《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Biomolecule-functionalized MOF for smart sensing of foodborne pathogenic bacteria: From design strategies to applications
编辑推荐：
•研究用于病原体智能检测的生物分子功能化MOF复合材料。•讨论常见的细菌识别元件及其识别机制。•介绍了MOF-生物分子材料的整合策略。•MOFs和生物分子的协同作用提高了传感器的稳定性、灵敏度和选择性。•为下一代生物传感系统的设计提供了框架。引言食源性病原菌会导致多种传染病，对全
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研究用于病原体智能检测的生物分子功能化MOF复合材料。
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讨论常见的细菌识别元件及其识别机制。
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介绍了MOF-生物分子材料的整合策略。
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MOFs和生物分子的协同作用提高了传感器的稳定性、灵敏度和选择性。
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为下一代生物传感系统的设计提供了框架。
引言
食源性病原菌会导致多种传染病，对全球公共卫生构成了持续的威胁（Thompson, 2022）。仅在美国，CDC估计每年就有约940万例食源性疾病病例，其中约1500例死于细菌感染（Walter等人，2025）。因此，早期和准确的检测对于有效治疗和控制疫情至关重要。尽管传统的细菌检测方法实验成本较低，但需要大型仪器，且耗时费力，无法满足快速诊断和及时治疗的需求（X. Ma等人，2021）。为了解决这些限制，已经开发了一系列先进的检测技术，包括光学生物传感器（H. T. Wu等人，2023）、电化学（EC）生物传感器（W. C. Hu等人，2021）和免疫测定（Y. Wang等人，2024），以满足对即时检测和高通量诊断日益增长的需求。无论具体的信号转换机制如何，这些生物传感平台都具有一个共同的特点：它们将识别元件与信号转换材料相结合，以实现目标特异性和检测灵敏度（J. Chen等人，2017）。识别元件，如抗体（Abs）、适配体（Apts）和核酸，通过抗原-抗体相互作用、适配体-目标结合或互补碱基配对来赋予特异性（Du等人，2024）。信号转换材料则放大检测信号，并决定整体的分析性能。
由于实际样品中的细菌浓度通常很低，因此高效的信号放大至关重要。在这种情况下，纳米材料成为强大的信号转换载体。纳米材料已作为强大的信号转换载体而出现（Zhang等人，2023a, Zhang等人，2023b；X. M. Meng等人，2023；Li等人，2023a, Li等人，2023b）。其中，金属有机框架（MOFs）是一类由金属离子/簇与有机配体配位形成的结晶多孔材料，因其高比表面积、可调的孔结构和丰富的功能化位点而受到特别关注（H. Wang等人，2020；Li等人，2020a, Li等人，2020b）。这些特性使MOFs能够高效负载生物分子并放大信号输出，使其成为生物传感应用的有希望的支架（Zhang等人，2022a, Zhang等人，2022b；Wang等人，2023a, Wang等人，2023b, Wang等人，2023c, Wang等人，2023d）。尽管具有这些优势，但在即时检测（POCT）中直接应用原始MOFs仍受到两个主要限制：在复杂生物基质中的结构不稳定性和缺乏内在的分子特异性。为了克服这些障碍，最近的研究越来越多地关注使用生物分子识别元件（包括Abs、Apts和其他生物受体）对MOFs进行合理功能化（H. Cai等人，2022）。由此产生的生物分子-MOFs（bio-MOFs）保留了生物受体的目标识别能力，同时利用了MOFs的信号放大、富集和结构可调性（Liang等人，2021）。Bio-MOFs作为构建智能传感平台的核心支架。通过将高特异性的生物传感元件与MOFs的可调信号转换能力结合起来，这些平台实现了催化放大、多模式信号输出和基于比例的自我校准等智能传感功能。这克服了传统基于模式的检测的局限性，满足了快速、高灵敏度和高可靠性的现场检测需求。
几篇最近的综述调查了MOFs在食品危害检测中的应用。2024年，Zhang等人总结了基于MOF的复合材料在食品危害检测方面的研究进展（X. Zhang等人，2024）。Du等人全面回顾了用于细菌检测和治疗的MOF集成策略（Du等人，2024）。2025年，Wu等人根据转换模式系统地对基于MOF的生物传感器进行了分类，包括EC、FL、比色法和表面等离子体共振散射方法，用于检测食品中的病原菌（Wu等人，2025）。2026年，Zhang等人回顾了用于生物传感的适配体功能化MOFs及其在环境污染物检测中的应用（Yifei Zhang等人，2026）。上述综述主要讨论了用于检测食源性病原菌的生物传感器或与MOFs集成的特定识别元件。然而，目前还没有系统性的综述专注于食源性病原菌，全面探讨bio-MOFs的合理设计及其在从分子识别机制到多模式传感应用中的应用。近年来，关于病原体智能传感的研究在bio-MOFs方面取得了显著进展。MOFs不仅作为固定生物分子的载体，还作为信号转换元件，增强信号输出。因此，有必要详细总结和展望bio-MOF复合材料的制定策略和传感应用，用于智能检测食源性病原菌。本文系统地回顾了MOFs的结构特性和与生物分子整合的策略，并分析了每种策略在保持生物活性、增强稳定性和放大信号方面的优缺点。此外，本文还重点介绍了bio-MOFs在病原菌检测领域的当前应用情况（图1）。通过系统总结bio-MOFs的结构-功能关系及其在细菌检测应用方面的最新进展，这篇综述旨在为基于bio-MOF的传感器的合理设计提供更深入的见解，并为准确检测食源性病原菌提供理论支持，从而推进食品安全监测和临床诊断技术的发展。
部分摘要
细菌中的分子识别元件
分子识别元件对于实现基于MOF的生物传感器中对病原菌的选择性和特异性检测至关重要。通过赋予MOF支架靶向能力，这些分子显著提高了检测灵敏度和特异性。利用细菌表面的生化特性，研究人员开发了多种识别元件。本节回顾了在基于MOF的传感器中使用的常见生物分子识别元件。
将MOFs与生物分子整合的策略
如上所述，MOFs的结构多样性为生物传感提供了一个有希望的支架。然而，将MOFs与生物分子识别元件合理整合是将其结构优势转化为功能性生物传感平台的关键。本节回顾了代表性的MOF结构、固定策略及其各自的优点，旨在指导基于MOF的生物传感器的合理设计。
bio-MOFs在细菌检测中的应用
由于具有独特的结构和功能特性，bio-MOFs可以作为多功能的细菌检测平台。通过将生物传感元件与MOFs的信号转换能力相结合，这些复合材料实现了多种生物传感模式。根据其信号输出机制，基于bio-MOF的细菌传感器可以分为四种类型：比色法、荧光（FL）、表面增强拉曼散射（SERS）和其他方法。
挑战与展望
尽管在开发用于检测食源性病原体的MOF-生物分子复合材料方面已经取得了一些进展，但仍存在许多挑战。
首先，需要进一步提高MOFs在复杂食品样品中的生物相容性和长期稳定性，以避免材料降解、聚集或非特异性吸附。一种解决方案是开发创新的合成方法来提高MOFs的精度和耐用性，例如通过
结论
总之，将MOFs与生物分子整合已成为一种新的范式，用于敏感和选择性地检测病原菌。通过将MOFs的独特物理化学性质与其识别特定生物分子的能力相结合，研究人员成功开发了一代新的bio-MOF探针。这种协同作用体现在以下几个方面：MOFs的多孔结构提供了高密度的固定平台和保护作用
CRediT作者贡献声明
Chenyu Xuan：撰写原始草稿、数据管理、概念构思。Xingguang Su：可视化、写作-审阅与编辑。Lening Zhang：数据管理、调查。Xu Yan：写作-审阅与编辑、概念构思、调查。Hongxia Li：写作-审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金（62371204）和吉林省自然科学基金（2024SCZ84）的财政支持。
Chenyu Xuan|Xingguang Su|Lening Zhang|Xu Yan|Hongxia Li
