综述报告：MOF功能化纸基生物传感器在食品和环境污染物检测中的应用

作者及机构

本文由Danyi Huang（哥伦比亚大学化学工程系）、Haowei Ma（凯斯西储大学机械与航空航天工程系）、Jinli Wang（乔治城大学医学院流行病学与生物化学及分子与细胞生物学系）、Yuxuan Du（凯斯西储大学机械与航空航天工程系）和Runhan Li（北京大学-清华大学生命科学联合中心）共同撰写。文章发表于2024年9月的《Microchemical Journal》期刊。

研究背景

食品安全问题与食品工业的经济发展和公共健康密切相关，已成为全球关注的焦点。快速、准确的检测技术对确保食品安全至关重要。近年来，随着对快速检测和家庭检测需求的增加，即时检测（POCT）生物传感器取得了显著进展。纸基生物传感器因其成本低、操作简单、便携性强等特点，成为POCT生物传感器中的重要类别。为了满足日益增长的POCT需求，纸基材料的功能化变得尤为重要。金属有机框架（MOF）作为一种多功能多孔纳米材料，被广泛应用于纸基平台的构建，显著提升了检测性能和潜在应用价值。

本文综述了MOF功能化纸基生物传感器（MOF@paper）的最新进展和新兴趋势，涵盖了多种基底材料、构建技术、诊断应用及其机制。由于MOF@paper生物传感器的优异性能和多功能性，该领域在科学研究、食品安全和控制应用中展现出广阔的前景。

主要内容

1. MOF的结构与特性
   MOF是由金属离子或簇与有机配体通过配位键结合形成的多孔材料，具有高比表面积、可调节的孔隙结构和多样的物理化学性质。MOF的独特结构使其在生物传感应用中表现出优异的催化活性、光响应性和诊断效率。MOF的多功能位点使其能够作为生物分子的固定基质、信号转导器以及催化反应的催化剂。

2. 纸基生物传感器的基底材料
   纸基生物传感器的基底材料主要分为三类：裸纤维素纸、改性纤维素纸和非纤维素基底。裸纤维素纸因其低成本、生物相容性和可降解性被广泛使用，但其功能化能力有限。改性纤维素纸通过化学修饰增强了其表面特性，能够更好地固定生物分子。非纤维素基底如玻璃纤维和聚合物薄膜则因其优异的机械强度和耐腐蚀性，逐渐成为纸基传感器的替代材料。

3. MOF@paper生物传感器在食品安全分析中的应用
   MOF@paper生物传感器在食品安全检测中表现出优异的性能，特别是在电化学、比色法、表面增强拉曼散射（SERS）和化学发光等检测机制中。MOF的高比表面积和多孔结构使其能够高效富集目标分子，提升检测的灵敏度和选择性。例如，MOF@paper电化学生物传感器能够实现对重金属离子的高灵敏度检测，而MOF@paper比色传感器则通过颜色变化直观地检测农药残留。

4. MOF@paper生物传感器的挑战与未来展望
   尽管MOF@paper生物传感器在食品安全检测中展现出巨大潜力，但其应用仍面临一些挑战。首先，MOF的合成成本较高，且需要严格控制实验条件。其次，MOF的导电性和抗干扰能力较差，限制了其在电化学传感器中的应用。此外，MOF在潮湿或强酸强碱环境中的稳定性较差，可能影响传感器的长期使用。未来的研究应致力于开发低成本、高稳定性的MOF材料，并结合智能手机等便携设备，进一步提升传感器的实用性和商业化潜力。

研究亮点

1. 多功能性：MOF@paper生物传感器结合了MOF的多功能性和纸基材料的便携性，能够实现多种污染物的高灵敏度检测。
2. 高灵敏度：MOF的高比表面积和多孔结构使其能够高效富集目标分子，显著提升了检测的灵敏度。
3. 广泛应用：MOF@paper生物传感器在食品安全、环境监测和生物医学诊断等领域展现出广阔的应用前景。

结论与展望

MOF@paper生物传感器作为一种低成本、便携、高效的检测工具，在食品安全和环境监测中具有重要的应用价值。尽管目前仍面临一些技术挑战，但随着材料科学和纳米技术的不断发展，MOF@paper生物传感器有望在未来实现更广泛的应用，特别是在即时检测和现场监测领域。未来的研究应重点关注MOF材料的低成本合成、稳定性提升以及与便携设备的集成，以推动该技术的商业化进程。

参考文献

本文引用了大量相关文献，涵盖了MOF材料、纸基传感器、食品安全检测等领域的最新研究成果，为读者提供了丰富的参考资料。