综述：基于金属有机框架（MOFs）的酶和纳米酶生物传感器在农药检测中的应用

这篇综述系统总结了金属有机框架（MOFs）与天然酶/纳米酶复合材料的封装模式、催化机制及其在农药检测中的前沿应用，重点探讨了MOFs作为酶固定载体（enhanced stability）和模拟酶活性中心（nanozyme activity）的双重功能，为智能农业中农药残留的精准监测提供了创新解决方案。

　　

摘要

当代农业发展的核心趋势是智能农业的推进，而农药精准管理直接关系到作物健康与环境安全。传统农药检测方法面临操作复杂、耗时长等挑战，亟需开发高效检测技术。近年来，金属有机框架（MOFs）与酶/纳米酶复合材料的兴起，通过协同两者的催化活性和稳定性，显著提升了农药检测效能。本文系统梳理了MOFs封装天然酶的模式（如原位封装、表面固定）及其作为纳米酶的催化类型（氧化酶/过氧化物酶模拟），并详细评述了该类复合材料在农药检测中的应用进展，最后展望了未来发展方向。

引言

全球人口突破80亿的背景下，农药在保障作物产量同时，其残留管理成为双刃剑——用量不足导致病虫害失控，过量则引发环境污染与食品安全隐患。当前检测技术（如酶抑制法、免疫分析ELISA）虽具快速灵敏优势，却受限于稳定性差、成本高及田间便携性不足。酶作为生物催化剂虽具备高选择性，但天然酶易失活、纯化成本高，而纳米酶（如MOFs模拟酶）通过原子级活性中心设计可突破此瓶颈。MOFs凭借可调孔径、高比表面积等特性，既能作为"分子笼"保护天然酶，又能通过金属节点（如Cu²⁺/Fe³⁺）模拟过氧化物酶活性，实现农药分子的特异性识别与信号放大。

MOFs基酶/纳米酶复合材料的制备

MOFs基酶复合材料主要通过三种策略构建：

1. 原位封装：在MOFs生长过程中将酶包裹于晶格内，如ZIF-8封装乙酰胆碱酯酶（AChE），使其半衰期提升10倍；
2. 孔道浸润：利用MOFs介孔结构（如MIL-101）吸附酶分子；
3. 表面固定：通过氨基/羧基共价连接将葡萄糖氧化酶（GOx）锚定在UiO-66表面。

MOFs基纳米酶则依赖其金属簇的类酶活性：

• 含Cu的HKUST-1展现类漆酶活性，可催化有机磷农药的对氧磷转化为对硝基酚；
• Fe-MOFs通过Fenton反应产生·OH自由基，用于甲基对硫磷的比色检测。

农药检测应用

有机磷检测：乙酰胆碱酯酶（AChE）@ZIF-8复合材料中，MOFs保护酶免受pH/温度干扰，通过抑制率法检测敌敌畏（LOD达0.1 nM）。
除草剂传感：基于Ce-MOFs的纳米酶模拟过氧化物酶，催化TMB显色反应，实现草甘膦的荧光-比色双模检测。
现场检测设备：将MOFs-纳米酶固定于微流控芯片，结合智能手机图像分析，构建了莠去津的田间即时检测平台（检测时间<15 min）。

挑战与展望

当前面临三大瓶颈：1) 天然酶在复杂基质（如土壤提取液）中的活性保持；2) MOFs纳米酶对特定农药的选择性不足；3) 规模化生产成本控制。未来方向包括：开发仿生级联催化体系（如GOx&HRP共固定化MOFs）、人工智能辅助设计高特异性MOFs纳米酶，以及柔性电子器件集成技术。

结论

MOFs基酶/纳米酶复合材料通过"协同增效"策略，为农药残留监测提供了高灵敏、低成本的解决方案。随着材料设计与制造技术的进步，这类智能传感器将推动农业监测从实验室走向田间地头，最终实现"从分子到餐桌"的全链条安全保障。