综述：用于食品安全监测的金属有机框架：在外源污染物检测方面的进展

《Food Chemistry》：Metal-organic frameworks for food safety monitoring: advances in sensing exogenous contaminants

MOF材料因可调孔道、高比表面积及多功能性成为食品污染物快速灵敏检测的关键技术，通过光/电化学信号放大实现痕量分析，但仍需解决水稳定性、基质干扰及生物相容性等问题。

　　

王俊豪|宋飞|姜连洲|王红|李东泽|黄昭贤

海南大学食品科学与工程学院，海口570228，中国

摘要

快速、灵敏地检测食品中的污染物对于食品安全和公共卫生至关重要。金属有机框架（MOFs）因其可调的孔隙率、高表面积、丰富的活性位点以及多样的物理化学性质而成为领先的传感材料。基于MOFs的传感器的最新进展使得能够精确识别和量化重金属、农药、抗生素和有毒小分子等有害物质。它们的内在催化活性、信号放大能力和选择性结合显著提高了在复杂食品基质中的灵敏度、选择性和抗干扰性能。本综述重点介绍了MOFs在传感策略方面的最新进展，包括检测原理、材料设计和性能提升。同时，也讨论了当前面临的一些挑战，如水稳定性、生物相容性和基质效应。未来的发展趋势是朝着智能化、便携化和多功能传感平台的方向发展。本研究为推进基于MOFs的食品安全监测解决方案提供了理论和技术支持。

引言

食品中的外源性污染物——如农药残留、兽药残留、重金属离子和霉菌毒素——对全球食品安全和公共卫生构成了严重且日益严重的威胁（Mohan等人，2023年）。这些污染物在食品供应链中的广泛传播及其累积的健康风险凸显了迫切需要快速、准确且高度灵敏的检测技术（Guo等人，2023a年）。理想的检测平台应具备高灵敏度和选择性、低成本、快速响应能力，并适用于复杂食品基质的现场筛查。近年来，纳米材料凭借其独特的物理化学性质（包括纳米尺度尺寸、高表面积比和可调的表面化学性质）成为先进传感平台的强大推动力。其中，金属有机框架（MOFs）——由金属离子或簇与有机连接剂组成的结晶多孔材料——在食品安全监测中展现出巨大潜力，这得益于它们超高的比表面积、可调的孔结构、表面功能以及易于后合成修饰（Wu等人，2023年）。

MOFs的主要优势在于其高度可设计的孔微环境：通过精心选择金属节点和有机配体，可以精确调控孔径大小、几何形状和化学性质，从而实现对目标分析物的选择性识别（Q. Liang等人，2023年）。在传感器设计中，MOFs可以作为固定荧光探针、电活性物质或生物识别元件（如酶、抗体和适配体）的多功能基底（Z. Zhang等人，2024年）。它们还可以通过内在的光电性质或模拟酶的（纳米酶）催化活性来传递信号（Y. Zhang等人，2024年）。MOFs与目标分析物之间的相互作用会引发可测量的信号变化——如荧光淬灭/增强、电化学电流变化或比色转变——从而实现高灵敏度检测（J. Liu等人，2024年）。此外，许多MOFs对外部因素（如pH值、离子强度或光）具有响应性，使得传感性能可切换，从而提高选择性和抗基质干扰能力（J. Wang等人，2024年）。MOFs还越来越多地被用于样品预处理，作为固相萃取吸附剂，有效富集复杂食品样品中的微量污染物，从而提高后续分析的灵敏度和可靠性。当与其他纳米材料（如碳材料、量子点或聚合物）结合时，基于MOFs的复合材料可以形成具有协同性能提升的多功能传感界面（Alcázar-Escobedo等人，2025年）。

尽管具有这些优势，基于MOFs的传感系统在实际食品安全应用中仍面临诸多挑战（Ghorbani等人，2025年）。一个主要问题是许多MOFs在水环境或高离子强度环境中的化学和机械稳定性有限，这可能导致结构降解和性能下降，从而影响重复性和长期操作稳定性（Petromelidou等人，2025年）。提高稳定性的策略包括使用刚性配体、引入疏水功能基团以及构建复合或混合材料（Venkatesan等人，2025年）。此外，实现对结构相似污染物的超高选择性以及将MOFs集成到便携式、低成本和智能传感设备中仍是当前的研究课题（X. Guo等人，2025年）。为此，已经开发了多种基于MOFs的传感平台，包括荧光、电化学、比色和光电化学传感器，用于快速灵敏地检测各种食品污染物。然而，对MOFs的生物相容性和食品基质兼容性的系统评估仍不充分，需要全面评估金属浸出、纳米毒性和长期命运等问题，以确保这些材料不会引入二次污染或安全风险（Pavadai等人，2025年）。

本综述系统地探讨了MOFs及其复合材料在食品安全监测方面的最新进展，特别关注了MOF结构设计与传感机制与其在复杂食品基质中性能之间的关联。从食品化学的角度，本文批判性地讨论了材料设计策略、传感机制、分析性能、当前局限性和未来发展方向（图1）。该工作旨在提供理论指导和实践见解，以促进专为复杂食品系统定制的下一代MOF传感器的开发。

章节摘录

用于食品安全检测的MOF材料

在食品安全监测中，检测材料必须满足高灵敏度、选择性、抗干扰能力和在复杂基质中的稳定性等核心要求。MOFs凭借其高度可编程的特性，通过“自下而上”的理性设计策略实现了精确的传感界面构建。本节重点介绍在食品安全检测中表现出显著优势的MOF系列，而非列举所有材料。

电化学

电化学传感是MOFs在食品安全监测中的另一种主要检测机制（Venkatesan等人，2025年）。MOFs的高孔隙率、大比表面积和可调结构使其成为构建高性能电化学传感器的理想平台（Wang等人，2021年）。在这些平台上，MOFs通常具有多重功能：作为导电支架促进电子转移，作为催化纳米酶放大信号，以及作为多孔吸附剂

荧光传感器

荧光传感是MOFs在食品安全检测中最广泛应用的机制之一（Lone & Rohit，2025b）。其基本原理通常涉及MOF骨架本身的发光特性或向MOF孔中引入荧光探针，从而实现目标分析物的识别和后续信号传递。

比色传感器

比色传感是一种通过可见颜色变化来指示目标分析物存在的检测方法，具有高可视化性、操作简单性和低成本等优点（Sun等人，2025年）。在MOFs领域，这种机制主要表现为MOFs本身的颜色响应和基于MOFs的复合材料的比色效应。MOFs主要作为纳米酶催化剂参与比色测定，从而放大信号

基于MOF的传感器与传统分析方法的比较

为了系统评估基于MOF的传感器在现实食品安全监测中的潜力，有必要与传统的分析方法进行直接比较。本节对三类主要类型的MOF传感器（电化学、荧光和比色）以及两种广泛使用的传统技术（HPLC-MS/GC–MS和ELISA）进行了多参数比较，旨在突出每种方法的互补优势和局限性。

结论与展望

MOFs已成为推动食品安全和环境监测的关键材料。它们的结构特性——包括可调的孔隙率、高比表面积和多样的功能化——使其在吸附、催化降解和灵敏检测污染物（如霉菌毒素、农药和重金属）方面表现出优异性能。基于MOFs的传感平台已取得显著进展；例如，在电化学方面

CRediT作者贡献声明

王俊豪：撰写——原始草稿，研究。宋飞：验证，方法学，形式分析。姜连洲：可视化，资源管理，数据整理。王红：撰写——审稿与编辑，概念构思。李东泽：监督，项目管理，资金获取。黄昭贤：监督，资源管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了海南省科技专项资金（编号：ZDYF2025XDNY084 和 海南省国际科技合作计划（编号：GHYF2025001）的支持。