金屬有機框架材料在食品檢測中應用的研究進展

李光華，劉 廈，康 凱，鄧素梅，康維鈞,*，高志賢,*

（1.河北醫科大學公共衛生學院，河北 石家莊 050017；2.軍事科學院軍事醫學研究院環境醫學與作業醫學研究所，天津市環境與食品安全風險監控技術重點實驗室，天津 300050）

食品安全問題是當今世界的熱點話題。食品污染會對人體造成急性、亞急性或慢性危害，給人們的健康帶來巨大威脅。食品的供應鏈復雜，涉及多個階段，包括種植、生產、加工、儲存等，每一個環節都可能受到有害物質的污染[1]。食品中污染物主要包括金屬離子[2]、農獸藥殘留[3-5]、環境有機污染物[6]、食品添加劑[7]等，這些污染物也可通過水進入食物鏈，直接威脅人體健康。構建檢測食品和水中污染物的方法在食品質量監測和確保食品安全方面起著至關重要的作用。傳統檢測食品中污染物的方法主要有色譜法[8-12]、毛細管電泳[13]、酶聯免疫吸附測定（enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA）[14]等，但這些儀器方法存在樣品前處理復雜、價格昂貴、操作費時費力等缺點。因此，開發操作簡單、快速、靈敏的食品污染物檢測方法具有十分重要的意義。

金屬有機框架（metal-organic frameworks，MOFs）是由金屬離子或金屬團簇與有機配體自組裝而成的新型多孔晶體材料[15]，是一個涉及無機化學、有機化學和配位化學等多學科的嶄新課題，是近十幾年來發展迅速的一種新型材料。常見MOFs的類型主要有網狀金屬有機骨架材料（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材料也在不斷發展。與其他材料相比，MOFs具有比表面積大、孔隙率高、骨架結構多樣以及骨架孔徑尺寸可調節等優點，在氣體存儲、吸附與分離[17]、傳感[18-19]、發光[20-21]、催化[22]等領域得到廣泛的應用。將MOFs作為傳感材料或樣品前處理材料應用于食品檢測，可以提高檢測靈敏度、降低成本、使操作簡單快速。本文綜述近些年來MOFs及其復合材料在食品檢測中應用的研究進展，包括作為傳感材料在傳感器檢測法中的應用和作為前處理材料在色譜法檢測前處理中的應用，旨在為其在食品安全領域的應用提供參考。

1 MOFs在傳感器檢測法中的應用

傳感器是能感受分析物并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，傳感器檢測法具有靈敏度高、操作簡單、成本低、響應速度快等優點，在食品檢測中得到廣泛應用。MOFs因其獨特的優點已經成為構建分析物傳感器的先進材料，使其參與到傳感系統進行檢測可進一步提高檢測器的靈敏度和縮短檢測時間。MOFs作為傳感材料已被廣泛應用于構建各種傳感器對食品中污染物進行檢測，包括電化學傳感器、熒光傳感器、比色傳感器等。

1.1 電化學傳感器

電化學傳感器因檢測靈敏度高、響應速度快、成本低等優點，已廣泛應用于食品檢測中。電極材料是構建新型電化學傳感器的關鍵[23-24]。MOFs具有比表面積大、易于改性、結構多樣等優點，是電極表面改性的理想材料，能夠提高電化學傳感性能。為了克服MOFs導電率低、電活性弱等缺點，將MOFs與多功能材料結合，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的復合材料，以提高電極的導電性。Hu Mei等[25]將血紅素（hemin）封裝在Fe-MIL-88NH2中設計了一種以hemin＠MOFs/AuPt復合物為信號放大平臺的間接競爭電化學免疫傳感器（圖1A），用于檢測食品中的馬杜霉素（maduramicin，MD）。在該競爭體系中，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，當不存在MD時，抗MD抗體（Ab1）會結合固定的MD-BSA抗原，通過標記辣根過氧化物酶（horseradish peroxidase，HRP）的抗Ab1抗體（Ab2）結合hemin＠MOFs/AuPt-Ab2-HRP/HRP生物探針。hemin＠MOFs具有催化活性高、穩定性好、比表面積大等優點，可用于負載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可協同催化還原H2O2，顯著放大電流信號。當存在MD時，與固定的MD-BSA抗原發生競爭免疫反應，生物探針產生的電流信號降低，實現MD的間接競爭檢測，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。與傳統電化學傳感器相比，該方法的靈敏度高，在實際應用中表現出良好的性能。SunYujiao等[26]以科琴碳黑（ketjen black，KB）/二茂鐵（ferrocene，Fc）雙摻雜MOF（Fc-KB/ZIF-8）為基礎研制了一種雙信號輸出模式的比率型電化學適配體傳感平臺以選擇性檢測香蘭素。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Au-S偶聯將AuNPs與香蘭素DNA適配體結合；在改性GCE時，加入6-巰基-1-己醇（6-hydroxy-1-hexanethiol，MCH）占據沒有與香蘭素DNA適配體結合的AuNPs其他活性位點，避免非特異性結合。香蘭素與附在AuNPs上的適配體結合形成香蘭素適配體復合物（圖1B）。在復合過程中，香蘭素有規律地增加峰值電流強度（Ivan，響應信號），摻雜到ZIF-8中的Fc峰值電流強度（IFc，參考信號）的變化可忽略不計。通過繪制香蘭素濃度與比值（Ivan/IFc）的線性關系，可靈敏、高效地檢測香蘭素，檢測線性范圍為10～200 nmol/L，LOD為3 nmol/L。這種雙信號輸出模式的傳感器克服了單信號模式檢測穩定性低、重復性低的缺點，可校正背景信號的影響，提高了檢測的精密度。Hua Yue等[27]首次用硼氫化鈉（NaBH4）還原Cu-MOFs制備銅納米復合材料（copper nanocomposites，Cu-NCs）修飾電極，在Cl-存在下，建立了一種同時測定組胺（histamine，HTA）和組氨酸（histidine，His）的電化學傳感器（圖1C）。修飾在電極上的Cu-NCs中的Cu0電化學氧化為Cu+，與溶液中的Cl-反應，在電極上形成CuCl固體。CuCl固體被電化學氧化生成CuCl2，在反向陰極電位循環中進一步還原為CuCl。因此在低電位（約-0.10 V）下能顯示出穩定的固體CuCl電化學氧化峰。當存在HTA或His時，由于Cu2+與HTA或His的相互作用較強，CuCl轉化為CuHTA或CuHis復合物，固體CuCl的電化學氧化峰電流將增加。該傳感器可避免背景電活性物質干擾，選擇性強，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＠mC）、共價有機骨架（covalent organic frameworks，COFs）石墨烯氣凝膠（graphene aerogel，GAs）、氧化石墨烯（graphene oxide，GO）、金屬離子等結合制備成MOFs復合材料修飾電極，應用于電化學傳感器對食品污染物進行靈敏檢測，如表1所示。

表1 MOFs在電化學傳感器食品檢測中的應用Table 1 Application of MOFs in electrochemical sensors for food detection

圖1 MOFs在電化學傳感器中的應用Fig. 1 Application of MOFs in electrochemical sensors

1.2 光學傳感器

光學傳感器依據光學原理進行檢測，因顏色變化易于觀察和檢測，被認為是最有效的檢測方法之一，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在快速檢測食品污染物方面的潛力，開發和研究基于MOFs的熒光和比色傳感器檢測技術在食品安全和公共衛生領域具有重要意義。

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進行光學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的孔隙率，在熒光傳感檢測食品污染物中具有潛在的應用前景[36]。污染物與MOFs相互作用引起熒光猝滅從而實現對污染物的檢測。一般來說，污染物對MOFs的熒光猝滅機理主要有以下幾個方面[37-39]。1）熒光共振能量轉移（fluorescence resonance energy transfer，FRET），當熒光團的發射光譜與受體的吸收光譜重疊時，發生FRET。2）光誘導電子轉移（photoinduced electron transfer，PET），PET機制取決于MOFs和分析物的最低未占據分子軌道（lowest unoccupied molecular orbital，LUMO）的能級，當MOFs的LUMO能級高于被分析物的LUMO能級時，MOFs的激發電子可以轉移到被分析物的LUMO，導致熒光猝滅。3）分析物與MOFs之間激發光的競爭。這種機制的運作依賴于分析物的吸收光譜和MOFs的激發光譜之間的重疊，分析物與MOFs競爭激發光能量，使MOFs發生熒光猝滅。4）動態/靜態猝滅機理。MOFs是檢測獸藥的良好材料，在監測動物源性食品中藥物殘留方面具有潛在的應用價值。Wang Bin等[37]設計并合成了一種新的化學穩定發光Al-MOF，通過以上4 種熒光猝滅效應實現對6 類15 種常用獸藥的高效廣譜檢測，被測獸藥對該MOFs的猝滅效率均在82%以上，LOD低。近些年來，人們在不斷探索MOFs在快速檢測農藥方面的潛力。He Kaiyu等[34]合成了一種具有強吸附性和高發光性的水穩定鋯基發光MOF（zirconium luminescent MOF，Zr-LMOF），甲基對硫磷可通過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，在農產品表面加入Zr-LMOF懸浮液，在紫外光照射下出現視覺信號從而實現甲基對硫磷的快速靈敏原位檢測（圖2A），該方法檢測的線性范圍為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（nanosized carbon dots，CDs）和EuMOFs為熒光中心研制一種多信號的可穿戴手套式熒光傳感器（圖2B），對食品中毒死蜱（chlorpyrifos，CP）進行檢測。EuMOFs和CDs對CP有不同熒光響應，CP與EuMOFs的有機配體競爭吸收光源能量，降低能量從配體轉移到Eu3+的概率，猝滅Eu3+的熒光，Eu3+的發光強度隨CP濃度增加而逐漸降低，而CDs的發光強度不受影響。該傳感器檢測的線性范圍為5～40 μmol/L，LOD為89 nmol/L。這種在食品污染物表面進行定量及定性熒光檢測的方法響應速度快（30 s），可實現肉眼檢測，且這種便攜式裝置的檢測過程方便、可靠。Lian Xiao等[41]制備了一種以2,2’-聯吡啶-5,5’-二羧酸（H2bpydc）為配體的鉿基發光MOFs（Eu＠UiO-67(Hf)-bpydc），利用Hf12團簇的反應性和Eu3+的發光特性制備傳感器并對甲基膦酸（methanephosphonic acid，MPA）進行檢測。猝滅是由于分子動態碰撞引起，當激發態發光中心與MPA分子碰撞時，發生電荷轉移，并產生一種弱熒光的中間激基復合物，導致熒光猝滅（圖2C），該MOFs卓越的傳感性能促使傳感器能夠檢測廢水中痕量的MPA，LOD為0.4 mg/kg。除此之外，一些非發光MOFs還可作為熒光猝滅劑應用于熒光傳感器。Liu Sha等[42]提出了一種6-羧熒光素（6-carboxyfluorescein，FAM）熒光染料標記適配體和鋯基-卟啉MOFs（PCN-222）作為熒光猝滅劑的比率熒光傳感平臺，用于氯霉素（chloramphenicol，CAP）的高效檢測。PCN-222吸附FAM標記適配體，通過FRET和PET猝滅FAM熒光，當CAP存在時，FAM標記適配體從PCN-222表面釋放出來熒光恢復（圖2D）。PCN-222熒光發射不受CAP濃度影響，以此為參考信號建立比率熒光傳感器檢測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，據此構建傳感器用于檢測CAP、催產素（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）系統進行無酶信號放大，在DSBTR系統中，采用了兩個帶有大量DNA探針的攪拌棒來增強信號，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。目標物可觸發Y-DNA解體。cDNA在與目標物結合后從桿1上分離，并與桿2上的ssDNA反應以釋放目標，之后目標將進入下一個周期從而實現信號放大（圖2E）。熒光團（S）標記的ssDNA作為信號探針（P），其發光被Cu-TCPP猝滅，aDNA可與P結合形成雙鏈DNA，Cu-TCPP對雙鏈DNA沒有猝滅效應，熒光強度顯著增強。該方法對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、長程熒光猝滅性和生物分子識別性等優點，推動了生物分子探測技術的創新，且相較于普通熒光探針只能改變熒光強度，該探針在探測不同目標時可顯示不同顏色的熒光。Mehta等[44]將6 組氨酸標記的有機磷水解酶（hexahistidine-tagged organophosphorus hydrolase，OPH6His）共價固定在UiO-66-NH2上，與游離態相比，酶活力提高了近40%。以酶MOF復合物為生物探針，催化有機磷農藥（organophosphorus pesticides，OPPs）水解為對硝基苯酚（p-nitrophenol，PNP）。PNP的形成量與農藥濃度成正比，而PNP可通過FRET效應使熒光報告分子香豆素發生熒光猝滅，據此構建熒光傳感器對農藥進行檢測，該傳感器可檢測到的農藥質量濃度非常低，LOD為10 ng/mL。使用過的OPH6His/UiO-66-NH2生物材料易于再生，并可重復使用多次。

圖2 MOFs在熒光傳感器中的應用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便、易于觀察等優點得到廣泛應用。酶可以在適當的條件下特異催化化學反應，經常被應用于比色傳感器中[45]。但天然酶或一些人工酶存在成本高、穩定性低等缺點，開發新的替代酶受到廣泛關注[46]。MOFs材料具有豐富的活性位點和可設計的結構，非常適合作為開發納米酶的候選材料。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域的重要材料。目前已探索了多種具有類酶活性的MOFs并應用于水和食品檢測。Luo Linpin等[22]報道了一種具有過氧化物酶和氧化酶活性的以混合價鈰為金屬中心的新型MOFs（Ce-bpydc），據此建立了以3,3’,5,5’-四甲基聯苯胺（3,3’,5,5’-tetramethylbenzidine，TMB）為顯色劑的比色傳感平臺用來檢測食品中的抗壞血酸（ascorbic acid，AA）。Ce-bpydc催化TMB從無色變為藍色，藍色oxTMB可在AA的參與下還原為無色TMB，線性范圍為1～20 μmol/L，LOD為0.28 μmol/L。該方法中MOFs合成簡單、納米酶活性高、穩定性好，且具有操作簡便、靈敏、準確的優點。同樣Tan Hongliang等[47]通過對Cu-MOF前驅體熱分解誘導碳化，制備了有過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合材料（Cu-NPs＠C），在H2O2存在下催化TMB，構建比色傳感平臺檢測AA，線性范圍為10～103μmol/L，LOD為1.41 μmol/L。Li Jie等[48]開發了Fe-MIL-53-適配體-TMB-H2O2比色傳感平臺，通過計算CAP質量濃度與MOF催化活性降低程度之間的關系來檢測水中CAP質量濃度。AuNP強化的抗生素適配體可獲得高達86%的信號增量。Fe-MIL-53帶正電荷，而CAP-AuNP適配體結合物帶負電荷，包覆在Fe-MIL-53表面，抑制其催化H2O2氧化TMB，LOD為8.1 ng/mL。該傳感平臺具有普遍適用性，通過改變適配體的類型可對其他抗生素進行檢測且都顯示出較高的靈敏度和選擇性。Zhu Nuanfei等[49]設計了一種靈敏的HRP比色免疫傳感器用于檢測痕量鄰苯二甲酸二丁酯（dibutyl phthalate，DBP）。當DBP存在時，與抗DBP抗體（Ab1）結合，該抗原抗體復合物捕獲Cu-MOFs標記的抗Ab1抗體（Ab2），Cu-MOFs用于信號放大，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+進一步被還原為Cu+，Cu+與HRP發生反應，破壞HRP的結構，抑制TMB底物的氧化，TMB顯色反應發生明顯變化（圖3A）。在優化條件下，該傳感器的LOD為1.0 μg/L，是相同抗體常規ELISA法的1/60。此外，該方法還顯示出良好的準確性和重現性。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骨架（CeO2NRs-MOF），用于水中Cr6+比色傳感檢測。MOF在CeO2納米棒表面的原位生長增強了其氧化酶活性。在微量Cr6+存在下，顯著促進CeO2NRs-MOF催化TMB氧化為藍色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]制備了具有過氧化物酶活性的PtNP＠UiO-66-NH2復合材料，可催化H2O2氧化TMB發生顯色反應。該復合材料可吸附Hg2+，Hg2+與PtNP特異性相互作用，抑制了Pt-NP＠UiO-66-NH2的過氧化物酶樣活性（圖3C）。據此開發了靈敏的比色傳感系統檢測和吸附水中的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，UiO-66-NH2的均勻多孔結構使PtNPs具有良好的分散性，吸附容量大，反應物和產物易于通過孔進出。Zhang Jianwei等[52]發現兩種具有過氧化物酶活性的鐵（III）基MOF（MIL-68和MIL-100），可催化氧化不同的過氧化物酶底物，據此建立靈敏比色傳感器測定H2O2和AA。當H2O2存在時，MIL-68和MIL-100催化TMB氧化用于H2O2比色測定分析（圖3D），AA可有效抑制MOFs對鄰苯二胺的催化氧化，使溶液顏色發生改變從而對AA濃度進行檢測。基于MIL-68和MIL-100的比色傳感器對AA濃度檢測的線性范圍為30～485 μmol/L，LOD為6 μmol/L。

圖3 MOFs在比色傳感器中的應用Fig. 3 Application of MOFs in colorimetric sensors

2 MOFs在色譜法檢測前處理中的應用

除傳感器檢測法，儀器分析方法因檢測靈敏度和準確度高、穩定性好等優點，在食品安全領域得到廣泛應用，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-質譜聯用法（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）、高效液相色譜-質譜聯用法（high performance liquid chromatography-mass spectrometry，HPLC-MS）等[53]。但由于食品基質復雜、污染物在食品中存在濃度低等問題，在儀器分析前對復雜樣品基質中痕量或超痕量樣品進行適當前處理是關鍵，因此開發簡便快速、提取效率高的樣品前處理方法具有重要意義。固相萃取（solid-phase extraction，SPE）因具有操作簡單、環境友好、高效富集、回收率高等優點被認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用于SPE[54]和由SPE衍生出來的多種新樣品前處理技術中，如固相微萃取（solid-phase micro extraction，SPME）[55]、磁性固相萃取（magnetic solidphase extraction，MSPE）[56]、攪拌棒吸附萃取（stir bar sorptive extraction，SBSE）[57]等。以下主要介紹了MOFs及其復合物材料作為吸附劑在色譜法檢測樣品前處理技術中的應用。

2.1 固相微萃取

SPME是20世紀90年代興起的一種新穎的樣品前處理與富集技術，集采樣、萃取、濃縮、進樣于一體，溶劑消耗少，在食品分析中得到廣泛應用。纖維表面涂覆的SPME涂層是提高萃取性能的關鍵，MOFs及其復合物作為涂層材料被廣泛應用于SPME。金屬氮化物框架（metal azolate frameworks，MAF）作為MOFs的一個亞科，因其特殊的結構和顯著的吸附選擇性，在有機揮發物分析中受到了廣泛的關注。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技術對多環芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）進行提取。MAF-66是一種具有潛在應用前景的PAHs吸附劑，其可透過通道和配位納米空間使PAHs很容易進入位于空腔內的“選擇性活性位點”，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PAHs有較強的吸附作用。在最佳實驗條件下，采用GC對提取的PAHs進行分析，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，且優化后的涂層具有優異的熱穩定性和機械耐久性。E-MOF-5納米級的孔徑適合于分子尺寸小于1 nm的雌激素捕獲，另外它的表面基團可以與含有苯環和羥基的雌激素相互作用。據此建立SPME-LC法同時檢測乳品中的4 種雌激素，LOD為0.17～0.56 ng/mL。其SPME操作重復次數超過120 次，對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）有機聚合物整體柱，該整體柱為其結構提供了一個小的介孔（來源于MOF）和大的通孔（來源于聚合物），其中，小的介孔提供足夠的表面積以保持溶質的存在，而大的通孔允許流動相流過固定相。將該聚合物整體柱應用于SPME對青霉素進行提取，提取回收率在90.5%～95.7%之間，通過HPLC法對牛奶中的青霉素進行分析，LOD為0.06～0.26 g/L。Zhang Suling等[61]合成了MOF-199/GO復合材料涂層纖維，將其應用于8 種有機氯農藥的SPME，并進行了GC分析，LOD為2.3～6.9 ng/L。該復合材料纖維結合了MOFs高孔隙率的優異性能和GO獨特的層狀結構，具有良好的熱穩定性、高孔隙率和較長的使用壽命（可重復萃取140 次），對農藥的吸附親和力較單獨MOF和GO增強。Pang Yachao等[62]在合成NH2-MIL-125過程中引入石墨氮化碳（g-C3N4）作為模板，通過碳化制備了含氮金屬有機骨架多孔碳（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對水樣中的5 種PAHs進行萃取；通過不同方法制備的MOFs或MOFs復合物纖維涂層具有比表面積大、吸附容量大、熱穩定性好、機械穩定性高等優點，已被越來越多地應用于SPME技術中。

圖4 MOFs在固相微萃取中的應用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的一種固相萃取技術，被吸附的分析物可通過磁場從樣品基質中分離[64]。這種預處理方法是基于磁性吸附劑在液體樣品中通過漩渦或搖動的方式分散，增大分析物與吸附劑之間的接觸面積，實現快速的物質轉移，并在短時間內保證較高的萃取效率[65]。MSPE的優點是分離方便快捷、操作簡單，大大縮短了樣品預處理時間。MOFs可作為樣品前處理材料應用于MSPE。Liu Guangyang等[66]通過在Fe3O4-GO納米復合材料表面制備MOF層并與β-環糊精（beta-cyclodextrin，β-CD）分子結合，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分析測定，LOD為0.25～1.0 μg/L，加標回收率為74.13%～119.83%。將MOFs與Fe3O4-GO結合可以提供剛性的納米支撐界面，從而提高其耐水性和機械強度。此外，MOFs由于具有碳含量高、比表面積大、孔容大等優點，是碳化過程中理想的模板劑和良好的碳前驅體。Li Dandan等[67]以氧化鋅納米顆粒（ZnO-NPs）、Co(OH)2和2-甲基咪唑為原料，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構和磁性，化學穩定性好，對OPPs具有較高的選擇性和提取效率。良好的萃取性能主要歸因于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定，能有效避免由于磁性材料結構不穩定而造成的目標分析物的損失。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MOFs相比，雙金屬MOFs因具有更高的結構穩定性、更豐富的吸附活性位點、出色的回收穩定性而越來越受到關注。Wang Yang等[68]以Co/Ni-MOF為前體經氮氣煅燒，制備三維磁性多孔碳微球（3D-Co/Ni＠C），該復合材料對擬除蟲菊酯類農藥具有優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法測定實際樣品中的醚菊酯和聯苯菊酯（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7 種三嗪類除草劑進行MSPEHPLC檢測，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苯（polychlorinated biphenyls，PCBs）的MSPE吸附劑，用GC-MS法對樣品進行分析，LOD為1.07～1.57 ng/L。由此可見，通過將磁性納米復合材料封裝到MOFs中或將功能識別分子嫁接到MOF外表面來合成雜化MOFs，再將其應用于MSPE，可提高MOFs對目標物的吸附能力和特異性識別能力。

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、重現性好、不使用有機溶劑等優點越來越受到關注。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技術已廣泛應用于食品復雜樣品中痕量污染物的富集和測定。然而，市面上可買到的SBSE涂層，如PDMS、乙二醇-有機硅和聚丙烯酸酯等通常對目標具有低選擇性，極大地限制了在復雜食品基質中的應用。因此，開發具有選擇性涂層的攪拌棒對SBSE富集目標物具有重要意義。MOFs以其獨特的結構和性能，如高比表面積、良好的熱穩定性、結構多樣性等，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結合（PDMS/Al-MIL-53NH2）的涂層纖維，PDMS/MOFs包被攪拌棒的制備重復性好，同批內相對標準偏差（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新方法測定環境水樣中PAHs，LOD為0.05～2.94 ng/L。與其他方法相比，本方法萃取時間（20 min）和解析時間（10 min）短，提取效率高，線性范圍寬，具有很好的應用潛力。Hu Cong等[73]建立了PDMS/IRMOF-3涂層包被攪拌棒的SBSE-HPLC法檢測水體中7 種目標雌激素新方法，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（對苯二甲酸）與PCBs芳香環之間的π-π相互作用。據此建立了SBSE-GC-MS聯用法檢測6 種PCBs，LOD為0.061～0.096 ng/g。但是通常攪拌棒涂層對目標沒有選擇性，大多數涂層會將分析物與其他共存的不需要的有機污染物一起提取，嚴重影響定量分析結果。因此開發具有高選擇性的攪拌棒涂層具有重要意義。為提高SBSE對分析物的選擇性，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]研究了一種簡單、高選擇性的適配體SBSE，能夠與GC-MS結合用于對魚類樣品中PCBs的選擇性富集和測定。在MOF-5(Zn)上固定識別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，簡單地在SBSE纖維上制備功能化涂層是有效提取復雜基體樣品中超痕量目標的關鍵，而MOFs的合成方法簡便，將MOFs及其復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PCBs的提取能力[57]Fig. 6 Extraction capacity of different MOFs to polychlorinated biphenyls[57]

3 結 語

MOFs是近些年發展起來的一種新興材料，具比表面積大、孔隙率高、孔的尺寸可調、表面可修飾等優點，在食品安全、環境監測、生物醫學等領域受到重視。MOFs已成功應用于電化學、熒光、比色傳感器和色譜法前處理中檢測食品污染物，具有操作簡單、響應速度快、靈敏度高、成本低等優點。但MOFs在食品檢測中的應用仍處于初級階段，存在一定的不足之處：1）MOFs的導電性差，直接應用其作為電極材料受到限制[32-33]；2）MOFs的水穩定性差，大多數報道的發光MOFs容易在其節點或金屬配體處水解，水解會產生質子化連接物和氫氧化物金屬節點[34]，最終導致MOFs的結構坍塌；3）具有酶活性的MOFs作為催化劑對物質進行檢測時，其催化活性、選擇性低，環境耐受性差[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定性和催化活性，但這一策略又由于MOFs的孔徑小而受到應用限制[75]；4）大多數MOF的粒徑為亞微米或微米級，直接將MOFs封裝到SPE柱中會導致較高的背柱壓，限制了MOF在SPE中的發展和應用[17]。上述問題的存在限制了MOFs在食品檢測中的應用。因此在未來研究中想要充分利用MOFs優異的性能，使其更廣泛應用于食品檢測技術中，研究者可致力于以下幾個方面的研究：1）精確控制、調節MOF的結構、大小及孔徑，制備高質量、高穩定性的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、COFs、酶、適配體等）結合制備成MOFs復合材料，從而使MOFs在具有原有優點的基礎上獲得其他材料導電、發光、磁性、催化等優異性能，這種方法能夠克服MOFs自身一些缺點，擴大其應用范圍；3）將MOFs材料應用于其他檢測技術中，如將MOFs應用于表面增強拉曼光譜（surface-enhanced Raman spectroscopy，SERS）技術中制備SERS基底，可提高食品檢測過程中的穩定性和靈敏度，或將其與便攜式熒光檢測儀、微流控芯片技術、智能手機等設備相結合，開發更加實用且便攜的產品，使其能夠應用于實際生活中。食品安全一直是熱點話題，開發簡便、靈敏、快速的現場食品檢測方法是大勢所趨，而將具有獨特結構的MOFs材料與食品快速檢測技術結合，能夠提高檢測的靈敏度，使其在該領域得到更廣泛的應用。