综述：基于多孔框架的呼出气体传感器在传感机制方面的进展及其在医疗保健中的应用

《Coordination Chemistry Reviews》：Advances in sensing mechanisms of porous framework-based exhaled gas sensors for healthcare

　　基于多孔框架材料的呼出气体传感器研究：机制、结构与性能关系及临床应用探索。

　　
一、呼气气体分析的临床价值与技术革新
近年来，呼气气体检测技术作为非侵入式临床诊断工具，在疾病筛查和健康管理领域展现出巨大潜力。该技术通过捕捉呼气中特定生物标志物的浓度变化，能够实现糖尿病、哮喘、慢性肾病及肺癌等重大疾病的早期诊断与动态监测。例如，糖尿病患者呼气中丙酮浓度显著升高，而肾病患者呼出氨气（NH?）水平异常，这些特征为便携式呼吸传感设备的设计提供了明确目标。

二、多孔框架材料（PFMs）的传感优势与结构特性
传统金属氧化物传感器在能耗、选择性和环境适应性方面存在局限，而PFMs材料凭借其独特的三维孔道结构、可调控的比表面积和表面官能团，成为下一代呼气传感器的核心载体。以金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）为代表的PFMs材料，能够通过分子筛效应和选择性吸附机制，在常温下实现高灵敏度的气体检测。例如，其孔径可精确调节至分子尺寸范围（通常为0.3-2 nm），仅允许特定气体分子进入内部孔道，从而显著降低交叉干扰。

三、气体传感的分子级作用机制解析
1. **吸附与分子富集**
PFMs材料的表面功能基团（如氨基、羧基）与气体分子（如CO?、H?S、异戊二烯）形成特异性相互作用。在湿度较高的呼气环境中，亲水性官能团可增强极性气体分子的吸附效率，而疏水表面则优先富集非极性气体分子。这种调控能力使传感器能够区分不同疾病对应的生物标志物，例如糖尿病患者的呼气中丙酮浓度可达健康人的100倍以上。

2. **分子识别与选择性响应**
材料的配位环境直接影响气体分子的识别精度。例如，含氮配位位点的MOFs对胺类气体（如NH?）表现出高选择性，而含有硫空位的COFs则能有效检测硫化物气体。这种基于化学键类型（配位键、氢键、范德华力）和电子结构的差异，使得传感器能够精准捕获目标气体分子。

3. **信号转换与放大机制**
气体分子与PFMs材料接触后，引发表面电荷转移、氧化还原反应或光学特性变化。例如，某些MOFs在检测甲醛时，其孔道内的金属节点会发生电子跃迁，导致电阻值下降超过三个数量级。这种信号放大效应使得微克级气体浓度（ppb级）也能被有效检测。

四、材料结构调控与性能优化策略
1. **孔道工程与分子传输控制**
通过调控孔径分布（如通过金属配体交换实现孔径扩大）和孔道连通性，可优化气体分子的扩散路径。实验表明，具有介孔结构的COFs对挥发性有机化合物（VOCs）的吸附容量比微孔材料提高2-3倍，同时响应时间缩短至秒级。

2. **表面功能化与界面工程**
在PFMs表面修饰生物识别分子（如抗体、酶或小分子配体），可构建多重检测体系。例如，在MOFs表面固定靶向乙醛的酶，使其对糖尿病早期筛查的灵敏度提升5倍以上。同时，通过调控表面亲疏水性，可有效消除呼气中水蒸气对检测的干扰。

3. **多尺度协同设计**
新型传感器通常采用“框架-功能层-传导体”的三明治结构。其中，PFMs作为核心层实现分子识别，表面修饰层增强特定气体分子的结合能力，外层导电材料（如石墨烯）将物理信号转化为可测量电信号。这种协同设计使得器件在10秒内即可完成对乙酰胆碱的快速检测，达到医疗级精度。

五、临床应用场景与典型案例
1. **慢性阻塞性肺疾病（COPD）监测**
基于COFs的传感器通过特异性吸附呼气中的二氧化硫（SO?），配合微流控芯片实现每分钟10次的实时监测。临床数据显示，该设备对COPD急性发作的预警准确率达92%，较传统峰流量计提前15分钟发出警报。

2. **肺癌早期筛查**
装载顺磁铁氧体纳米颗粒的MOFs传感器，在呼气中检测到亚硝胺（AAA）浓度异常升高。在南京某三甲医院的应用中，该设备对早期肺腺癌的检出率较CT扫描提前6-8个月，假阳性率控制在3%以下。

3. **动态血糖管理**
整合葡萄糖氧化酶的PFMs传感器，可直接在呼气中检测葡萄糖代谢副产物（如3-羟基丁酸）。该技术使血糖监测摆脱传统采血设备的束缚，为脆性糖尿病患者提供全天候监护方案。

六、技术瓶颈与突破方向
当前PFMs传感器面临三大挑战：
1. **长期稳定性问题**：材料表面官能团在持续使用中会发生化学降解，导致灵敏度下降。
2. **复杂基质干扰**：呼气中水蒸气、二氧化碳等成分可能影响目标气体检测的线性范围。
3. **规模化制备困难**：多孔材料的精准合成成本高昂，难以实现量产。

研究团队提出创新解决方案：
- 开发基于动态共价键的MOFs材料，其表面官能团可循环修复，循环测试达5000次后仍保持85%初始性能。
- 设计双模式传感器（电化学-光学），通过交叉验证将水蒸气干扰降低至1%以下。
- 采用模板法与机器学习辅助设计，成功制备出孔隙率>75%、比表面积>5000 m2/g的COFs材料，成本降低40%。

七、未来发展趋势
1. **多模态传感集成**
新一代设备将融合电化学、荧光和机械变形等多种检测模式，通过交叉验证提升诊断可靠性。例如，同步检测CO?和NH?浓度，可区分肺纤维化与肾衰竭患者。

2. **器官芯片级微型化**
采用微流控技术将PFMs传感器集成于直径3 mm的芯片上，功耗降低至0.1 mW，响应时间缩短至0.5秒。已成功开发出可佩戴在指环上的原型设备。

3. **人工智能驱动优化**
基于材料基因组学建立数据库，通过机器学习预测最优孔径（0.8-1.2 nm）和官能团组合。实验证明，该策略可使传感器对丙酮的选择性提升至98.7%。

4. **多功能一体化平台**
开发集成气体检测、体温监测和血氧传感的多功能设备，为老年慢性病患者提供全天候健康监护解决方案。

该综述首次系统建立了"结构特性-分子作用机制-性能表现"的三维关系模型，为精准设计下一代呼气传感器提供了理论框架。研究证实，通过优化MOFs中Zr???/Zr???比例，可使甲醛检测灵敏度从0.1 ppm提升至0.01 ppm，同时将交叉敏感度降低三个数量级。这些突破标志着基于多孔框架的呼气传感技术正从实验室走向临床实用化，预计在2025-2030年间实现商业化产品突破。