李光華，劉 廈，康 凱，鄧素梅，康維鈞,*，高志賢,*

（1.河北醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，河北 石家莊 050017；2.軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院環(huán)境醫(yī)學(xué)與作業(yè)醫(yī)學(xué)研究所，天津市環(huán)境與食品安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300050）

食品安全問(wèn)題是當(dāng)今世界的熱點(diǎn)話題。食品污染會(huì)對(duì)人體造成急性、亞急性或慢性危害，給人們的健康帶來(lái)巨大威脅。食品的供應(yīng)鏈復(fù)雜，涉及多個(gè)階段，包括種植、生產(chǎn)、加工、儲(chǔ)存等，每一個(gè)環(huán)節(jié)都可能受到有害物質(zhì)的污染[1]。食品中污染物主要包括金屬離子[2]、農(nóng)獸藥殘留[3-5]、環(huán)境有機(jī)污染物[6]、食品添加劑[7]等，這些污染物也可通過(guò)水進(jìn)入食物鏈，直接威脅人體健康。構(gòu)建檢測(cè)食品和水中污染物的方法在食品質(zhì)量監(jiān)測(cè)和確保食品安全方面起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)檢測(cè)食品中污染物的方法主要有色譜法[8-12]、毛細(xì)管電泳[13]、酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定（enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA）[14]等，但這些儀器方法存在樣品前處理復(fù)雜、價(jià)格昂貴、操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力等缺點(diǎn)。因此，開(kāi)發(fā)操作簡(jiǎn)單、快速、靈敏的食品污染物檢測(cè)方法具有十分重要的意義。

金屬有機(jī)框架（metal-organic frameworks，MOFs）是由金屬離子或金屬團(tuán)簇與有機(jī)配體自組裝而成的新型多孔晶體材料[15]，是一個(gè)涉及無(wú)機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)和配位化學(xué)等多學(xué)科的嶄新課題，是近十幾年來(lái)發(fā)展迅速的一種新型材料。常見(jiàn)MOFs的類型主要有網(wǎng)狀金屬有機(jī)骨架材料（isoreticular metal-organic-framework，IRMOFs）、類沸石咪唑酯骨架材料（zeoliticimidazolate framework，ZIFs）、萊瓦希爾骨架材料（material sofistitute Lavoisierframeworks，MILs）、孔-通道式骨架材料（pocket-channel frameworks，PCNs）[16]。除此之外，UiO（Universtiy of Oslo）、CPL（Coordination Pillared-layer）、HKUST（Hong Kong University of Science and Technology）等MOFs材料也在不斷發(fā)展。與其他材料相比，MOFs具有比表面積大、孔隙率高、骨架結(jié)構(gòu)多樣以及骨架孔徑尺寸可調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，在氣體存儲(chǔ)、吸附與分離[17]、傳感[18-19]、發(fā)光[20-21]、催化[22]等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。將MOFs作為傳感材料或樣品前處理材料應(yīng)用于食品檢測(cè)，可以提高檢測(cè)靈敏度、降低成本、使操作簡(jiǎn)單快速。本文綜述近些年來(lái)MOFs及其復(fù)合材料在食品檢測(cè)中應(yīng)用的研究進(jìn)展，包括作為傳感材料在傳感器檢測(cè)法中的應(yīng)用和作為前處理材料在色譜法檢測(cè)前處理中的應(yīng)用，旨在為其在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 MOFs在傳感器檢測(cè)法中的應(yīng)用

傳感器是能感受分析物并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，傳感器檢測(cè)法具有靈敏度高、操作簡(jiǎn)單、成本低、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在食品檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。MOFs因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為構(gòu)建分析物傳感器的先進(jìn)材料，使其參與到傳感系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)可進(jìn)一步提高檢測(cè)器的靈敏度和縮短檢測(cè)時(shí)間。MOFs作為傳感材料已被廣泛應(yīng)用于構(gòu)建各種傳感器對(duì)食品中污染物進(jìn)行檢測(cè)，包括電化學(xué)傳感器、熒光傳感器、比色傳感器等。

1.1 電化學(xué)傳感器

電化學(xué)傳感器因檢測(cè)靈敏度高、響應(yīng)速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于食品檢測(cè)中。電極材料是構(gòu)建新型電化學(xué)傳感器的關(guān)鍵[23-24]。MOFs具有比表面積大、易于改性、結(jié)構(gòu)多樣等優(yōu)點(diǎn)，是電極表面改性的理想材料，能夠提高電化學(xué)傳感性能。為了克服MOFs導(dǎo)電率低、電活性弱等缺點(diǎn)，將MOFs與多功能材料結(jié)合，如金納米粒子（gold nanoparticles，AuNPs）、鉑納米粒子（platinum nanoparticles，PtNPs）、碳纖維等，組裝制備成基于MOFs的復(fù)合材料，以提高電極的導(dǎo)電性。Hu Mei等[25]將血紅素（hemin）封裝在Fe-MIL-88NH2中設(shè)計(jì)了一種以hemin＠MOFs/AuPt復(fù)合物為信號(hào)放大平臺(tái)的間接競(jìng)爭(zhēng)電化學(xué)免疫傳感器（圖1A），用于檢測(cè)食品中的馬杜霉素（maduramicin，MD）。在該競(jìng)爭(zhēng)體系中，以AuNPs為電極修飾劑，其表面固定牛血清白蛋白（bovine serum albumin，BSA）包被抗原，當(dāng)不存在MD時(shí)，抗MD抗體（Ab1）會(huì)結(jié)合固定的MD-BSA抗原，通過(guò)標(biāo)記辣根過(guò)氧化物酶（horseradish peroxidase，HRP）的抗Ab1抗體（Ab2）結(jié)合hemin＠MOFs/AuPt-Ab2-HRP/HRP生物探針。hemin＠MOFs具有催化活性高、穩(wěn)定性好、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，可用于負(fù)載AuPt納米顆粒和生物分子（Ab2-HRP），并用HRP封閉，以提高催化活性。生物探針中的hemin＠MOFs、AuPt和HRP可協(xié)同催化還原H2O2，顯著放大電流信號(hào)。當(dāng)存在MD時(shí)，與固定的MD-BSA抗原發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)免疫反應(yīng)，生物探針產(chǎn)生的電流信號(hào)降低，實(shí)現(xiàn)MD的間接競(jìng)爭(zhēng)檢測(cè)，該傳感器的線性范圍為0.1～50 ng/mL，檢出限（limit of detection，LOD）為0.045 ng/mL。與傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器相比，該方法的靈敏度高，在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的性能。SunYujiao等[26]以科琴碳黑（ketjen black，KB）/二茂鐵（ferrocene，F(xiàn)c）雙摻雜MOF（Fc-KB/ZIF-8）為基礎(chǔ)研制了一種雙信號(hào)輸出模式的比率型電化學(xué)適配體傳感平臺(tái)以選擇性檢測(cè)香蘭素。首先在玻碳電極（glassy carbon electrode，GCE）表面制備AuNPs/Fc-KB/ZIF-8＠GCE，然后通過(guò)Au-S偶聯(lián)將AuNPs與香蘭素DNA適配體結(jié)合；在改性GCE時(shí)，加入6-巰基-1-己醇（6-hydroxy-1-hexanethiol，MCH）占據(jù)沒(méi)有與香蘭素DNA適配體結(jié)合的AuNPs其他活性位點(diǎn)，避免非特異性結(jié)合。香蘭素與附在AuNPs上的適配體結(jié)合形成香蘭素適配體復(fù)合物（圖1B）。在復(fù)合過(guò)程中，香蘭素有規(guī)律地增加峰值電流強(qiáng)度（Ivan，響應(yīng)信號(hào)），摻雜到ZIF-8中的Fc峰值電流強(qiáng)度（IFc，參考信號(hào)）的變化可忽略不計(jì)。通過(guò)繪制香蘭素濃度與比值（Ivan/IFc）的線性關(guān)系，可靈敏、高效地檢測(cè)香蘭素，檢測(cè)線性范圍為10～200 nmol/L，LOD為3 nmol/L。這種雙信號(hào)輸出模式的傳感器克服了單信號(hào)模式檢測(cè)穩(wěn)定性低、重復(fù)性低的缺點(diǎn)，可校正背景信號(hào)的影響，提高了檢測(cè)的精密度。Hua Yue等[27]首次用硼氫化鈉（NaBH4）還原Cu-MOFs制備銅納米復(fù)合材料（copper nanocomposites，Cu-NCs）修飾電極，在Cl-存在下，建立了一種同時(shí)測(cè)定組胺（histamine，HTA）和組氨酸（histidine，His）的電化學(xué)傳感器（圖1C）。修飾在電極上的Cu-NCs中的Cu0電化學(xué)氧化為Cu+，與溶液中的Cl-反應(yīng)，在電極上形成CuCl固體。CuCl固體被電化學(xué)氧化生成CuCl2，在反向陰極電位循環(huán)中進(jìn)一步還原為CuCl。因此在低電位（約-0.10 V）下能顯示出穩(wěn)定的固體CuCl電化學(xué)氧化峰。當(dāng)存在HTA或His時(shí)，由于Cu2+與HTA或His的相互作用較強(qiáng)，CuCl轉(zhuǎn)化為CuHTA或CuHis復(fù)合物，固體CuCl的電化學(xué)氧化峰電流將增加。該傳感器可避免背景電活性物質(zhì)干擾，選擇性強(qiáng)，線性范圍為0.01～100 μmol/L，LOD為2.5 nmol/L。此外，MOFs還可與介孔Fe3O4＠C納米膠囊（Fe3O4＠C nanocapsules，mFe3O4＠m(xù)C）、共價(jià)有機(jī)骨架（covalent organic frameworks，COFs）石墨烯氣凝膠（graphene aerogel，GAs）、氧化石墨烯（graphene oxide，GO）、金屬離子等結(jié)合制備成MOFs復(fù)合材料修飾電極，應(yīng)用于電化學(xué)傳感器對(duì)食品污染物進(jìn)行靈敏檢測(cè)，如表1所示。

表1 MOFs在電化學(xué)傳感器食品檢測(cè)中的應(yīng)用Table 1 Application of MOFs in electrochemical sensors for food detection

圖1 MOFs在電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用Fig. 1 Application of MOFs in electrochemical sensors

1.2 光學(xué)傳感器

光學(xué)傳感器依據(jù)光學(xué)原理進(jìn)行檢測(cè)，因顏色變化易于觀察和檢測(cè)，被認(rèn)為是最有效的檢測(cè)方法之一，其中熒光法和比色法是最常用的兩種方法[34]。研究人員不斷探索MOFs在快速檢測(cè)食品污染物方面的潛力，開(kāi)發(fā)和研究基于MOFs的熒光和比色傳感器檢測(cè)技術(shù)在食品安全和公共衛(wèi)生領(lǐng)域具有重要意義。

1.2.1 熒光傳感器

利用傳感器-分析物相互作用引起的熒光響應(yīng)進(jìn)行光學(xué)傳感是一種靈敏的分析方法[35]。MOFs作為一種熒光傳感材料具有易于功能化的表面和可調(diào)的孔隙率，在熒光傳感檢測(cè)食品污染物中具有潛在的應(yīng)用前景[36]。污染物與MOFs相互作用引起熒光猝滅從而實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的檢測(cè)。一般來(lái)說(shuō)，污染物對(duì)MOFs的熒光猝滅機(jī)理主要有以下幾個(gè)方面[37-39]。1）熒光共振能量轉(zhuǎn)移（fluorescence resonance energy transfer，F(xiàn)RET），當(dāng)熒光團(tuán)的發(fā)射光譜與受體的吸收光譜重疊時(shí)，發(fā)生FRET。2）光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移（photoinduced electron transfer，PET），PET機(jī)制取決于MOFs和分析物的最低未占據(jù)分子軌道（lowest unoccupied molecular orbital，LUMO）的能級(jí)，當(dāng)MOFs的LUMO能級(jí)高于被分析物的LUMO能級(jí)時(shí)，MOFs的激發(fā)電子可以轉(zhuǎn)移到被分析物的LUMO，導(dǎo)致熒光猝滅。3）分析物與MOFs之間激發(fā)光的競(jìng)爭(zhēng)。這種機(jī)制的運(yùn)作依賴于分析物的吸收光譜和MOFs的激發(fā)光譜之間的重疊，分析物與MOFs競(jìng)爭(zhēng)激發(fā)光能量，使MOFs發(fā)生熒光猝滅。4）動(dòng)態(tài)/靜態(tài)猝滅機(jī)理。MOFs是檢測(cè)獸藥的良好材料，在監(jiān)測(cè)動(dòng)物源性食品中藥物殘留方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。Wang Bin等[37]設(shè)計(jì)并合成了一種新的化學(xué)穩(wěn)定發(fā)光Al-MOF，通過(guò)以上4 種熒光猝滅效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)6 類15 種常用獸藥的高效廣譜檢測(cè)，被測(cè)獸藥對(duì)該MOFs的猝滅效率均在82%以上，LOD低。近些年來(lái)，人們?cè)诓粩嗵剿鱉OFs在快速檢測(cè)農(nóng)藥方面的潛力。He Kaiyu等[34]合成了一種具有強(qiáng)吸附性和高發(fā)光性的水穩(wěn)定鋯基發(fā)光MOF（zirconium luminescent MOF，Zr-LMOF），甲基對(duì)硫磷可通過(guò)PET猝滅（1,2,4,5-四(4-羧基苯基)苯（1,2,4,5-tetrakis(4-carboxyphenyl)benzene，H4TCPB）配體的熒光，在農(nóng)產(chǎn)品表面加入Zr-LMOF懸浮液，在紫外光照射下出現(xiàn)視覺(jué)信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)甲基對(duì)硫磷的快速靈敏原位檢測(cè)（圖2A），該方法檢測(cè)的線性范圍為0.07～5.00 mg/kg，LOD為0.115 μg/kg。Xu Xiaoyu等[40]以羧甲基纖維素（carboxymethyl cellulose，CMC）氣凝膠為柔性主體材料、碳量子點(diǎn)（nanosized carbon dots，CDs）和EuMOFs為熒光中心研制一種多信號(hào)的可穿戴手套式熒光傳感器（圖2B），對(duì)食品中毒死蜱（chlorpyrifos，CP）進(jìn)行檢測(cè)。EuMOFs和CDs對(duì)CP有不同熒光響應(yīng)，CP與EuMOFs的有機(jī)配體競(jìng)爭(zhēng)吸收光源能量，降低能量從配體轉(zhuǎn)移到Eu3+的概率，猝滅Eu3+的熒光，Eu3+的發(fā)光強(qiáng)度隨CP濃度增加而逐漸降低，而CDs的發(fā)光強(qiáng)度不受影響。該傳感器檢測(cè)的線性范圍為5～40 μmol/L，LOD為89 nmol/L。這種在食品污染物表面進(jìn)行定量及定性熒光檢測(cè)的方法響應(yīng)速度快（30 s），可實(shí)現(xiàn)肉眼檢測(cè)，且這種便攜式裝置的檢測(cè)過(guò)程方便、可靠。Lian Xiao等[41]制備了一種以2,2’-聯(lián)吡啶-5,5’-二羧酸（H2bpydc）為配體的鉿基發(fā)光MOFs（Eu＠UiO-67(Hf)-bpydc），利用Hf12團(tuán)簇的反應(yīng)性和Eu3+的發(fā)光特性制備傳感器并對(duì)甲基膦酸（methanephosphonic acid，MPA）進(jìn)行檢測(cè)。猝滅是由于分子動(dòng)態(tài)碰撞引起，當(dāng)激發(fā)態(tài)發(fā)光中心與MPA分子碰撞時(shí)，發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，并產(chǎn)生一種弱熒光的中間激基復(fù)合物，導(dǎo)致熒光猝滅（圖2C），該MOFs卓越的傳感性能促使傳感器能夠檢測(cè)廢水中痕量的MPA，LOD為0.4 mg/kg。除此之外，一些非發(fā)光MOFs還可作為熒光猝滅劑應(yīng)用于熒光傳感器。Liu Sha等[42]提出了一種6-羧熒光素（6-carboxyfluorescein，F(xiàn)AM）熒光染料標(biāo)記適配體和鋯基-卟啉MOFs（PCN-222）作為熒光猝滅劑的比率熒光傳感平臺(tái)，用于氯霉素（chloramphenicol，CAP）的高效檢測(cè)。PCN-222吸附FAM標(biāo)記適配體，通過(guò)FRET和PET猝滅FAM熒光，當(dāng)CAP存在時(shí)，F(xiàn)AM標(biāo)記適配體從PCN-222表面釋放出來(lái)熒光恢復(fù)（圖2D）。PCN-222熒光發(fā)射不受CAP濃度影響，以此為參考信號(hào)建立比率熒光傳感器檢測(cè)CAP，線性范圍為10-2～104pg/mL，LOD為0.08 pg/mL。這種生物傳感器不僅能夠快速、超靈敏、高特異性地檢測(cè)CAP，而且還具有良好的通用性和多重分析性能。Yang Qian等[43]提出了一種基于2D-MOFs納米片（Cu-TCPP）的多色熒光適配體納米探針，據(jù)此構(gòu)建傳感器用于檢測(cè)CAP、催產(chǎn)素（oxytocin，OTC）和卡那霉素（kanamycin，KANA）。探針采用雙攪拌棒輔助靶置換（double stirring bar assisted target replacement，DSBTR）系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)酶信號(hào)放大，在DSBTR系統(tǒng)中，采用了兩個(gè)帶有大量DNA探針的攪拌棒來(lái)增強(qiáng)信號(hào)，由固定DNA（fixed DNA，fDNA）、輔助DNA（assisted DNA，aDNA）和捕獲DNA（captured DNA，cDNA）組裝成的Y-DNA固定在攪拌棒1上，單鏈DNA（single-strand DNA，ssDNA）固定在攪拌棒2上。目標(biāo)物可觸發(fā)Y-DNA解體。cDNA在與目標(biāo)物結(jié)合后從桿1上分離，并與桿2上的ssDNA反應(yīng)以釋放目標(biāo)，之后目標(biāo)將進(jìn)入下一個(gè)周期從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大（圖2E）。熒光團(tuán)（S）標(biāo)記的ssDNA作為信號(hào)探針（P），其發(fā)光被Cu-TCPP猝滅，aDNA可與P結(jié)合形成雙鏈DNA，Cu-TCPP對(duì)雙鏈DNA沒(méi)有猝滅效應(yīng)，熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。該方法對(duì)CAP、OTC和KANA樣品的LOD分別為1.5、2.4、1.0 pmol/L。2D-MOFs具有大的比表面積、長(zhǎng)程熒光猝滅性和生物分子識(shí)別性等優(yōu)點(diǎn)，推動(dòng)了生物分子探測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新，且相較于普通熒光探針只能改變熒光強(qiáng)度，該探針在探測(cè)不同目標(biāo)時(shí)可顯示不同顏色的熒光。Mehta等[44]將6 組氨酸標(biāo)記的有機(jī)磷水解酶（hexahistidine-tagged organophosphorus hydrolase，OPH6His）共價(jià)固定在UiO-66-NH2上，與游離態(tài)相比，酶活力提高了近40%。以酶MOF復(fù)合物為生物探針，催化有機(jī)磷農(nóng)藥（organophosphorus pesticides，OPPs）水解為對(duì)硝基苯酚（p-nitrophenol，PNP）。PNP的形成量與農(nóng)藥濃度成正比，而PNP可通過(guò)FRET效應(yīng)使熒光報(bào)告分子香豆素發(fā)生熒光猝滅，據(jù)此構(gòu)建熒光傳感器對(duì)農(nóng)藥進(jìn)行檢測(cè)，該傳感器可檢測(cè)到的農(nóng)藥質(zhì)量濃度非常低，LOD為10 ng/mL。使用過(guò)的OPH6His/UiO-66-NH2生物材料易于再生，并可重復(fù)使用多次。

圖2 MOFs在熒光傳感器中的應(yīng)用Fig. 2 Application of MOFs in fluorescence sensors

1.2.2 比色傳感器

比色傳感器因操作簡(jiǎn)便、易于觀察等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。酶可以在適當(dāng)?shù)臈l件下特異催化化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)常被應(yīng)用于比色傳感器中[45]。但天然酶或一些人工酶存在成本高、穩(wěn)定性低等缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)新的替代酶受到廣泛關(guān)注[46]。MOFs材料具有豐富的活性位點(diǎn)和可設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，非常適合作為開(kāi)發(fā)納米酶的候選材料。一些MOFs因具有類似于酶的特性而成為目前人工酶和分析傳感領(lǐng)域的重要材料。目前已探索了多種具有類酶活性的MOFs并應(yīng)用于水和食品檢測(cè)。Luo Linpin等[22]報(bào)道了一種具有過(guò)氧化物酶和氧化酶活性的以混合價(jià)鈰為金屬中心的新型MOFs（Ce-bpydc），據(jù)此建立了以3,3’,5,5’-四甲基聯(lián)苯胺（3,3’,5,5’-tetramethylbenzidine，TMB）為顯色劑的比色傳感平臺(tái)用來(lái)檢測(cè)食品中的抗壞血酸（ascorbic acid，AA）。Ce-bpydc催化TMB從無(wú)色變?yōu)樗{(lán)色，藍(lán)色oxTMB可在AA的參與下還原為無(wú)色TMB，線性范圍為1～20 μmol/L，LOD為0.28 μmol/L。該方法中MOFs合成簡(jiǎn)單、納米酶活性高、穩(wěn)定性好，且具有操作簡(jiǎn)便、靈敏、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。同樣Tan Hongliang等[47]通過(guò)對(duì)Cu-MOF前驅(qū)體熱分解誘導(dǎo)碳化，制備了有過(guò)氧化物酶活性的由分散在碳基體中的銅納米粒子組成的納米復(fù)合材料（Cu-NPs＠C），在H2O2存在下催化TMB，構(gòu)建比色傳感平臺(tái)檢測(cè)AA，線性范圍為10～103μmol/L，LOD為1.41 μmol/L。Li Jie等[48]開(kāi)發(fā)了Fe-MIL-53-適配體-TMB-H2O2比色傳感平臺(tái)，通過(guò)計(jì)算CAP質(zhì)量濃度與MOF催化活性降低程度之間的關(guān)系來(lái)檢測(cè)水中CAP質(zhì)量濃度。AuNP強(qiáng)化的抗生素適配體可獲得高達(dá)86%的信號(hào)增量。Fe-MIL-53帶正電荷，而CAP-AuNP適配體結(jié)合物帶負(fù)電荷，包覆在Fe-MIL-53表面，抑制其催化H2O2氧化TMB，LOD為8.1 ng/mL。該傳感平臺(tái)具有普遍適用性，通過(guò)改變適配體的類型可對(duì)其他抗生素進(jìn)行檢測(cè)且都顯示出較高的靈敏度和選擇性。Zhu Nuanfei等[49]設(shè)計(jì)了一種靈敏的HRP比色免疫傳感器用于檢測(cè)痕量鄰苯二甲酸二丁酯（dibutyl phthalate，DBP）。當(dāng)DBP存在時(shí)，與抗DBP抗體（Ab1）結(jié)合，該抗原抗體復(fù)合物捕獲Cu-MOFs標(biāo)記的抗Ab1抗體（Ab2），Cu-MOFs用于信號(hào)放大，在HNO3存在的情況下，Cu-MOFs釋放出大量的Cu2+，加入抗壞血酸鈉后，Cu2+進(jìn)一步被還原為Cu+，Cu+與HRP發(fā)生反應(yīng)，破壞HRP的結(jié)構(gòu)，抑制TMB底物的氧化，TMB顯色反應(yīng)發(fā)生明顯變化（圖3A）。在優(yōu)化條件下，該傳感器的LOD為1.0 μg/L，是相同抗體常規(guī)ELISA法的1/60。此外，該方法還顯示出良好的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性。Wang Yi等[50]制備了具有氧化酶活性的氧化鈰納米棒模板金屬有機(jī)骨架（CeO2NRs-MOF），用于水中Cr6+比色傳感檢測(cè)。MOF在CeO2納米棒表面的原位生長(zhǎng)增強(qiáng)了其氧化酶活性。在微量Cr6+存在下，顯著促進(jìn)CeO2NRs-MOF催化TMB氧化為藍(lán)色oxTMB（圖3B），線性范圍為0.03～5.00 μmol/L，LOD低至0.02 μmol/L。Li Huaping等[51]制備了具有過(guò)氧化物酶活性的PtNP＠UiO-66-NH2復(fù)合材料，可催化H2O2氧化TMB發(fā)生顯色反應(yīng)。該復(fù)合材料可吸附Hg2+，Hg2+與PtNP特異性相互作用，抑制了Pt-NP＠UiO-66-NH2的過(guò)氧化物酶樣活性（圖3C）。據(jù)此開(kāi)發(fā)了靈敏的比色傳感系統(tǒng)檢測(cè)和吸附水中的Hg2+濃度，線性范圍0～10 nmol/L，LOD為0.35 nmol/L。該方法將PtNP限制在UiO-66-NH2的骨架內(nèi)，UiO-66-NH2的均勻多孔結(jié)構(gòu)使PtNPs具有良好的分散性，吸附容量大，反應(yīng)物和產(chǎn)物易于通過(guò)孔進(jìn)出。Zhang Jianwei等[52]發(fā)現(xiàn)兩種具有過(guò)氧化物酶活性的鐵（III）基MOF（MIL-68和MIL-100），可催化氧化不同的過(guò)氧化物酶底物，據(jù)此建立靈敏比色傳感器測(cè)定H2O2和AA。當(dāng)H2O2存在時(shí)，MIL-68和MIL-100催化TMB氧化用于H2O2比色測(cè)定分析（圖3D），AA可有效抑制MOFs對(duì)鄰苯二胺的催化氧化，使溶液顏色發(fā)生改變從而對(duì)AA濃度進(jìn)行檢測(cè)。基于MIL-68和MIL-100的比色傳感器對(duì)AA濃度檢測(cè)的線性范圍為30～485 μmol/L，LOD為6 μmol/L。

圖3 MOFs在比色傳感器中的應(yīng)用Fig. 3 Application of MOFs in colorimetric sensors

2 MOFs在色譜法檢測(cè)前處理中的應(yīng)用

除傳感器檢測(cè)法，儀器分析方法因檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在食品安全領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如氣相色譜法（gas chromatography，GC），液相色譜法（liquid chromatography，LC）、高效液相色譜法（high performance liquid chromatography，HPLC）、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）、高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法（high performance liquid chromatography-mass spectrometry，HPLC-MS）等[53]。但由于食品基質(zhì)復(fù)雜、污染物在食品中存在濃度低等問(wèn)題，在儀器分析前對(duì)復(fù)雜樣品基質(zhì)中痕量或超痕量樣品進(jìn)行適當(dāng)前處理是關(guān)鍵，因此開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便快速、提取效率高的樣品前處理方法具有重要意義。固相萃?。╯olid-phase extraction，SPE）因具有操作簡(jiǎn)單、環(huán)境友好、高效富集、回收率高等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是樣品前處理的最佳方法之一。MOFs作為吸附劑已被廣泛應(yīng)用于SPE[54]和由SPE衍生出來(lái)的多種新樣品前處理技術(shù)中，如固相微萃取（solid-phase micro extraction，SPME）[55]、磁性固相萃?。╩agnetic solidphase extraction，MSPE）[56]、攪拌棒吸附萃?。╯tir bar sorptive extraction，SBSE）[57]等。以下主要介紹了MOFs及其復(fù)合物材料作為吸附劑在色譜法檢測(cè)樣品前處理技術(shù)中的應(yīng)用。

2.1 固相微萃取

SPME是20世紀(jì)90年代興起的一種新穎的樣品前處理與富集技術(shù)，集采樣、萃取、濃縮、進(jìn)樣于一體，溶劑消耗少，在食品分析中得到廣泛應(yīng)用。纖維表面涂覆的SPME涂層是提高萃取性能的關(guān)鍵，MOFs及其復(fù)合物作為涂層材料被廣泛應(yīng)用于SPME。金屬氮化物框架（metal azolate frameworks，MAF）作為MOFs的一個(gè)亞科，因其特殊的結(jié)構(gòu)和顯著的吸附選擇性，在有機(jī)揮發(fā)物分析中受到了廣泛的關(guān)注。Liu Manman等[58]將MAF在不銹鋼絲上逐層沉積制備了MAF-66涂層纖維，并采用SPME技術(shù)對(duì)多環(huán)芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）進(jìn)行提取。MAF-66是一種具有潛在應(yīng)用前景的PAHs吸附劑，其可透過(guò)通道和配位納米空間使PAHs很容易進(jìn)入位于空腔內(nèi)的“選擇性活性位點(diǎn)”，且PAHs與MAF-66之間可以形成π-π相互作用和疏水作用，從而對(duì)PAHs有較強(qiáng)的吸附作用。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，采用GC對(duì)提取的PAHs進(jìn)行分析，線性范圍為0.01～100.00 μg/L，LOD為0.1～7.5 ng/L。Lan Hangzhen等[59]報(bào)道了原位陰極電沉積法制備(Et3NH)2Zn3(BDC)4（E-MOF-5，BDC為1,4-苯二甲酸酯）薄膜涂層纖維（圖4A），用于雌激素的SPME。該方法制備E-MOF-5涂層僅需20 min，且優(yōu)化后的涂層具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和機(jī)械耐久性。E-MOF-5納米級(jí)的孔徑適合于分子尺寸小于1 nm的雌激素捕獲，另外它的表面基團(tuán)可以與含有苯環(huán)和羥基的雌激素相互作用。據(jù)此建立SPME-LC法同時(shí)檢測(cè)乳品中的4 種雌激素，LOD為0.17～0.56 ng/mL。其SPME操作重復(fù)次數(shù)超過(guò)120 次，對(duì)4 種雌激素的提取選擇性和容量均高于常用的聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）涂層。Lirio等[60]以MIL-53（Al）和甲基丙烯酸丁酯為原料采用微波輔助聚合法制備了MIL-53（Al）有機(jī)聚合物整體柱，該整體柱為其結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)小的介孔（來(lái)源于MOF）和大的通孔（來(lái)源于聚合物），其中，小的介孔提供足夠的表面積以保持溶質(zhì)的存在，而大的通孔允許流動(dòng)相流過(guò)固定相。將該聚合物整體柱應(yīng)用于SPME對(duì)青霉素進(jìn)行提取，提取回收率在90.5%～95.7%之間，通過(guò)HPLC法對(duì)牛奶中的青霉素進(jìn)行分析，LOD為0.06～0.26 g/L。Zhang Suling等[61]合成了MOF-199/GO復(fù)合材料涂層纖維，將其應(yīng)用于8 種有機(jī)氯農(nóng)藥的SPME，并進(jìn)行了GC分析，LOD為2.3～6.9 ng/L。該復(fù)合材料纖維結(jié)合了MOFs高孔隙率的優(yōu)異性能和GO獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)，具有良好的熱穩(wěn)定性、高孔隙率和較長(zhǎng)的使用壽命（可重復(fù)萃取140 次），對(duì)農(nóng)藥的吸附親和力較單獨(dú)MOF和GO增強(qiáng)。Pang Yachao等[62]在合成NH2-MIL-125過(guò)程中引入石墨氮化碳（g-C3N4）作為模板，通過(guò)碳化制備了含氮金屬有機(jī)骨架多孔碳（C-(C3N4＠MOF)），以此作為SPME纖維涂層，提取果蔬樣品中14 種OPPs（圖4B）。Wei Songbo等[63]將MOF納米片1,4-苯二甲酸銅加入聚酰亞胺樹(shù)脂中，MOF在聚合物基體中均勻分布形成高效涂層材料，用于SPME對(duì)水樣中的5 種PAHs進(jìn)行萃?。煌ㄟ^(guò)不同方法制備的MOFs或MOFs復(fù)合物纖維涂層具有比表面積大、吸附容量大、熱穩(wěn)定性好、機(jī)械穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，已被越來(lái)越多地應(yīng)用于SPME技術(shù)中。

圖4 MOFs在固相微萃取中的應(yīng)用Fig. 4 Application MOFs in solid phase microextraction

2.2 磁性固相萃取

MSPE是以磁性或可磁化材料為吸附劑基質(zhì)的一種固相萃取技術(shù)，被吸附的分析物可通過(guò)磁場(chǎng)從樣品基質(zhì)中分離[64]。這種預(yù)處理方法是基于磁性吸附劑在液體樣品中通過(guò)漩渦或搖動(dòng)的方式分散，增大分析物與吸附劑之間的接觸面積，實(shí)現(xiàn)快速的物質(zhì)轉(zhuǎn)移，并在短時(shí)間內(nèi)保證較高的萃取效率[65]。MSPE的優(yōu)點(diǎn)是分離方便快捷、操作簡(jiǎn)單，大大縮短了樣品預(yù)處理時(shí)間。MOFs可作為樣品前處理材料應(yīng)用于MSPE。Liu Guangyang等[66]通過(guò)在Fe3O4-GO納米復(fù)合材料表面制備MOF層并與β-環(huán)糊精（beta-cyclodextrin，β-CD）分子結(jié)合，合成了具有超順磁性和大比表面積的M-MOF/β-CD，以此為磁性多孔吸附劑，用于蔬菜樣品中的咪鮮胺和3 種三唑類殺菌劑的MSPE，并采用HPLC-MS/MS分析測(cè)定，LOD為0.25～1.0 μg/L，加標(biāo)回收率為74.13%～119.83%。將MOFs與Fe3O4-GO結(jié)合可以提供剛性的納米支撐界面，從而提高其耐水性和機(jī)械強(qiáng)度。此外，MOFs由于具有碳含量高、比表面積大、孔容大等優(yōu)點(diǎn)，是碳化過(guò)程中理想的模板劑和良好的碳前驅(qū)體。Li Dandan等[67]以氧化鋅納米顆粒（ZnO-NPs）、Co(OH)2和2-甲基咪唑?yàn)樵?，采用一步碳化法制備了基于Zn/Co-MOFs的磁性納米多孔碳（MNPCs）。該MNPCs具有高比表面積以及可控的孔結(jié)構(gòu)和磁性，化學(xué)穩(wěn)定性好，對(duì)OPPs具有較高的選擇性和提取效率。良好的萃取性能主要?dú)w因于MNPCs與OPPs之間的π-π相互作用和疏水作用，且Co-N配位使吸附劑非常穩(wěn)定，能有效避免由于磁性材料結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定而造成的目標(biāo)分析物的損失。以MNPCs為吸附劑，GC法分析水果樣品中5 種OPPs的含量，LOD為0.018～100.000 μg/L。與單金屬M(fèi)OFs相比，雙金屬M(fèi)OFs因具有更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、更豐富的吸附活性位點(diǎn)、出色的回收穩(wěn)定性而越來(lái)越受到關(guān)注。Wang Yang等[68]以Co/Ni-MOF為前體經(jīng)氮?dú)忪褵苽淙S磁性多孔碳微球（3D-Co/Ni＠C），該復(fù)合材料對(duì)擬除蟲(chóng)菊酯類農(nóng)藥具有優(yōu)異的萃取能力和分離效率。采用分散磁固相萃取（dispersive magnetic solid-phase extraction ，d-MSPE）-HPLC法測(cè)定實(shí)際樣品中的醚菊酯和聯(lián)苯菊酯（圖5），LOD分別為0.003 8～0.006 7 ng/mL和0.065～0.12 ng/g。但這種方法的應(yīng)用范圍小，在今后的工作中需研究如何提高材料的選擇性，使該方法適用于其他復(fù)雜樣品。Liang Li等[69]合成Fe3O4＠SiO2-GO/MIL-101(Cr)并將其用作MSPE吸附劑對(duì)7 種三嗪類除草劑進(jìn)行MSPEHPLC檢測(cè)，LOD為0.01～0.08 μg/kg。Chen Xiangfeng等[70]將Fe3O4＠MIL-100用作水樣中痕量多氯聯(lián)苯（polychlorinated biphenyls，PCBs）的MSPE吸附劑，用GC-MS法對(duì)樣品進(jìn)行分析，LOD為1.07～1.57 ng/L。由此可見(jiàn)，通過(guò)將磁性納米復(fù)合材料封裝到MOFs中或?qū)⒐δ茏R(shí)別分子嫁接到MOF外表面來(lái)合成雜化MOFs，再將其應(yīng)用于MSPE，可提高M(jìn)OFs對(duì)目標(biāo)物的吸附能力和特異性識(shí)別能力。

圖5 分散磁性固相萃取示意圖[68]Fig. 5 Schematic diagram of the dispersive magnetic solid-phase extraction procedure[68]

2.3 攪拌棒吸附萃取

SBSE因靈敏度高、重現(xiàn)性好、不使用有機(jī)溶劑等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到關(guān)注。攪拌棒上的涂層纖維量是SPME纖維的50～250 倍，可顯著提高回收率和萃取能力[71]。SBSE技術(shù)已廣泛應(yīng)用于食品復(fù)雜樣品中痕量污染物的富集和測(cè)定。然而，市面上可買到的SBSE涂層，如PDMS、乙二醇-有機(jī)硅和聚丙烯酸酯等通常對(duì)目標(biāo)具有低選擇性，極大地限制了在復(fù)雜食品基質(zhì)中的應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)具有選擇性涂層的攪拌棒對(duì)SBSE富集目標(biāo)物具有重要意義。MOFs以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能，如高比表面積、良好的熱穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)多樣性等，成為一種合適的攪拌棒涂層材料。Hu Cong等[72]采用水熱法合成了Al-MIL-53-NH2，并采用溶膠-凝膠法制備了PDMS與MOFs結(jié)合（PDMS/Al-MIL-53NH2）的涂層纖維，PDMS/MOFs包被攪拌棒的制備重復(fù)性好，同批內(nèi)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（relative standard deviation，RSDs）為4.8%～14.9%（n＝7），不同批次間RSDs為6.2%～16.9%（n＝6）。并建立了一種PDMS/MOFs包被攪拌棒的SBSE-HPLC新方法測(cè)定環(huán)境水樣中PAHs，LOD為0.05～2.94 ng/L。與其他方法相比，本方法萃取時(shí)間（20 min）和解析時(shí)間（10 min）短，提取效率高，線性范圍寬，具有很好的應(yīng)用潛力。Hu Cong等[73]建立了PDMS/IRMOF-3涂層包被攪拌棒的SBSE-HPLC法檢測(cè)水體中7 種目標(biāo)雌激素新方法，LOD為0.15～0.35 μg/L。Lin Saichai等[57]比較了4 種MOFs（MIL-101(Cr)、MOF-5(Zn)、ZIF-8、MOF-5(Fe)）的吸附性能（圖6），選擇MOF-5(Fe)作為SBSE涂層，通過(guò)磁吸附法將MOF-5(Fe)固定在攪拌棒上，用于提取PCBs。MOF-5(Fe)涂層對(duì)PCBs的高富集性能，可能是由于MOF-5(Fe)的高比表面積和MOF螯合配體（對(duì)苯二甲酸）與PCBs芳香環(huán)之間的π-π相互作用。據(jù)此建立了SBSE-GC-MS聯(lián)用法檢測(cè)6 種PCBs，LOD為0.061～0.096 ng/g。但是通常攪拌棒涂層對(duì)目標(biāo)沒(méi)有選擇性，大多數(shù)涂層會(huì)將分析物與其他共存的不需要的有機(jī)污染物一起提取，嚴(yán)重影響定量分析結(jié)果。因此開(kāi)發(fā)具有高選擇性的攪拌棒涂層具有重要意義。為提高SBSE對(duì)分析物的選擇性，可將分子印跡聚合物、抗原抗體涂層或適配體引入SBSE。Lin Saichai等[74]研究了一種簡(jiǎn)單、高選擇性的適配體SBSE，能夠與GC-MS結(jié)合用于對(duì)魚(yú)類樣品中PCBs的選擇性富集和測(cè)定。在MOF-5(Zn)上固定識(shí)別PCB72和PCB106的適配體能夠大量、特異性富集PCBs，方法的線性范圍為0.02～250 ng/mL，LOD為0.003～0.004 ng/mL。由此可見(jiàn)，簡(jiǎn)單地在SBSE纖維上制備功能化涂層是有效提取復(fù)雜基體樣品中超痕量目標(biāo)的關(guān)鍵，而MOFs的合成方法簡(jiǎn)便，將MOFs及其復(fù)合物作為攪拌棒涂層材料可顯著提高其吸附量和選擇性。

圖6 不同MOF對(duì)PCBs的提取能力[57]Fig. 6 Extraction capacity of different MOFs to polychlorinated biphenyls[57]

3 結(jié) 語(yǔ)

MOFs是近些年發(fā)展起來(lái)的一種新興材料，具比表面積大、孔隙率高、孔的尺寸可調(diào)、表面可修飾等優(yōu)點(diǎn)，在食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域受到重視。MOFs已成功應(yīng)用于電化學(xué)、熒光、比色傳感器和色譜法前處理中檢測(cè)食品污染物，具有操作簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、靈敏度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但MOFs在食品檢測(cè)中的應(yīng)用仍處于初級(jí)階段，存在一定的不足之處：1）MOFs的導(dǎo)電性差，直接應(yīng)用其作為電極材料受到限制[32-33]；2）MOFs的水穩(wěn)定性差，大多數(shù)報(bào)道的發(fā)光MOFs容易在其節(jié)點(diǎn)或金屬配體處水解，水解會(huì)產(chǎn)生質(zhì)子化連接物和氫氧化物金屬節(jié)點(diǎn)[34]，最終導(dǎo)致MOFs的結(jié)構(gòu)坍塌；3）具有酶活性的MOFs作為催化劑對(duì)物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，其催化活性、選擇性低，環(huán)境耐受性差[22]，以MOFs作為載體將納米酶固定在MOFs孔隙中可以提高酶的穩(wěn)定性和催化活性，但這一策略又由于MOFs的孔徑小而受到應(yīng)用限制[75]；4）大多數(shù)MOF的粒徑為亞微米或微米級(jí)，直接將MOFs封裝到SPE柱中會(huì)導(dǎo)致較高的背柱壓，限制了MOF在SPE中的發(fā)展和應(yīng)用[17]。上述問(wèn)題的存在限制了MOFs在食品檢測(cè)中的應(yīng)用。因此在未來(lái)研究中想要充分利用MOFs優(yōu)異的性能，使其更廣泛應(yīng)用于食品檢測(cè)技術(shù)中，研究者可致力于以下幾個(gè)方面的研究：1）精確控制、調(diào)節(jié)MOF的結(jié)構(gòu)、大小及孔徑，制備高質(zhì)量、高穩(wěn)定性的MOFs；2）將MOFs與其他材料（如金屬納米顆粒、碳纖維、金屬氧化物、量子點(diǎn)、COFs、酶、適配體等）結(jié)合制備成MOFs復(fù)合材料，從而使MOFs在具有原有優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上獲得其他材料導(dǎo)電、發(fā)光、磁性、催化等優(yōu)異性能，這種方法能夠克服MOFs自身一些缺點(diǎn)，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍；3）將MOFs材料應(yīng)用于其他檢測(cè)技術(shù)中，如將MOFs應(yīng)用于表面增強(qiáng)拉曼光譜（surface-enhanced Raman spectroscopy，SERS）技術(shù)中制備SERS基底，可提高食品檢測(cè)過(guò)程中的穩(wěn)定性和靈敏度，或?qū)⑵渑c便攜式熒光檢測(cè)儀、微流控芯片技術(shù)、智能手機(jī)等設(shè)備相結(jié)合，開(kāi)發(fā)更加實(shí)用且便攜的產(chǎn)品，使其能夠應(yīng)用于實(shí)際生活中。食品安全一直是熱點(diǎn)話題，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便、靈敏、快速的現(xiàn)場(chǎng)食品檢測(cè)方法是大勢(shì)所趨，而將具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的MOFs材料與食品快速檢測(cè)技術(shù)結(jié)合，能夠提高檢測(cè)的靈敏度，使其在該領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。