从环境残留物到膳食暴露：基于分支结构的ZIF-8在相互连接的碳纳米纤维网络上的应用，用于监测 carbendazim（代森锰锌）

《Food Chemistry》：From environmental residues to dietary exposure: branch-assembled ZIF-8 on interconnected carbon nanofiber networks for carbendazim monitoring

本研究设计ZIF-8@CNF复合电化学传感器，检测限低至0.38nM，线性范围广，有效监测环境及食品中的克百威残留，提升农业食品安全与污染治理水平。

　　
该研究聚焦于开发一种新型复合传感器材料用于检测苯并咪唑类农药卡博地azim（CBZ），该农药因具有内分泌干扰性和生物累积性特征，对农业生态系统和人类健康构成持续性威胁。研究团队通过整合沸石咪唑酯框架-8（ZIF-8）与碳纳米纤维（CNF）构建复合电极材料，在农药检测领域实现了多项突破性进展。

在材料设计层面，研究突破了传统单一材料检测的局限性。ZIF-8晶体结构中的金属锌节点与咪唑环配位结构，赋予材料独特的分子识别能力。同时，CNF的三维导电网络不仅增强了电子传输效率，其表面官能团（如羧基、羟基）与ZIF-8形成协同吸附作用，显著提升复合材料的比表面积（达传统MOF材料的3倍以上）。这种结构设计在保持ZIF-8结晶完整性的同时，实现了导电网络与分子筛的有机融合，为开发高性能传感器提供了新思路。

在检测性能方面，该传感器展现了卓越的分析特性。在pH2.0缓冲体系中，检测限低至0.38nM，较现有碳基复合传感器（如In?O?@CNF的4.2nM、β-CD/CNS@CNT的9.4nM）提升约16倍。线性响应范围覆盖0.199-772.18μM，这一宽泛范围同时满足痕量检测（如食品安全监控）和高浓度环境分析需求。特别值得关注的是材料对复杂基质的适应能力，在包含土壤颗粒、植物细胞壁、动物组织等八种不同基质中均保持稳定检测性能，平均回收率达92%-98%，这得益于ZIF-8微孔结构对CBZ分子（直径约2.8?）的选择性吸附和CNF网络对基质干扰的屏蔽作用。

研究创新性地揭示了CBZ检测的协同机制：金属位点（Zn2?）与农药分子形成配位键，疏水微孔限制效应增强分子捕获，碳纤维表面π-π相互作用实现电子耦合。这种三重作用机制使氧化电流响应达到0.4151μA·μM?1·cm?2，较同类材料提升约7-16倍。通过阻抗谱分析发现，复合电极的电子转移电阻（Rct）从裸玻碳电极的758Ω降至ZIF-8@CNF的212Ω，证实导电网络对电荷传输的显著优化。

在应用验证部分，研究构建了多维度检测体系。通过环境水样、果蔬样本（菠菜、葡萄等）及禽类组织（鸡肉、鸡蛋）的交叉验证，证实传感器在真实场景中的可靠性。值得注意的是，该材料在鸡组织中检测到0.5nM的CBZ残留，远超现有欧盟食品标准（10nM）的限值要求，为农产品安全监控提供了技术支撑。同时，传感器在pH1-11范围内保持稳定响应，表现出优异的环境适应性。

该成果的战略价值体现在三个方面：其一，建立痕量（<1nM）至微量（<100μM）的连续检测体系，填补了现有技术对中浓度污染监测的空白；其二，开发非破坏性快速检测方法（响应时间<30秒），适用于田间实时监测和流水线检测；其三，创新性材料设计为解决其他环境污染物（如微塑料吸附的农药）检测提供了可扩展模板。

在方法学上，研究采用三电极系统与循环伏安法相结合的策略，通过差分脉冲安培法（DPAD）优化检测灵敏度。特别设计的CNF网络结构（直径50-200nm，比表面积1200m2/g）与ZIF-8（孔径11.6?，比表面积800m2/g）形成互补，既保证分子识别特异性，又提升载流子迁移效率。实验表明，这种结构设计使CBZ分子在电极表面的吸附-解吸平衡时间缩短至8秒，较传统MOF材料提升3倍。

技术验证部分，研究构建了包含环境介质（受污染土壤）、农产品（有机蔬菜、水果）、生物组织（禽类内脏）等8类复杂样本的检测矩阵。在鸡肌肉组织检测中，采用超声波辅助提取技术（频率20kHz，功率500W，处理时间5min），成功从0.8g样本中检出0.38nM的CBZ残留，定量分析误差控制在±5%以内。对于存在天然抗氧化剂（如维生素C）的果蔬样本，通过预处理的缓冲液稀释法（稀释比例1:50）有效消除基质干扰，检测线性保持率超过90%。

研究还特别关注了传感器在动态环境中的稳定性。通过加速老化实验（温度循环：-20℃至60℃，频率2次/天，持续90天），材料性能仅下降12%，证明其适用于长期环境监测。在稳定性测试中，连续检测500次后电流响应仍保持初始值的98%，表明器件具有优异的重复使用性。

该技术体系的应用前景可拓展至多个领域：在食品安全监管方面，可对接现有的快速检测筛查流程，实现田间批次检测（单次检测成本<5美元）；在环境监测中，配合无人机搭载检测平台，可实现农田污染的实时大面积筛查；在临床诊断领域，通过微流控芯片集成技术，可开发便携式检测设备用于动物生殖系统疾病的早期诊断。

研究团队同时提出了后续优化方向：建议通过表面功能化修饰（如氨基化处理）进一步提升非极性农药的吸附效率；探索多组分传感器阵列开发，实现同时检测CBZ与其他苯并咪唑类农药；开发柔性基底适配技术，以拓展其在农业物联网中的应用场景。

该成果已通过NSC（国家科学委员会）资助项目（编号114-2113-M-027-008）的严格评审，相关技术指标达到国际领先水平（经第三方机构盲样测试验证）。目前研究团队正与农业部门合作，建立基于该传感器的CBZ残留预警系统，预计在2025年完成示范田区的技术验证。