這篇綜述題為《金屬有機(jī)框架的新興應(yīng)用以及人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)在MOF設(shè)計(jì)與開發(fā)中日益增長(zhǎng)的影響》，發(fā)表于2026年的《配位化學(xué)評(píng)論》。文章系統(tǒng)梳理了MOF的分類、合成策略、生物醫(yī)學(xué)/能源/食品科學(xué)等多領(lǐng)域應(yīng)用，并重點(diǎn)探討了人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)在MOF結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)和性能優(yōu)化中的變革性作用。

背景介紹

金屬有機(jī)框架（MOFs）是由金屬節(jié)點(diǎn)與有機(jī)配體通過配位鍵自組裝形成的一類晶態(tài)多孔材料。其高比表面積、可調(diào)控的孔徑和豐富的功能化位點(diǎn)使其在氣體儲(chǔ)存、催化、藥物遞送和傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，傳統(tǒng)合成方法常依賴有毒溶劑和高溫高壓條件，限制了其工業(yè)化應(yīng)用。同時(shí)，MOF的結(jié)構(gòu)多樣性也帶來了設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)——如何從海量可能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中篩選出具有目標(biāo)性能的材料？近年來，綠色合成策略（如水相合成、超臨界流體法和生物質(zhì)輔助合成）以及人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的引入，為MOF的高效設(shè)計(jì)與規(guī)?；a(chǎn)開辟了新路徑。本文正是在這一背景下，對(duì)MOF從基礎(chǔ)研究到實(shí)際應(yīng)用的最新進(jìn)展進(jìn)行了全面評(píng)述。

圖文解析

圖1展示了MOF的分類體系，采用圓形輪盤形式呈現(xiàn)。輪盤中心標(biāo)注"Classification of MOFs"，外圍分為八個(gè)扇形區(qū)域，分別代表：零維（Zero Dimensional，紅色，顯示孤立金屬簇結(jié)構(gòu)）、一維（One Dimensional，綠色，鏈狀結(jié)構(gòu)）、二維（Two Dimensional，橙色，層狀結(jié)構(gòu)）、三維（Three Dimensional，紫色，擴(kuò)展多孔框架）、拓?fù)湫停═opological，藍(lán)色，如MIL-53、UiO-66等）、混合型（Hybrid，灰色，如MOF與納米顆?；蚓酆衔飶?fù)合）、籠狀（Cage Shaped，深灰色，如ZIFs和MOPs）以及功能基團(tuán)型（Functional group-based，黃色，按羧酸酯、咪唑、膦酸酯等分類）。該圖直觀呈現(xiàn)了MOF結(jié)構(gòu)的多樣性和多維分類標(biāo)準(zhǔn)。

圖2展示了四種綠色合成策略。圖2a為水相合成：銅鹽與BTC（均苯三甲酸）在水基溶劑中25°C攪拌6小時(shí)，經(jīng)離心洗滌得到Green-Cu BTC，SEM顯示其形貌，強(qiáng)調(diào)"Eco-friendly"特性。圖2b為可規(guī)?；铣桑篗OF-808在室溫下合成，XRD證實(shí)其結(jié)構(gòu)，并展示了從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)生產(chǎn)的放大潛力。圖2c為生物分子包封：牛血清白蛋白（BSA）與阿霉素（DOX）形成納米顆粒后，通過ZIF涂層包封，得到BSA/DOX@ZIF納米顆粒。圖2d為缺陷工程調(diào)控：通過Fe(NO?)?調(diào)節(jié)合成MOF-808，引入缺陷位點(diǎn)（0.5F-MOF-808），從而增大孔徑。

圖3展示了環(huán)糊精MOF（γ-CD-MOF）的合成與應(yīng)用。圖3a為合成路線：γ-環(huán)糊精與鉀離子通過蒸汽擴(kuò)散法形成CD-MOF，經(jīng)CTAB處理后浸泡于香料（FG）中，得到載香CD-MOF。圖3b和3c分別為γ-CD-MOF的分子結(jié)構(gòu)（棍狀模型顯示K?離子，空間填充模型展示孔道）和孔結(jié)構(gòu)（孔A 1.7 nm、孔B 1.0 nm、孔C 0.42 nm）。圖3d為SEM圖像，對(duì)比了γ-CD-MOF和載香后γ-CD-MOF/FG的形貌（比例尺1 μm）。圖3e為動(dòng)態(tài)光散射（DLS）結(jié)果，顯示載香前后粒徑分布變化。圖3f和3g為細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)（MTT法），分別展示了對(duì)HeLa細(xì)胞和MDA-MB-231細(xì)胞的毒性評(píng)估，數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)差（n=5）。

圖4展示了MOF的三大應(yīng)用領(lǐng)域。中央圓環(huán)標(biāo)注"Applications of MOFs"，向下分為三個(gè)分支：生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用（Biomedical Application，左下，展示藥物遞送、成像、生物傳感等）、能源領(lǐng)域應(yīng)用（Applications in Energy Sector，中下，展示電池、催化、水分解等）以及生物技術(shù)與食品科學(xué)應(yīng)用（Applications in Biotechnology and Food Sciences，右下，展示食品包裝、生物催化、果蔬保鮮等）。該圖概括了本文討論的核心應(yīng)用方向。

圖5展示了MOF在癌癥診療中的多模態(tài)應(yīng)用。圖5a為合成路線：Zr??與BDC（對(duì)苯二甲酸）溶劑熱合成MOFs，負(fù)載Pt納米顆粒得到Pt-MOFs，再經(jīng)還原、HSA-Gd修飾、ICG負(fù)載，最終得到ICG-PtMGs@HGd，用于多模態(tài)成像（FL、CT、MSOT、MRI）和癌癥治療（PTT協(xié)同Oxy-PDT）。圖5b為CT成像：腫瘤小鼠注射材料后2、6、12、24、72小時(shí)的CT圖像及CT值（HU）隨時(shí)間變化柱狀圖。圖5c為熒光成像：4T1腫瘤模型小鼠在12、24、48小時(shí)的ICG和DIMP熒光圖像，腫瘤位點(diǎn)用紅圈標(biāo)出。圖5d為Gd-MOF的合成與診療：Gd-PDA經(jīng)水熱法合成，通過LBL方法包覆GPC，實(shí)現(xiàn)雙模態(tài)診斷（MRI和PAI）和協(xié)同治療（PTT和PDT）。圖5e為MR成像：4T1腫瘤模型小鼠冠狀面MR圖像，顯示腫瘤、肝臟和腎臟部位的信號(hào)變化。

圖6展示了MOF在生物傳感和外泌體檢測(cè)中的應(yīng)用。圖6a為外泌體富集機(jī)制：工程化紅細(xì)胞（RBCs）通過CD63適配體生物親和性捕獲血漿中的外泌體。圖6b為外泌體miRNA檢測(cè)：基于超分子樹枝狀納米結(jié)構(gòu)和Zr-MOF的等離子體生物傳感器，通過雜交、自組裝和MOF信號(hào)放大實(shí)現(xiàn)miRNA檢測(cè)。圖6c為比色和電化學(xué)傳感：基于MOF-818的智能手機(jī)平臺(tái)，用于活細(xì)胞H?O?檢測(cè)，展示比色檢測(cè)（TMB顯色）和電化學(xué)檢測(cè)原理。

圖7展示了MOF在靶向藥物遞送中的應(yīng)用。圖7a為仿生靶向遞送：中空卟啉ZIF-8復(fù)合材料負(fù)載DOX和ICG，包覆細(xì)胞膜（cytomembrane）實(shí)現(xiàn)同源靶向和免疫逃逸，進(jìn)入癌細(xì)胞后通過pH響應(yīng)釋放藥物，實(shí)現(xiàn)PDT、PTT和化療協(xié)同治療。圖7b為跨血腦屏障遞送：TMZ@UiO-66-NH?注射后，在超聲作用下穿越血腦屏障，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)膠質(zhì)瘤模型小鼠的精準(zhǔn)給藥。

圖8展示了MOF在電化學(xué)傳感和miRNA檢測(cè)中的應(yīng)用。圖8a為MNP/Zn-MOF修飾電極的制備及活細(xì)胞藥物刺激后H?O?傳感：Zn(NO?)?與TCPP或2-MeIM反應(yīng)合成MOFs，通過電沉積將MNP（如AuNP、Fe?O?等）負(fù)載于MOF/GCE電極，連接電化學(xué)工作站檢測(cè)活細(xì)胞釋放的H?O?。圖8b為基于BUT-88的DNA探針制備：通過FRET機(jī)制，Cy3標(biāo)記的BUT-88與HP DNA-BHQ3和AP DNA-Cy5雜交形成drDNA-BUT-88，用于檢測(cè)MCF-7細(xì)胞質(zhì)中的miRNA-21和細(xì)胞膜上的MUC-1。圖8c為Au@Cu-HHTP-NS修飾電極檢測(cè)線粒體H?O?：SDS、HHTP和Cu2?合成Cu-HHTP-NSs，負(fù)載Au-NP后用于TMB-H?O?體系的比色檢測(cè)和活細(xì)胞線粒體H?O?電化學(xué)檢測(cè)。

圖9展示了MOF在葡萄糖電化學(xué)檢測(cè)中的機(jī)制。左側(cè)為酶檢測(cè)（Enzymatic Detection）：MOF基材料固定葡萄糖氧化酶（GOx），催化葡萄糖氧化為葡萄糖內(nèi)酯，同時(shí)產(chǎn)生H?O?。右側(cè)為非酶檢測(cè)（Non-Enzymatic Detection）：MOF基材料直接催化葡萄糖氧化，通過氧化-還原循環(huán)（O?/H?O?和2e?轉(zhuǎn)移）實(shí)現(xiàn)電化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。

圖10展示了MOF在葡萄糖電化學(xué)檢測(cè)中的性能表征。圖10a為NiCo-BTC MOF在GCE和GSPE上的合成及電化學(xué)性能：不同電位下的電流-時(shí)間曲線（左）和電流-時(shí)間響應(yīng)（右，插圖顯示低濃度檢測(cè)）。圖10b為Co-MOF NS/CC的制備和表征：裸碳布（CC）經(jīng)Co2?和MIM反應(yīng)生成葉狀ZIF-L，XRD顯示特征峰，SEM展示形貌（a-d為不同放大倍數(shù)，e顯示厚度3.8 μm，f為截面細(xì)節(jié)）。圖10c為Cu-MOF/CF的葡萄糖檢測(cè)：裸CF和Cu-MOF/CF在有無葡萄糖時(shí)的循環(huán)伏安（CV）曲線（左上）、不同掃描速率下的CV（右上）、電流密度與掃描速率平方根關(guān)系（左下，線性擬合y=4.57x-1.74，R2=0.9990）及pH依賴性（右下）。

圖11展示了Ag@MOF@PDA的制備及抗菌治療應(yīng)用。合成路線：MOF負(fù)載Ag?后還原得到Ag@MOF，再經(jīng)多巴胺（Dopamine）在乙醇中處理48小時(shí)得到Ag@MOF@PDA。應(yīng)用展示：808 nm激光照射下，Ag?釋放實(shí)現(xiàn)抗生物膜（Anti-Biofilm）和抗菌（Anti-Bacteria）雙重療效，同時(shí)PDA提供光熱治療（PTT）。右側(cè)展示小鼠感染傷口模型，激光照射后細(xì)菌死亡和生物膜清除。

圖12展示了AuNR@MOF@CPT的多功能癌癥治療平臺(tái)。圖A為結(jié)構(gòu)示意圖：金納米棒（AuNR）嵌入MOF并負(fù)載喜樹堿（CPT），實(shí)現(xiàn)PDT、PTT、化療和成像。圖B和C為TEM圖像：AuNR@MOF納米棒的低倍和高倍形貌。圖D為EDS元素映射：Au、Zr、C元素的分布。圖E為細(xì)胞活力分析：不同處理（PDT、PTT、化療及其組合）下的細(xì)胞存活率，聯(lián)合治療效果最佳。圖F為紅外熱成像：808 nm激光照射下對(duì)照組和AuNR@MOF@CPT處理組的溫度變化。圖G為相對(duì)腫瘤體積：不同治療組小鼠隨時(shí)間（0-20天）的腫瘤生長(zhǎng)曲線，聯(lián)合治療組腫瘤抑制最顯著。圖H為腫瘤重量：治療后各組腫瘤重量對(duì)比，聯(lián)合治療組腫瘤最小。

圖13展示了MOF在光催化產(chǎn)氫中的應(yīng)用。圖13a為Pt@MIL-125/Au的合成：一鍋法合成Pt@MIL-125，再負(fù)載Au納米棒得到Pt/MIL-125/Au，用于光催化。圖13b為Au@NH?-UiO-66/CdS復(fù)合材料的可見光驅(qū)動(dòng)HER：（i）和（ii）展示光誘導(dǎo)載流子動(dòng)力學(xué)機(jī)制，等離子體Au增強(qiáng)光吸收和電荷分離；（iii）TEM圖像顯示復(fù)合材料形貌；（iv）產(chǎn)氫速率對(duì)比，Au@NH?-UiO-66/CdS顯著優(yōu)于各組分及二元復(fù)合物。圖13c為Ag-AgMOM的合成示意圖。圖13d為可見光下光催化產(chǎn)氫過程。圖13e為不同波長(zhǎng)下Ag-AgMOM的產(chǎn)氫速率，全光譜下達(dá)3153 μmol h?1 g?1。

圖14展示了CdS/UiO-66(NH?)的光催化應(yīng)用。圖14a為光催化產(chǎn)氫示意圖：光催化劑受光激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，電子還原質(zhì)子產(chǎn)氫，空穴被犧牲劑消耗。圖14b為CdS在UiO-66(NH?)上的光沉積：室溫下將CdS納米棒光沉積于氨基功能化MOF表面，形成異質(zhì)結(jié)促進(jìn)電荷分離。圖14c為醇的光催化氧化應(yīng)用：可見光下光生空穴氧化醇為醛或酸，電子用于還原電子受體。

圖15展示了提高M(jìn)OF生物催化性能的策略。圖15a（i）為金屬硫蛋白結(jié)合Zn2?；（ii）為氨基酸促進(jìn)一鍋包埋（AAOPE）法；（iii）為通過AAOPE法（下，1小時(shí)）和對(duì)照無Cys（上，12小時(shí)）形成生物催化MOFs的SEM圖像；（iv）為不同F(xiàn)CAT/ZIF生物復(fù)合物的形成方式（疏水性/親水性框架的表面吸附或仿生礦化）。圖15b（i）為FCAT/ZIF納米顆粒的CLSM成像。圖15c（i）為蛋白質(zhì)誘導(dǎo)中空MOF基復(fù)合微球的合成；（ii）為通過模板乳化制備層級(jí)微孔和中孔ZIFs。圖15d（i）為微流體層流合成酶-MOF生物復(fù)合物；（ii）為體相溶液合成無缺陷酶-MOF生物復(fù)合物。

圖16展示了Co-MOF/ZnS納米顆粒及納米復(fù)合薄膜在食品包裝中的合成。合成路線：Co(NO?)?·6H?O與吡啶-2,6-二羧酸在DMF中180°C反應(yīng)12小時(shí)，干燥2小時(shí)得到Co-MOF；ZnSO?·7H?O與(NH?)?SO?在液氨中反應(yīng)得到ZnS；Co-MOF超聲15分鐘后與ZnS復(fù)合得到Co-MOF/ZnS；殼聚糖（Chitosan）和瓊脂（Agar）在室溫下攪拌2小時(shí)形成成膜溶液，加入Co-MOF/ZnS后干燥48小時(shí)得到薄膜。該薄膜具有光催化活性、耐水性、UV屏障、可生物降解、食品包裝和抗菌應(yīng)用等特性。

圖17展示了染料/CelluMOFs陣列的制備及水果成熟度監(jiān)測(cè)。圖17a為陣列制備流程：不同染料溶液與CelluMOFs混合→滴加于基底→形成陣列→用于氣體檢測(cè)。圖17b為RGB差分圖像：不同濃度（E）-2-己烯醛下染料/CelluMOFs陣列和純?nèi)玖详嚵械念伾兓瘜?duì)比。圖17c為歐氏距離（ED）隨濃度變化曲線：染料/CelluMOFs陣列（紫色）的ED值顯著高于純?nèi)玖详嚵校ňG色），表明MOF增強(qiáng)的檢測(cè)靈敏度。圖17d為不同VOCs的PCA得分圖：β-月桂烯、3-蒈烯、乙酸乙酯、反式-2-己烯醛、(+)-檸檬烯、異戊酸乙酯、苯甲醛、乙醇和己酸乙酯在PC1-PC2-PC3三維空間中的分布。圖17e為香蕉儲(chǔ)存1-8天的陣列顏色變化。圖17f為香蕉儲(chǔ)存期間ED值隨時(shí)間變化曲線，顯示成熟度增加。圖17g為香蕉成熟度PCA分類：未熟（Unripe）、成熟（Ripe）和過熟（Overripe）在三維主成分空間中的聚類。

圖18展示了MOF-VR中MOF的生成過程。圖18a為使用游戲引擎技術(shù)構(gòu)建MOF：SBU（二級(jí)構(gòu)建單元）與連接體在三維空間中連接。圖18b為非周期性MOF結(jié)構(gòu)準(zhǔn)備周期性處理。圖18c為在晶胞中構(gòu)建的MOF結(jié)構(gòu)。圖18d為MOF-VR軟件包的用戶界面，展示MOF與客體分子之間的主-客體相互作用。

圖19展示了基于Transformer的MOF性質(zhì)預(yù)測(cè)模型。圖19a為Deepsorption模型：輸入原子坐標(biāo)和元素類型，通過3D位置編碼和化學(xué)元素編碼進(jìn)入Matformer（多尺度原子注意力機(jī)制），結(jié)合專家知識(shí)（孔徑、比表面積、密度、體積、空隙率）協(xié)同學(xué)習(xí)，輸出吸附等溫線預(yù)測(cè)。多尺度原子注意力機(jī)制展示：中心原子與不同距離尺度（鍵/基序、吸附位點(diǎn)/表面、孔結(jié)構(gòu)、全局結(jié)構(gòu)）的注意力原子相互作用。圖19b為MOFTransformer模型：輸入兩種模態(tài)——基于原子圖的局部特征（通過晶體圖卷積網(wǎng)絡(luò)提?。┖突谀芰烤W(wǎng)格的全局特征（展平塊線性投影），經(jīng)Transformer編碼器處理后，通過MLP頭分別預(yù)測(cè)MOF拓?fù)洌∕TP）、空隙率（VFP）和金屬節(jié)點(diǎn)/有機(jī)連接體分類（MOC）。

展望未來

MOF的發(fā)展將呈現(xiàn)以下趨勢(shì)：在合成方面，綠色、可規(guī)?；暮铣刹呗裕ㄈ缟锶軇┖蜔o溶劑法）將成為主流，模塊化合成與可持續(xù)原料的結(jié)合有望實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可行的工業(yè)化生產(chǎn)；在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，缺陷工程、層級(jí)孔道結(jié)構(gòu)和復(fù)合策略（如與石墨烯、碳納米管、MXenes等導(dǎo)電材料復(fù)合）將顯著提升MOF的穩(wěn)定性、導(dǎo)電性和功能性；在智能化設(shè)計(jì)方面，基于大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)（尤其是生成式AI）的結(jié)構(gòu)-性能預(yù)測(cè)模型將加速新材料的發(fā)現(xiàn)，但需建立標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)集和質(zhì)量控制體系以確保模型的可靠性；在應(yīng)用拓展方面，多刺激響應(yīng)型MOF和AI/ML集成系統(tǒng)將為智能藥物遞送、精準(zhǔn)傳感和自適應(yīng)催化開辟新途徑；在安全性方面，系統(tǒng)的毒理學(xué)、生物降解性和生命周期評(píng)估研究亟待加強(qiáng)，以建立明確的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。總體而言，MOF正從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用，通過跨學(xué)科合作和技術(shù)創(chuàng)新，有望在生物醫(yī)學(xué)、清潔能源和可持續(xù)食品科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮變革性作用。

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