综述：基于卟啉的MOFs与COFs用于抗病毒的传感与防护技术

《RSC Applied Interfaces》：Sensor and protection technologies against viruses using porphyrin-based MOFs and COFs

　　

自2020年COVID-19大流行开始以来，人们对病毒的检测、控制与根除以及相关技术开发的关注显著增加。具有颜色特征、强发光特性以及光化学和电化学活性的卟啉基金属-有机框架（MOFs）与共价有机框架（COFs）在过去十年中也得到了广泛探索。本文综述了近十年来、尤其是最近时期在高效病毒检测、防护与清除方面的重要研究进展。相关传感器设计利用卟啉基MOFs和COFs作为界面材料，高选择性检测与目标病毒相关的生物物质，例如以RNA捕获作为刺激信号，并实现极高灵敏度，从而有助于相关疾病的早期诊断。所涉及的传感技术包括化学发光、电化学发光（ECL）、光电化学生物分析以及光动力效应。病毒失活主要基于光动力治疗（PDT）策略，其中单线态氧（¹O₂）由卟啉发色团光敏化产生；由于活性氧（ROS）寿命极短，在水中的寿命仅为3.1 μs，因此该发色团必须不可避免地位于病毒近邻位置。文中还对该类ROS的特性及其内在机制进行了相关阐述。最后，综述还讨论了自防护技术的发展，主要涉及利用卟啉基多孔材料对口罩进行改性以实现吸附功能。

Introduction

文章首先指出，登革热病毒、埃博拉病毒、流感病毒、肝炎病毒、狂犬病病毒、水痘病毒、寨卡病毒、人类免疫缺陷病毒（HIV）、脊髓灰质炎病毒以及冠状病毒等，持续构成重大公共卫生威胁。在此背景下，纳米材料，尤其是金属-有机框架（MOFs）与共价有机框架（COFs），被广泛评估用于病毒感知、阻止病毒进入人体、隔离病毒以及通过直接接触或光敏化产生活性氧（ROS），特别是单线态氧（¹O₂）实现病毒灭活。文章进一步概括了MOF抗病毒技术的六类基本路径，即封装、物理屏障、矿化、药物递送、抗病毒MOF设计以及通过光敏化将O₂转化为¹O₂实现消杀。作者特别强调，卟啉基金属-有机框架中，PCN-222、PCN-224最常用，PCN-223次之；同时，现有细胞毒性结果表明PCN-222与PCN-224具有较好的生物相容性。基于此，综述聚焦于三条主线：病毒检测、接触预防以及通过抗微生物光动力治疗（aPDT）实现清除。

Section 1. Evolution of various stand-alone porphyrin-based antiviral technologies

The early days

本部分回顾了独立卟啉类抗病毒技术的起源与早期发展。文章指出，卟啉作为病原体光敏剂的概念最早可追溯至1934年。随后，研究逐渐采用日光照射含病毒与卟啉的体系，但不同病毒的响应效率存在差异。此后，植物病毒体外控制、以及医学中对Moloney鼠白血病病毒、单纯疱疹病毒1型和2型、甲型流感病毒、噬菌体T4和痘苗病毒等的光动力灭活研究陆续出现。20世纪80年代初，由HIV-1引发的AIDS大流行显著推动了卟啉抗病毒研究，包括其光动力失活能力评估以及IC₅₀测定。作者认为，这一历史阶段确立了卟啉光动力抗病毒的基本框架，而近期SARS-CoV-2的光灭活研究则显示该策略仍具有现实延展性。

Nowadays

作者指出，当前关于卟啉及其衍生物病毒光灭活的研究数量显著增加，目标病毒范围也明显扩大。相较之下，独立卟啉衍生物在病毒检测方面的研究仍相对有限。这一判断为后续卟啉基MOFs/COFs在传感领域的综述奠定了逻辑基础。

Section 2. Development of sensors

本部分系统梳理了卟啉基MOFs和COFs在病毒相关传感中的新近应用。作者认为，这类多孔材料兼具强荧光、良好氧化还原活性、可修饰性以及多孔平台效应，适用于构建高灵敏生物传感界面。病毒检测总体上主要依赖RNA或DNA识别所引发的分析信号变化，相关输出信号包括发光、电流和指示反应变化。

2.1 Sensors based on electrochemiluminescence responses

该小节介绍了基于电化学发光（ECL）的病毒传感。针对猪流行性腹泻病毒（PEDV），研究者构建了以PCN-224和TiO₂纳米粒子为核心的ECL器件。PCN-224兼具发光性与光电活性，并通过抗体偶联实现对PEDV的特异识别；TiO₂则用于形成稳定界面。病毒被抗体捕获后，通过电子转移导致ECL猝灭，从而实现定量检测。该体系表现出较宽的线性范围、0.4 pg mL^?1的检出限以及较好的稳定性。文章认为，这是卟啉基MOF用于病毒ECL检测的重要示范。

随后，作者总结了针对人乳头瘤病毒16型（HPV-16）的另一ECL策略。该体系采用PCN-224/ZnO纳米复合材料构建电极界面，并结合发夹DNA、金纳米粒子以及EXO III循环切割放大机制，实现了极高灵敏度检测。ZnO促进K₂S₂O₈还原，PCN-224提供ECL响应核心，目标DNA结合后诱导猝灭信号。该方法的检出限达到0.13 fM，显示出卟啉基MOF在核酸放大型病毒生物传感中的突出潜力。

2.2 Sensors based on optical response chemiluminescence

该部分讨论了基于化学发光的病毒相关检测，代表体系是Epstein–Barr病毒（EBV）相关抗体检测。研究中，研究人员构建了以TCPP(FeCl)与Zr(^iv)组成的卟啉基MOF（MOF-FeP），并进一步与抗人IgA抗体偶联，用于试纸条中EBV-IgA的识别。样品中若存在EBV相关IgA，则其与复合物结合后沿层析条迁移并在检测线富集。对于高浓度样品，可直接进行比色判断；对于低丰度样品，则通过注入鲁米诺（luminol）触发化学发光。文中指出，MOF中的铁卟啉中心表现出类过氧化物酶活性，可催化H₂O₂分解并促进鲁米诺发光，从而显著提高早筛灵敏度。作者强调，这一工作体现了卟啉基MOF不仅可作为识别平台，也可作为催化信号放大核心。

2.3 Sensors based on the photodynamic effect

本节介绍了基于光动力效应的SARS-CoV-2 RNA检测方法。该策略利用PCN-224高效光敏化单线态氧（¹O₂）的能力，并结合双探针识别与磁分离实现目标RNA检测。具体而言，PCN-224经DNA1修饰，Fe₃O₄@SiO₂-NH₂纳米粒子经DNA2修饰，两者通过与目标RNA互补配对形成复合体，并由磁体分离富集。之后通过1,3-二苯基异苯并呋喃（DPBF）的光氧化反应监测¹O₂生成效率，借此实现对RNA浓度的间接定量。作者指出，该方法检测时间不足30 min，检出限达到4.94 fM，说明卟啉基MOF可将光动力过程转化为高灵敏分析读出。

2.4 Sensors based on photoelectrochemical bioassays

文章还总结了用于HIV DNA早期检测的光电化学生物分析策略。该体系采用卟啉基COF复合光阴极，由乙烯基功能化COF（COF-V）、meso-四(4-羧基苯基)卟啉（H₂TCPP）和聚多巴胺（PDA）构成。随后，界面通过LZP-hDNA进行生物修饰，并引入AgInS₂（AIS）纳米点作为猝灭标签。目标DNA在λ-外切酶（λ-Exo）辅助下触发发夹结构开启，使AIS-sDNA被捕获至电极界面，最终通过电子转移显著降低光电流。该传感器在线性范围、检出限和抗干扰性方面均表现优异，检出限低至0.04 fM。作者据此认为，卟啉基COFs在高性能光电化学核酸诊断中具有重要前景。

Section 3. Antiviral property and photodynamic therapy

本部分聚焦卟啉基MOFs/COFs的抗病毒性能及其光动力治疗（PDT）机制。作者指出，aPDT是当前病毒控制与失活中最有效的方式之一，其核心在于材料原位光敏化产生单线态氧（¹O₂），并在病毒表面或近邻发生氧化损伤。由于卟啉具有优异的可见光吸收、系间窜越（ISC）能力和三重态寿命，这类材料尤其适合用于ROS驱动的病毒灭活。

3.1 Production and properties of singlet oxygen

本小节对¹O₂的形成与性质进行了较系统的理论概述。作者说明，氧分子基态为三重态3Σ_g^?，而¹Δ_g与¹Σ_g⁺为激发态；由于自旋禁阻，直接激发效率很低，因此通常借助染料激发态与O₂碰撞实现能量转移。三重激发态染料较单重态具有更长寿命，更有利于¹O₂生成。文章强调，水环境一方面是病毒体系的主要介质，另一方面又强烈猝灭¹O₂，导致其在水中寿命仅约3.1 μs，这决定了光动力灭活必须发生在靠近病毒的界面区域。作者还讨论了F?rster与Dexter两类能量转移机制、光谱重叠、位阻效应以及MOF金属节点的重原子效应对光敏化效率的影响。

3.2 Detection of singlet oxygen

作者进一步综述了¹O₂的检测方法，包括直接法与间接法。直接检测包括电子顺磁共振（EPR）和近红外磷光发射检测，后者通常在约1270–1280 nm出现特征信号。间接检测主要依赖特定有机探针的氧化反应，如蒽衍生物和DPBF的消耗过程，并可结合叠氮化钠（NaN₃）等清除剂进行验证。该部分的总结为后文抗病毒实验中的作用机理判断提供了方法学基础。

3.3 Mechanism of action of singlet oxygen

本节围绕¹O₂如何在实际体系中实现高效氧化展开。作者指出，尽管¹O₂在水中的寿命较短，但MOFs和COFs可通过表面吸附与孔道富集作用，将有机底物或病原体定位至光敏位点附近，从而显著提升反应概率。文中援引了抗生素降解和真菌灭活的例证，说明被吸附或黏附在材料表面的目标更容易遭受氧化。对于病毒体系，作者据此推断，病毒在MOF/COF表面或孔口附近的吸附，是后续光动力失活实现高效率的关键前提。

3.4 Applications of porphyrin-based MOFs and COFs

在具体应用方面，文章总结了PCN-222、PCN-223、PCN-224以及Al-TCPP对HCoV-229E、SARS-CoV-2、MERS-CoV和丙型肝炎病毒（HCV）的抗病毒表现。体外结果显示，Al-TCPP与PCN-222在短时光照下即可实现对多种冠状病毒的高效灭活。通过NaN₃清除实验，研究证实¹O₂是关键活性物种，其作用靶点与病毒包膜磷脂氧化有关。作者指出，Al-TCPP整体表现最佳。

此外，文章还介绍了不完全依赖¹O₂的接触型抗病毒体系。以Cu-TCPP及其Mn₃O₄复合材料为例，研究显示其可通过吸附并破坏甲型流感病毒包膜、结合血凝素蛋白、阻断病毒进入健康细胞，从而实现体内外抗病毒作用。虽然其精确灭活机制尚未完全阐明，但界面结合与入侵阻断作用已得到实验支持。

Section 4. Nanodelivery

本节转向药物递送。作者指出，当ROS介导失活或界面阻断难以实现时，MOFs的孔道封装特性可用于抗病毒药物递送。文中总结了PCN-224作为抗HIV药物载体的研究。该材料在多种人源细胞系中表现出较低细胞毒性、较弱溶血性且不诱导显著血小板聚集。对于不同抗逆转录病毒药物组合，PCN-224表现出较高封装效率，并遵循一级动力学释放。作者同时指出，由于PCN-224颗粒尺度较大，该研究尚未开展相应体内验证，而纳米尺度ZIF-8则显示出较高的细胞摄取能力。总体而言，本节表明卟啉基MOFs除传感和光动力功能外，还可兼具药物载体属性。

Section 5. Photo-sanitary fabrics

该部分讨论了面向公共卫生防护的光卫生织物。文章重点介绍了一种Ag@DhaTph-COOH卟啉基COF复合材料及其口罩涂层应用。该COF先通过一锅法合成，再负载Ag纳米粒子，随后与聚氨酯低聚物共价结合并均匀喷涂于无纺聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维表面。材料表征显示，Ag纳米粒子尺寸较小且分布于COF层间，复合物兼具孔隙结构与较高亲水性，而与聚氨酯结合后，最终口罩表面转而表现出更适宜防液滴吸附的疏水性。

功能上，该复合材料在可见光或日光下可快速光氧化DPBF，并通过TEMP自旋捕获EPR证实产生¹O₂；同时还伴随明显光热升温效应。因此，其抗病毒机制可能综合了Ag诱导化学治疗、光热治疗（PTT）与光动力治疗（PDT）。实验表明，该材料对水疱性口炎病毒（VSV）和甲型流感病毒A/H1N1均具有显著灭活作用，在日光条件下可接近完全失活；口罩对含A/H1N1气溶胶的防护效率可达99%，并在多次循环使用后仍保持较高活性。作者据此认为，卟啉基COF复合织物为可再生自消毒防护装备提供了可行路径。

Conclusion

结论部分指出，卟啉基MOFs与COFs因其半导体性质、可修饰性以及高效光敏化¹O₂的能力，在病毒管理中展现出独特潜力。现有研究主要集中于传感、光动力灭活、防护织物及药物递送，但整体仍处于发展初期。作者认为，病毒检测方面已取得较成熟进展，尤其是围绕RNA识别驱动的ECL、化学发光、光电化学和光动力读出体系；而抗病毒光动力疗法则本质上属于纳米界面过程，受限于光照条件与¹O₂在水中的短寿命。对于深部或遮蔽环境，药物递送可作为替代路线。文章还指出，在MOF广义病毒管理框架中的“封装”和“矿化”两类机制，在卟啉基MOFs/COFs中尚未形成有效发展，原因主要在于孔径限制及材料合成条件较苛刻。总体而言，病毒体系相比污染物降解、细菌灭活等应用具有更高的生物复杂性，这正是卟啉基多孔材料抗病毒技术起步较晚的重要原因。