自1962年提出化學(xué)氣體傳感器以來，隨著氣體傳感技術(shù)的進(jìn)步，各種功能多樣的氣體傳感器應(yīng)運(yùn)而生。由于其體積小巧、易于制造、功耗低、操作簡便等優(yōu)點，氣體傳感器被廣泛應(yīng)用于疾病診斷、智能農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、食品質(zhì)量控制、工業(yè)安全以及有害氣體或溫室氣體檢測等諸多領(lǐng)域。鑒于氣體傳感器所處的復(fù)雜工作環(huán)境，尤其是在工廠、實驗室或室內(nèi)空間中多種氣體共存，以及濕度、溫度和氣體濃度存在顯著變化，氣體傳感器必須滿足嚴(yán)格的要求，才能在靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性方面有效檢測特定目標(biāo)分析物。因此，設(shè)計和開發(fā)具有傳感性能的氣體傳感器仍然是一個重要的目標(biāo)，在基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用方面都具有重要意義。

在人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和納米材料等技術(shù)的推動下，化學(xué)傳感器研究在過去十年取得了快速發(fā)展。市場上涌現(xiàn)出越來越多的高響應(yīng)氣體傳感儀器，特別是那些能夠有效響應(yīng)百萬分之一（ppm）或十億分之一（ppb）濃度目標(biāo)氣體的儀器。傳感器的結(jié)構(gòu)和組成、相關(guān)的外圍電子設(shè)備以及信號處理單元（例如噪聲濾波和放大）等多種因素都會顯著影響其傳感性能。其中，傳感材料作為氣體傳感器的核心組件，對傳感器性能，特別是靈敏度和選擇性起著決定性作用。理想的傳感材料不僅對低濃度目標(biāo)分析物表現(xiàn)出高響應(yīng)，而且能夠從混合物中選擇性地檢測特定氣體或揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）。因此，合理設(shè)計具有針對不同應(yīng)用場景的物理和化學(xué)特性的新型傳感材料至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有的氣體傳感材料通常存在工作溫度高、靈敏度低和氣體選擇性差等問題，這限制了它們的實際應(yīng)用。例如，傳統(tǒng)的金屬氧化物半導(dǎo)體由于其成本低廉、設(shè)計簡單和穩(wěn)定性強(qiáng)，已成為商用氣體傳感器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；然而，其固有的靈敏度低和工作溫度高限制了其應(yīng)用范圍。相比之下，雖然摻入貴金屬可以增強(qiáng)傳感器的活性，但其稀缺性和高成本限制了其工業(yè)應(yīng)用。新興的二維 (2D) 材料，例如碳化物/氮化物、MXene、過渡金屬二硫化物 (TMD) 和石墨烯，由于其獨特的表面特性，作為潛在的氣體傳感材料受到了廣泛關(guān)注，但也面臨著合成成本高、穩(wěn)定性差以及對目標(biāo)氣體分子的選擇性低等問題。考慮到這些挑戰(zhàn)，對替代材料的需求不斷增長，迫切需要能夠提供可調(diào)選擇性、高穩(wěn)定性和多功能結(jié)構(gòu)設(shè)計的傳感材料，以克服現(xiàn)有材料的局限性。隨著研究的不斷深入，越來越多的多孔骨架材料被用于氣體傳感領(lǐng)域，這些材料提供了可調(diào)的孔結(jié)構(gòu)和化學(xué)環(huán)境，從而提高了選擇性。

近年來，具有可調(diào)理化性質(zhì)、孔隙率和雜化無機(jī)-有機(jī)材料特性的金屬有機(jī)框架（MOF）作為前景的傳感材料引起了廣泛關(guān)注。與常用的傳感材料不同，MOF可以通過不同的有機(jī)連接體和金屬節(jié)點實現(xiàn)可調(diào)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、孔隙率和功能性，同時還具有超高的比表面積、催化活性以及良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性。這些特性賦予了MOF在氣體傳感方面固有的優(yōu)勢，包括可編程的孔隙環(huán)境和孔隙率，從而實現(xiàn)預(yù)富集和分子篩分，進(jìn)而通過尺寸和化學(xué)親和力實現(xiàn)高選擇性，并通過低檢測限提高靈敏度；密集且周期性的結(jié)合位點，包括可接近的金屬中心，促進(jìn)特定的主體-客體相互作用和催化活化；以及吸附驅(qū)動的識別，可以與電學(xué)、光學(xué)和質(zhì)量敏感的讀出方式相結(jié)合，從而實現(xiàn)接近室溫且低功耗的運(yùn)行。在2012年至2024年間，發(fā)表了超過10000篇關(guān)于基于MOF的傳感器的論文（文章和綜述）（圖1），涵蓋了各個學(xué)科，包括工業(yè)、生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)和材料學(xué)。最近的進(jìn)展表明，基于MOF的氣體傳感器不僅在材料設(shè)計和器件集成方面展現(xiàn)出廣闊的前景，而且為提高氣體傳感器的性能指明了新的方向?；?/span>MOF的傳感器的性能與其形態(tài)結(jié)構(gòu)和傳感方法（例如，化學(xué)電阻式、發(fā)光式、干涉式和等離子體共振式）密切相關(guān)，從而導(dǎo)致固有的局限性和特定應(yīng)用場景下的使用規(guī)則。例如，MOF粉末具有的孔隙率、比表面積和單分散的金屬活性位點，但需要額外的封裝才能用于氣體傳感器的制造，例如直接印刷或滴涂到陶瓷管或微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）器件上，這限制了傳感器的可靠性和可重復(fù)性。MOF薄膜在集成到氣體傳感器器件方面具有優(yōu)勢，但在選擇性和檢測限方面面臨挑戰(zhàn)。與MOF并行，其他多孔框架也發(fā)揮著競爭或互補(bǔ)的作用。共價有機(jī)框架（COF）具有有序的孔隙結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展的π共軛體系，并通過連接體設(shè)計、金屬化和孔隙微環(huán)境控制實現(xiàn)了室溫下的化學(xué)電阻響應(yīng)和可調(diào)選擇性，盡管器件級加工和長期穩(wěn)定性仍然很大程度上取決于其連接化學(xué)和聚合物界面。氫鍵有機(jī)框架（HOF）因其可溶液加工、自組裝和可回收性而被探索用作多孔吸附層和分子過濾器，并表現(xiàn)出可逆的客體響應(yīng)結(jié)構(gòu)；然而，與堅固的金屬有機(jī)框架（MOF）化學(xué)相比，其機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性以及器件標(biāo)準(zhǔn)化仍然面臨挑戰(zhàn)。MOF衍生的多孔碳和金屬或氧化物復(fù)合材料具有高導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性，可用于低功耗化學(xué)電阻檢測，但它們部分犧牲了支撐固有選擇性的晶體結(jié)構(gòu)和位點特異性孔隙化學(xué)，除非通過缺陷或孔隙工程以及選擇性覆蓋層進(jìn)行補(bǔ)償。在此背景下，MOF因其結(jié)合了配位不飽和金屬位點和可編程孔隙化學(xué)以及成熟的加工和集成路線而優(yōu)勢，能夠?qū)⑦x擇性吸附和催化活化與電學(xué)和質(zhì)量敏感讀數(shù)相結(jié)合，但電子傳輸和濕度耐受性方面的局限性仍然限制了它們的實際應(yīng)用范圍?；谶@些進(jìn)展，一系列創(chuàng)新的基于MOF的氣體傳感器，包括柔性傳感器和微型傳感器，正在不斷開發(fā)，同時MOF材料也從三維（3D）結(jié)構(gòu)發(fā)展到平面結(jié)構(gòu)，并從單一功能發(fā)展到多功能性能。因此，總結(jié)這些新型基于MOF的智能氣體傳感器的傳感機(jī)制和發(fā)展前景至關(guān)重要。