机连接体，然后在环境温度下搅拌，消除了对高压或高温等苛刻条件的需要。该方法的温和反应环境保留了MOF基生物传感器中温度敏感生物分子的结构完整性以用于抗氧化剂检测。

抗氧化剂检测的传感机制

MOF基生物传感器通过多种检测模式将表面与抗氧化剂分子的相互作用转化为可测量信号，包括光学、电化学和混合方法。

光学传感机制

光学传感是MOF基生物传感器中最广泛探索的机制之一，因其简单性、高灵敏度和实时无标记检测潜力。在抗氧化剂检测背景下，光学转导通常通过荧光（发光）、荧光共振能量转移（FRET）、光诱导电子转移（PET）、分子内电荷转移（ICT）、比率荧光和比色变化发生。

荧光传感是一种高度敏感和强大的光学技术，广泛用于MOF基生物传感器，特别是抗氧化剂检测。发光MOF（LMOF）由光发光配体、金属中心（如镧系元素）或嵌入荧光团组成，在激发时发射光。它们的发光源于涉及金属中心和有机连接体的电子跃迁，包括配体到配体、配体到金属和金属到金属的电荷转移。抗氧化剂相互作用通过猝灭（“关闭”）或增强（“开启”）发射来调节发光，其中开启传感器因其更高的灵敏度和抗干扰性而更受青睐。

FRET实现高度敏感的抗氧化剂检测，通过距离依赖（1-10 nm）的能量转移 between chromophores。该现象需要供体发射和受体吸收之间的光谱重叠，促进非辐射能量转移。在MOF系统中，框架通常作为荧光供体，抗氧化剂分析物作为猝灭剂。分析物结合通过破坏FRET调制（通常猝灭）MOF的荧光，提供抗氧化剂浓度的定量测量。

PET是发光MOF生物传感器中抗氧化剂检测的基本机制。在这些系统中，光激发触发MOF（作为供体或受体）与目标分析物之间的电子转移，调制荧光强度。该过程对电子相互作用表现出 exceptional 敏感性，其中具有合适氧化还原电位的抗氧化剂猝灭或增强荧光，实现定量检测。

ICT是开发选择性MOF基生物传感器用于抗氧化剂检测的强大机制。在这些系统中，光激发诱导供体和受体部分 within the MOF structure 之间的电子重新分布，引起特征性荧光位移。MOF连接体或孔中电子富集或缺陷基团的战略 incorporation 允许精确调整这种光响应。抗氧化剂结合通过电子离域变化或直接参与电荷转移扰乱ICT途径，产生可检测的荧光调制。

比率荧光传感器采用MOF已成为精确抗氧化剂检测的强大分析平台。这些传感器监测两个不同的发射波长——一个稳定的参考信号和一个分析物响应信号——实现内在自校准，补偿仪器和环境变化。这种方法有效地最小化了仪器误差和环境干扰，如激发光波动、探针浓度、光漂白和pH变化， thereby 提高灵敏度和鲁棒性。

比色传感使用MOF已成为抗氧化剂检测的强大平台，提供简单的视觉读数、快速响应和成本效益的现场分析。这些传感器利用MOF的独特特性——高孔隙率、可调化学和酶模拟催化活性——通过与显色底物（3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）、邻苯二胺（OPD）、2,2′-联氮双（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸铵盐）（ABTS）或3,3′-二氨基联苯胺（DAB））的氧化还原反应产生可见的颜色变化。

电化学传感

电化学传感因其高灵敏度、快速响应和与微型化、成本效益平台的兼容性而广泛用于生物传感器开发。它特别适用于检测氧化还原活性抗氧化剂——如AA、多巴胺、UA和多酚——它们在电极表面经历氧化或还原，产生可测量的电信号用于实时、无标记定量。循环伏安法（CV）、差分脉冲伏安法（DPV）和电化学阻抗谱（EIS）等技术常用于分析氧化还原行为、增强检测灵敏度和评估传感器界面特性。

将MOF集成到电化学生物传感器中通过实现选择性分析物识别和改善固定在电极表面时的电子转移来增强检测。然而，许多原始MOF的低电导率限制了它们的电化学性能。为了解决这个问题，已经开发了诸如掺入氧化还原活性金属（如Cu²⁺、Fe³⁺、Ni²⁺、Co²⁺）、与石墨烯、CNT或金属纳米颗粒形成导电复合材料以及在导电基底（如玻碳、氧化铟锡）上生长MOF等策略。这些方法增强电荷转移、信号稳定性和重现性。

混合传感策略

混合传感平台通过集成互补转导机制克服单模式生物传感器的局限性，提供增强的灵敏度、更宽的动态范围和复杂基质中改进的可靠性。MOF作为此类系统的理想支架，因其模块化架构能够同时掺入氧化还原活性金属中心和光学信号部分。这种传感机制促进双或多模式检测（如电化学-光学），利用每种技术的优势：电化学方法提供高灵敏度和微型化潜力，而光学方法（比色/荧光）实现快速、无仪器读数。模式间的交叉验证减轻基质干扰，提高准确性和鲁棒性。

MOF基传感器材料

MOF基生物传感器通过将MOF与各种功能材料集成以优化传感性能而构建。本综述根据其组成成分对MOF基生物传感器进行分类：原始MOF、MOF-碳复合材料、MOF-金属纳米颗粒复合材料、MOF-金属氧化物复合材料、MOF-导电聚合物复合材料和MOF-酶复合材料。

原始MOF

原始MOF由未修饰的金属节点（如Cu²⁺、Zn²⁺、Al³⁺、Fe³⁺、Cr³⁺或镧系元素）与有机配体配位组成，表现出 exceptional 孔隙率和表面积（>1000 m2/g），促进选择性抗氧化剂相互作用（多酚、类黄酮、维生素）。它们的结构精度和可调孔化学提供特异性分子识别，使其成为成本效益传感应用的理想候选。它们缺乏额外功能化降低了成本和干扰，提供更清洁的检测。

MOF-碳复合材料

MOF/碳复合材料代表了一类变革性传感材料，将MOF的选择性吸附能力与碳基质的优异导电性相结合，实现快速、敏感的抗氧化剂检测。这些混合体利用多种碳形式——包括CD、碳纳米管（CNT）、石墨烯、石墨和XC-72碳——来增强电导率、机械稳定性和电子转移动力学。

CD因其独特优势而成为有前景的组件：卓越的生物相容性、可调荧光和与环境可持续性 compared to conventional QDs。虽然它们的固有量子产率需要通过杂原子掺杂或表面修饰来改进，但CD在集成时显著提升MOF性能，实现双模式传感平台。

CNT因其 exceptional 导电性、大表面积、高强度和可调表面化学而在电分析中不可或缺。它们的独特物理化学性质使其能够广泛应用于各种电化学系统，包括生物传感器、流动注射分析和电化学辅助催化过程。当与MOF集成时，这些混合体结合增强的电子转移与分子选择性，创建 superior 电化学传感器。

石墨烯是一种由单层碳原子以蜂窝晶格排列组成的二维材料，具有独特的物理和化学性质。将石墨烯与MOF集成显著增强电化学传感能力。这是由于石墨烯的 exceptional 导电性和大表面积与MOF的选择性吸附特性的协同作用。这种协同作用促进快速电子转移并增加活性位点， thereby 提高抗氧化剂检测的灵敏度和特异性。

MOF-金属纳米颗粒复合材料

MOF以其高孔隙率，作为纳米颗粒的理想宿主，特别是贵金属如金（Au）、银（Ag）、钯（Pd）和铂（Pt），增强电化学和光学生物传感器性能。这些纳米颗粒通过电催化活性、高表面积、优异导电性和强吸附能力改善传感器功能。它们的表面等离子体共振（SPR）效应进一步增强光学灵敏度和光吸收，实现快速和敏感的生物传感。在MOF基质内，纳米颗粒实现均匀分散，同时受益于框架的高表面积、可调孔隙率和功能基团。

AuNP因其大表面积、优异电导率、易合成、低成本、高稳定性和 exceptional 生物相容性而特别值得注意。它们的多功能表面化学易于功能化，将其定位为各种生物医学应用的理想选择，包括分子识别、疾病诊断和临床治疗。AuNP还表现出固有酶模拟（纳米酶）活性，促进电子转移并实现与生物分子的相互作用，这使它们成为先进生物传感和催化应用的优秀候选。

AgNP因其高表面积、优异导电性、电催化活性和强吸附能力而广泛用于电化学和光学生物传感器。当与MOF集成时，AgNP增强电导率和传感器稳定性，并防止纳米颗粒在合成和使用过程中聚集。然而，AgNP在高浓度下可能因生理条件下聚集而具有毒性。将AgNP嵌入MOF中稳定纳米颗粒，提高各种应用的兼容性。

PtNP表现出 exceptional 催化活性，使其成为电化学生物传感器的理想选择。以其高电导率和电催化特性而闻名，铂增强生物传感器电化学响应。将PtNP集成到MOF中提高灵敏度和检测限，特别是对于氧化应激标志物如AA、GSH和多酚。铂纳米颗粒催化氧化反应，改善电化学性能，而MOF提供抗氧化剂的吸附位点，加速信号转导。

MOF-金属氧化物复合材料

金属氧化物如氧化铁（Fe₃O₄）、氧化锌（ZnO）、二氧化钛（TiO₂）和氧化铜（CuO）因其 exceptional 物理化学性质而广泛用于生物传感。它们的纳米结构形式提供扩大的表面积，显著增强分析物吸附和传感器灵敏度。这种高表面体积比提供丰富的反应位点，促进高效电子转移和降低检测限。此外，金属氧化物表现出优异的化学和热稳定性，使其能够在 demanding 环境条件下应用。与贵金属相比，它们的耐久性和成本效益使其成为大规模传感器制造的理想候选。它们的电特性，包括宽带隙，可以通过掺杂或复合材料形成精细调整以优化特定分析物的传感器性能。

最近进展强调将金属氧化物与MOF集成的协同潜力。这种战略组合利用MOF的高表面积、可调孔隙率和选择性吸附能力以及金属氧化物的催化、电化学和光学特性。结果是灵敏度、选择性、响应时间和稳定性的深刻增强，对于实时抗氧化剂检测至关重要。

MOF-导电聚合物复合材料

MOF的不良电导率通过将其与导电聚合物如聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy）、聚（3,4-亚乙二氧基噻吩）（PEDOT）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和聚黄嘌呤酸（p(XA)）集成而有效克服。这些复合材料利用MOF的高表面积和活性位点与聚合物的优异导电性和信号放大，协同增强电荷传输、保留表面积和改进分子识别。这种效应导致生物传感器对抗氧化剂的灵敏度和选择性显著增强，促进高效固定化、促进电子转移和实现更低检测限与更快响应时间。MOF的可调性质与导电聚合物的共轭π电子结构相结合使这些复合材料对于先进电化学传感至关重要。

MOF-酶复合材料

将MOF与酶集成是开发先进抗氧化剂生物传感器的强大策略，对于检测如AA和GSH等抗氧化剂至关重要，这些抗氧化剂保护 against oxidative damage。虽然天然酶经常因稳定性差和可重用性差而挣扎，但它们在MOF内的固定化显著增强耐久性、可回收性和操作寿命。常见MOF类型如ZIFs、UiO和MIL框架广泛用于固定化酶如脂肪酶、过氧化氢酶、漆酶和葡萄糖氧化酶。制造方法如物理吸附、共价键合、共沉淀和孔封装优化酶活性和稳定性。MOF还改善酶热稳定性，允许在苛刻条件下功能。此外，仿生方法，其中MOF自组装 around enzymes，进一步增强稳定性和催化效率。

抗氧化剂检测的MOF基生物传感器的最新进展

MOF基生物传感器已显著进步，特别是在抗氧化剂检测方面，成为健康、医学、食品、农业和环境监测中必不可少的工具。这些生物传感器增强我们监测氧化应激和抗氧化剂水平的能力，改进与健康状况、食品腐败和环境污染相关的氧化损伤检测。

健康与医学：抗氧化剂的实时监测用于疾病检测和监测

MOF基生物传感器在健康和医学中对于监测抗氧化剂水平和管理氧化应激至关重要，氧化应激与癌症、糖尿病、神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病）和心血管疾病等疾病相关。这些传感器实现早期疾病检测、实时监测和个性化治疗，证明在多种生物样品如尿液、汗液、唾液、血浆和血清中有效。

食品与农业：质量控制和营养评估

在食品和农业中，多酚和类黄酮等抗氧化剂对于确定食品质量、稳定性和保质期至关重要。MOF基生物传感器越来越多地用于质量控制和营养评估，确保食品安全和健康益处。

环境监测：评估自然中的氧化应激和抗氧化剂

检测环境样品如水、土壤和空气中的抗氧化剂的能力对于监测生态系统健康和污染至关重要。咖啡酸（CA）常见于废水中的浓度为40–70 mg/L，超过允许排放限值0.5 mg/L，并对植物、微生物、水生生物和人类健康构成毒性风险。 terbium-based MOFs 已开发用于CA检测，提供从50 nM到500 μM的线性范围和18.9 nM的 exceptional 检测限。这些MOF还 demonstrate 水中CA的高效降解，实现95%的效率。

MOF基生物传感器用于抗氧化剂检测的挑战

MOF基生物传感器显示出巨大的抗氧化剂检测潜力，有望彻底改变医疗保健、食品安全和环境监测。然而，必须克服几个障碍才能释放其全部潜力。一个关键挑战在于控制MOF形态，因为它们的形状和大小直接决定检测性能。实现具有扩展传感界面和 superior 电子转移效率的纳米尺寸MOF对于增强检测信号和改进抗氧化剂传感至关重要，要求细致的设计和优化的制备。至关重要的是，确保识别元件准确和可重复地固定到MOF相互作用位点对于一致的生物传感器性能至关重要。开发强大的理论模型和有效地将功能化基团集成到MOF中将是对提高检测准确性和长期可重复性的重要策略。

另一个显著障碍是MOF材料固有的稳定性和耐久性。它们的多孔和柔性结构使它们易受环境因素如湿度、温度波动和pH变化的影响，导致结构降解和功能受损，特别是在复杂的生物环境中。扩大规模也 presents 实质性挑战。虽然MOF基生物传感器通常在受控实验室环境中表现出色，但由于批次间变异性和MOF合成的高成本和复杂性，大规模工业生产仍然有问题，显著阻碍更广泛的商业化。选择性和灵敏度是持续关键的，特别是在分析复杂的生物流体或环境基质时，其中干扰分子可能损害准确性。迫切需要更具选择性的传感器设计，可能通过掺入适体、分子印迹聚合物或 specifically 定制的识别元件实现。

此外，MOF合成中使用的试剂的潜在毒性可能导致不良的生物相容性，限制实际应用。因此，制造具有高生物相容性的MOF对于成功的临床检测至关重要。一些MOF中存在有毒金属或有机连接体需要仔细考虑，以确保MOF基生物传感器无毒、可生物降解且安全用于医学诊断和生态应用，这是广泛接受的基础。

另一方面，将MOF传感器集成到先进平台如可穿戴设备或微流体系统中 presents 相当大的技术困难。虽然当前系统主要依赖于电化学和光学检测，但未来应用需要能够实时监测多种分析物的微型化、多功能平台。最后，许多MOF基生物传感器固有的缺乏便携性目前阻碍了它们的现场检测效用。开发便携式设备对于广泛应用是必不可少的，并且将微纳流体技术与智能手机集成相结合以创建便携式、实时检测设备代表了一个重要的未来发展方向。

总结与未来展望

本综述重点介绍了MOF基生物传感器在抗氧化剂检测方面的进展，利用其高表面积、孔隙率和可调特性用于敏感监测化合物如抗坏血酸、谷胱甘肽、多酚和类黄酮。混合MOF复合材料与碳纳米材料和生物分子功能化增强稳定性、导电性和选择性，而集成到可穿戴、微流体和智能手机平台实现实时、现场监测。关键挑战仍然存在于稳定性、可扩展性和集成方面。未来方向强调多功能混合和可穿戴传感器、合理MOF设计以及AI辅助开发响应系统，将MOF基生物传感器定位为改变个性化医疗保健、食品安全和环境可持续性。