类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究由Nada Elmerhi（共同第一作者）、Sara Awni Alkhatib（共同第一作者）、Sushil Kumar、José Ignacio Martínez、Nabila Yasmeen、Najat Maher Aldaqqa、Blaž Belec、Anna-Maria Pappa（通讯作者）及Dinesh Shetty（通讯作者）合作完成。研究团队主要来自阿联酋哈利法科学技术大学（Khalifa University of Science and Technology）的生物医学工程与生物技术系、化学系及催化与分离中心（CeCaS），部分成员来自西班牙马德里材料科学研究所（ICMM-CSIC）和斯洛文尼亚新戈里察大学材料研究实验室。研究成果发表于《Journal of the American Chemical Society》（JACS），发表日期为2025年9月30日（修订版），论文标题为《Tuning Core Flexibility and Curvature in Azine-Linked Covalent Organic Frameworks for Attomolar-Level Impedimetric Sensing of Glucose》。

学术背景
本研究属于电化学生物传感与共价有机框架（Covalent Organic Frameworks, COFs）材料交叉领域。葡萄糖作为代谢健康的关键生物标志物，其监测技术长期依赖酶基传感器，但存在酶稳定性差、成本高、易受干扰等问题。非酶电化学传感器虽能规避酶缺陷，但其灵敏度受限于分子识别能力弱和电荷传输效率低。本研究旨在通过调控嗪键联COFs（Azine-Linked COFs）的核心柔性与曲率，设计一种高灵敏度、高选择性的阻抗型葡萄糖传感器，实现阿摩尔级（attomolar, 10⁻¹⁸ M）检测。

研究流程与实验方法
1. COFs设计与合成
- 材料设计：通过将C3对称醛基前驱体（TTA或TFPA）的中央三嗪环替换为氮原子，合成了两种COFs（TTAHz与TFPAHz），以调控框架的电子特性与平面性。
- 合成方法：采用机械化学席夫碱缩合反应，以对甲苯磺酸（PTSA）为催化剂，90℃热处理24小时，得到结晶性COFs。
- 表征技术：通过粉末X射线衍射（PXRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、固态¹³C核磁共振（CP/MAS NMR）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描/透射电镜（SEM/TEM）及气体吸附分析（BET）验证结构。

1. 电极制备与电化学测试

   • 电极修饰：将COFs分散液通过旋涂法均匀沉积于丝网印刷碳电极（SPCEs）表面，优化涂层参数以确保稳定性。
     
   • 阻抗传感：采用电化学阻抗谱（EIS）在铁氰化钾电解液中检测葡萄糖，通过双电层电容（Cdl）变化量化响应信号。
     
   • 对照实验：测试抗坏血酸（AA）、尿酸（UA）等干扰物的选择性，并通过循环伏安法（CV）验证非法拉第传感机制。
     

2. 理论计算

   • 密度泛函理论（DFT）：模拟COFs的电子结构、葡萄糖吸附构型及扩散能垒，揭示吸附诱导的偶极矩变化与阻抗响应的关联。
     
   • 分子动力学：通过CI-NEB方法计算葡萄糖在COFs表面的迁移路径与能量势垒。
     

3. 生物相容性与应用测试

   • 细胞毒性：用成纤维细胞评估COFs的生物相容性。
     
   • 实际样本检测：在胎牛血清（FBS）和人工汗液中验证传感器性能。
     

主要结果
1. 结构特性
- TFPAHz因氮原子取代呈现非平面结构（二面角23.55°–26.42°），比TTAHz（平面180°）具有更高柔性和暴露活性位点。
- TFPAHz的比表面积（279.5 m²/g）低于TTAHz（1987.3 m²/g），但带隙更窄（2.32 eV vs. 2.74 eV），利于电荷传输。

1. 传感性能

   • 灵敏度：TFPAHz电极在1 aM–5 mM范围内呈线性响应，检测限（LOD）达0.878 aM，优于TTAHz（4.87 nM）。
     
   • 选择性：对蔗糖、半乳糖等干扰物的选择性指数为9.28%–33.37%，在FBS中仍保持稳定信号（偏差%）。
     
   • 机制：葡萄糖通过OH-嗪键的偶极相互作用吸附，引起表面偶极矩增加（2.94 D/单元），改变双电层电容。
     

2. 理论验证

   • DFT显示葡萄糖在TFPAHz上的吸附能（-15.40 kcal/mol）显著高于TTAHz（-8.3 kcal/mol），且诱导的偶极矩变化更显著。
     
   • 态密度（DOS）分析表明吸附后TFPAHz的带隙减小0.25 eV，证实界面电荷重排。
     

结论与价值
1. 科学意义：首次通过核心柔性调控COFs的葡萄糖识别能力，提出“结构-电子协同优化”设计策略，为无酶传感器提供新范式。
2. 应用价值：阿摩尔级检测可捕捉痕量葡萄糖波动，适用于早期疾病监测；生物相容性与稳定性支持可穿戴/植入式设备集成。

研究亮点
1. 超灵敏检测：突破现有传感器极限（LOD降低6个数量级）。
2. 非法拉第机制：通过界面电容变化实现信号转导，避免氧化副产物干扰。
3. 多学科融合：结合COFs合成、阻抗谱学与理论计算，系统性阐释传感机制。

其他价值
- 提出的“动态结合口袋”概念可拓展至其他生物标志物检测。
- 机械化学合成法为COFs的规模化制备提供参考。