金屬有機(jī)框架-等離子體金屬復(fù)合SERS平臺(tái)在化學(xué)傳感和食品污染物監(jiān)測(cè)中的研究進(jìn)展

導(dǎo) 讀

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院王芹志副教授

2023年1月23日，在國際TOP期刊(Q1, IF=16.744)上發(fā)表題為的綜述文章。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院本科生Kuan Chang和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)博士生Yijian Zhao為論文共同一作，本研究獲得了山東省青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)孵化計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金的支持。

該篇綜述文章系統(tǒng)介紹了基于MOF-PMPs的SERS平臺(tái)在化學(xué)傳感中的設(shè)計(jì)及制備策略，并討論了相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)和局限性。同時(shí)首次重點(diǎn)研究了這些平臺(tái)在食品污染物監(jiān)測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用。深入分析了MOF-PMPs在SERS監(jiān)控食品安全應(yīng)用過程中的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，并對(duì)構(gòu)建基于MOF-PMPs的SERS平臺(tái)在未來復(fù)雜食品基質(zhì)中的應(yīng)用提出了看法和建議。

增強(qiáng)平臺(tái)是表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)分析傳感的關(guān)鍵。金屬有機(jī)框架(MOFs)是一種新型多孔晶體材料，具有比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)可調(diào)、光電性能優(yōu)良，熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。近年來，MOFs與等離子體金屬粒子(PMPs)結(jié)合作為理想的SERS平臺(tái)(MOF-PMPs)逐漸受到傳感領(lǐng)域研究人員的關(guān)注。

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綜述亮點(diǎn)

　　全面介紹了MOF-PMP在化學(xué)傳感中的設(shè)計(jì)工程和合成策略。

　　系統(tǒng)總結(jié)了基于MOF-PMP的SERS平臺(tái)在食品安全方面的應(yīng)用進(jìn)展。

　　深入討論了MOF-PMP的挑戰(zhàn)、機(jī)遇和未來前景。

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結(jié)論與展望

　　本文系統(tǒng)性介紹了MOF-PMPs基底結(jié)合SERS技術(shù)在化學(xué)傳感中的不同結(jié)構(gòu)工程和合成策略，以及相對(duì)應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例。此外，還討論了不同MOF-PMPs基底的優(yōu)點(diǎn)和局限性。最后，重點(diǎn)總結(jié)了MOF-PMPs基底結(jié)合SERS技術(shù)在農(nóng)藥殘留、抗生素和毒素、非法食品添加劑、變質(zhì)食品揮發(fā)性氣體等多種食品污染物檢測(cè)方面的最新進(jìn)展。與傳統(tǒng)的等離子體金屬粒子和單獨(dú)作為傳感器的MOF相比，基于MOF-PMPs的SERS平臺(tái)既充分發(fā)揮了MOFs對(duì)小分子的預(yù)富集和分子篩分作用，又利用了PMPs的電磁增強(qiáng)(EM)和MOFs的化學(xué)增強(qiáng)(CEM)產(chǎn)生協(xié)同增強(qiáng)效能，使其具有靈敏度高、特異性好、準(zhǔn)確方便等特點(diǎn)，適用于食品污染物的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。盡管基于MOF-PMPs的SERS平臺(tái)在食品安全領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但仍有一些不足之處有待進(jìn)一步改進(jìn)。在未來的發(fā)展中，挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存:

　　(1)明確MOF-PMPs對(duì)小分子的富集和識(shí)別機(jī)制。目前，MOF-PMPs基底在食品污染物分析檢測(cè)中的適用性主要依賴于實(shí)驗(yàn)篩選，工作量大，效率低。如何設(shè)計(jì)或選擇合適的MOFs來高效識(shí)別不同尺寸、極性、電學(xué)性質(zhì)和官能團(tuán)的特定目標(biāo)分子是一個(gè)挑戰(zhàn)。同時(shí)，MOFs中心金屬與有機(jī)配體之間的增強(qiáng)機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

　　(2)實(shí)現(xiàn)食品中多種污染物的同時(shí)檢測(cè)。本文提供的大多數(shù)基于MOF-PMPs的SERS傳感平臺(tái)在單個(gè)食品污染物檢測(cè)領(lǐng)域具有明顯的效果。然而，很難提供一種同時(shí)檢測(cè)食品中多種污染物的高通量篩選基底。除了化學(xué)小分子外，研究人員還應(yīng)該更加重視對(duì)大多數(shù)食品樣品中的主要污染物食源性病原微生物的高效SERS監(jiān)測(cè)。

　　(3) MOF-PMPs的抗干擾性和可再生性有待進(jìn)一步提高。雖然MOFs-殼對(duì)PMPs-核有一定的保護(hù)作用，但分子式相似的干擾物質(zhì)會(huì)影響傳感器的靈敏度和精確度。將基于MOF-PMPs的SERS平臺(tái)與分子篩選、適配體技術(shù)、免疫分析、分子印跡技術(shù)等方法相結(jié)合，可有效提高基底對(duì)食品中靶分子的特異性和抗干擾性。此外，盡管少數(shù)基底可以通過有機(jī)溶劑洗滌實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用，但這種方法帶來的不可持續(xù)性和環(huán)境污染問題依然不容忽視。因此，開發(fā)綠色、環(huán)保、低能耗工藝，以提高M(jìn)OF-PMPs的可再生重復(fù)利用，降低使用成本是必要的。

　　(4)構(gòu)建食品安全領(lǐng)域SERS平臺(tái)的小型智能化設(shè)備。為了提高SERS傳感器實(shí)際應(yīng)用的可行性，設(shè)備的便攜化和小型化是SERS平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)。此外，借助二維碼、條形碼、智能手機(jī)識(shí)別等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，基于MOF-PMPs的SERS平臺(tái)在快速傳感領(lǐng)域和高效食品安全監(jiān)測(cè)方面具有巨大潛力。

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圖文賞析

　　圖1 基于MOF-PMPs的SERS平臺(tái)構(gòu)建及其在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用

　　圖2 基于MOF-PMPs的SERS平臺(tái)在食品安全中的應(yīng)用