综述：用于可持续农业与环境监测的金属 - 有机框架传感器：工程、机制及未来展望

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Metal–organic framework sensors for sustainable agriculture and environmental monitoring: Engineering, mechanisms, and future perspectives

　　

摘要
农业生态系统日益面临农药残留、重金属、兽药抗生素以及其他新兴污染物的挑战，这些污染物可能威胁食品安全、环境质量和可持续作物生产。传统分析方法通常受限于耗时的实验室操作、有限的便携性以及复杂环境和生物样品中的基质干扰，这些因素可能会降低现场条件下的分析可靠性。刺激响应型金属有机框架（MOFs）因其高比表面积、可调孔隙架构、结构多样性及可定制的物理化学性质，作为传感材料引起了广泛关注。这些特性可能促进高效的质量传输，改善电荷转移过程，并支持多样的分子识别机制，包括光诱导电子转移、F?rster 共振能量转移、内滤效应、配体至金属电荷转移、主 - 客体相互作用以及催化纳米酶放大。尽管 MOF 设计取得了迅速进展，但现有的综述主要根据目标分析物或检测模式对传感平台进行分类，对于框架工程如何影响传感性能和实际应用性的讨论相对有限。本综述提供了一个以机制为导向的视角，审视智能 MOF 基传感系统，探讨结构工程策略与分子识别机制之间的关系。文中批判性地讨论了农业监测、环境污染检测、多模态传感、智能手机辅助分析、人工智能辅助数据解读以及便携式诊断平台的最新进展，同时指出了当前的挑战和未来的研究机遇。提出的概念框架可能为智能、现场可部署的 MOF 传感系统的理性设计提供指导，并支持精准农业和可持续环境监测的未来发展。

引言
兽药抗生素、重金属和持久性农药在农业水系统中变得越来越普遍，由于其生物富集、持久性以及促进抗生素抗性微生物发展的作用，构成了重大的生态和环境风险（Sonkar 等，2025）。有毒农用化学品造成的农业径流和土壤污染已成为生态系统健康、食品安全和可持续作物生产的重大问题，需要高灵敏度的分析技术来协助农用化学品的精准环境监测（Nuruzzaman 等，2025）。虽然传统分析方法可以用于准确量化化合物，但它们通常是基于实验室的分光光度计，样品制备费力，仪器耗能高，且涉及破坏性提取程序，使其不适合快速、高通量的现场分析（Chen 等，2025）。此外，实际的农业环境非常复杂，腐殖质、天然色素、非目标蛋白质、悬浮固体和其他基质成分经常干扰信号产生，导致分析灵敏度下降和假阳性结果（Hazra 等，2020; Karimian 等，2019）。因此，开发具有高灵敏度、化学稳定性、快速响应能力以及在不同环境条件下可靠性能的可靠传感技术，对于可持续发展而言是一个重要问题。

MOFs 是最有前景的多孔晶体材料之一，能够解决这些分析挑战，这得益于其极高的比表面积、可调孔隙架构、丰富的配位化学以及可化学调节的金属节点和有机配体。这些结构特性使得能够理性设计多功能传感平台，具有增强的分子识别、受控的质量传输、催化活性和高效的信号转导（Karimian 等，2019）。MOFs 可以通过改变框架的拓扑结构、孔隙大小、配位环境和表面化学来进行分子水平的 designing，从而修改 MOFs 的物理化学性质，以满足农业领域的特定应用。因此，MOFs 在传感各种农业相关分析物领域展现了巨大的潜力，如兽药抗生素、农药、重金属、活性氧物种、植物代谢物和挥发性有机化合物，并使创建便携式、智能和现场可部署的传感平台成为可能（Chen 等，2025）。MOFs 的功能特性也得到了最近框架工程发展的增强，例如缺陷工程（Jiang 等，2025）、混合金属和混合配体架构（Karimian 等，2019）、分级孔隙构建、纳米尺度工程和表面功能化（Arul 等，2025）。这些变化影响了分析物的可及性、主 - 客体相互作用、电荷转移和催化活性，从而增强了复杂环境条件下的分析灵敏度、选择性、响应时间和操作稳定性。例如，非穿插 MOFs 的 Brunauer–Emmett–Teller（BET）比表面积大于 500 m2g?1，而 UiO-66 的比表面积接近 1180 m2g?1，提供了大量的吸附位点，并允许在传感过程中进行快速分子扩散（Feng 等，2019; Jiang 等，2025）。同样，富缺陷和复合 MOFs 增加了孔隙连通性和电解质扩散，混合价态金属中心促进了电子转移和催化反应，所有这些都增强了复杂环境条件下的传感性能（Chen 等，2025; Karimian 等，2019; Polyakov 等，2025）。

除了结构通用性之外，MOFs 可用于实现多种互补的传感机制，如光诱导电子转移、F?rster 共振能量转移、配体至金属电荷转移、内滤效应、主 - 客体相互作用和催化放大（Hazra 等，2020; He 等，2019; Sankhla 和 Kushwaha，2024）。将这些机制与合理的框架工程相结合，创造了非常灵敏和选择性的传感器，用于监测各种农业污染物。近年来，研究已从传统的荧光传感转向多功能分析平台，结合电化学传感和比色传感、基于智能手机的定量、便携式设备、无线通信以及人工智能辅助数据解读。这些进步大大提高了现场、实时环境监测和精准农业的实用性，允许用户友好的、数据驱动的和分析性决策（Chen 等，2025; Jaishi 等，2024; Yan 等，2022）。除了传感应用，MOFs 也已被广泛用于吸附、污染物修复、控释和货物递送，其中采用了相似的框架工程原则来实现不同的功能目标（Zheng 等，2026）。虽然传感平台旨在识别目标分析物并产生可测量的光学、电化学或其他分析信号，但修复和递送系统侧重于污染物去除、储存或活性成分的受控运输（Madsen 等，2026）。从这些多样化应用中获得的知識为 MOF 基传感平台的理性设计提供了宝贵的见解，以改善其在农业环境中的灵敏度、选择性、稳定性和实际应用性。

尽管取得了重大进展，但仍存在关键的知识差距。当前的综述主要侧重于基于待检测分析物或所用传感方法对 MOF 基传感器进行分类，而很少有研究专注于建立 MOF 工程、分子识别途径、信号转导和智能数据处理之间的机制关系。此外，将结构工程、多模态传感方法、便携式诊断和人工智能结合到单一的、实用的农业监测平台中的努力仍不成熟。因此，目前仍缺乏对理性设计 MOFs 的全面理解，这种设计控制着传感性能、分析可靠性和现场部署，限制了基于实验室的创新向实际农业技术的转化。因此，本综述提供了关于用于可持续农业和环境监测的智能 MOF 基传感系统的详细且基于机制的概述。它批判性地回顾了框架工程在分子识别、信号产生和传感性能中的作用，并回顾了污染物检测、多模态传感技术、便携式分析平台和人工智能诊断的最新发展。此外，本综述涵盖了最新的科学挑战、材料设计策略和未来的研究方向，并引入了一种将理性 MOF 设计与多模态信号产生、智能数据集成和精准农业决策联系起来的新的概念框架。本综述旨在整合互补的研究方向，并提供了构建全面的、现场可部署的、下一代 MOF 基传感平台的路线图，该平台能够实现可持续的农业管理和高级环境监测。

章节片段
MOFs 的结构多样性和可调性能
框架拓扑结构和孔隙架构控制着农业传感中的分析物可及性、质量传输和信号转导。通过将双聚集诱导发射（AIE）配体与 Cd2?或 Zn2?节点相结合，开发了四种具有不同结构特征的晶体框架（Jiang 等，2025）。框架 1（基于 Cd）结晶于正交晶系 Pccn 空间群，六配位 Cd2?节点形成一维 Cd–COO 链连接成

农药传感
发光 MOFs 是用于可视化追踪农用化学品残留的优秀平台，因为它们具有高度可调的电子属性（Bhattacharya 等，2025）。当与目标物接触时，发光猝灭和比率法路径给出高光学信号。例如，具有七配位镉节点的双配体系统可用于实现水中和作物表皮上十亿分之一级别 DCN 残留的超灵敏追踪（Jiang et

重金属
基于这些进展，最近的研究进一步将 MOF 基传感平台扩展到更广泛的环境污染物，包括重金属、抗生素、药物残留、内分泌干扰物和其他新兴污染物。这些应用展示了 MOF 工程的通用性，并为下一节讨论的智能多模态传感策略奠定了基础。有毒重金属是一个主要问题

荧光、电化学和比色传感
为了开发适用于现代数字农业的成功诊断工具箱，评估荧光、电化学和比色信号读出之间的不同操作平衡是很重要的（Abdelhamid 等，2025）。上述转导机制总结在基于 MOFs 的代表性传感平台的表 4 中。发光框架具有高灵敏度和视觉检测能力，它们可以检测纳摩尔或十亿分之一级别而无需

稳定性和鲁棒性
承受水分和苛刻 pH 水平的能力对于将 MOFs 传感器从受控的实验室环境转化为不可预测的现场应用至关重要。框架平台需要在存在环境径流或复杂作物提取物时抵抗化学降解。增强农业 MOFs 稳定性和现场性能的代表性方法总结在表 5 中。UiO-66 系列 MOFs 是基于锆的系统，它们是

现存科学挑战
MOF 传感器在农业中的商业化面临许多科学障碍。主要困难之一是大规模生产过程中的批次重现性。合成条件的微小变化可能会导致意想不到的结构缺陷、粒径分布变化以及表面电荷偏移，例如放大过程中的局部温度梯度和机械化学过程中的混合强度波动期间

结论
刺激响应型 MOFs 已成为多功能传感材料，对于可持续农业和环境监测具有相当大的潜力，这得益于其可调结构、多样的识别机制和可适应的物理化学性质。本综述重点关注框架工程的作用，如缺陷工程、混合金属和混合配体设计、分级架构、纳米结构和表面功能化，在分子识别、信号

CRediT 作者贡献声明
Irfan Haidri: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，可视化，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。
Muhammad Qasim: 写作 – 审阅与编辑，验证。
Qudrat Ullah: 写作 – 审阅与编辑，验证，形式分析。
Muhammad Ali Amir: 验证，概念化。
Waqas Haider: 验证，形式分析。
Hien Huu Nguyen: 写作 – 审阅与编辑，监督。
Athakorn Promwee: 写作 – 审阅与编辑，验证

资助
本研究未获得公共、商业或非营利部门资助机构的任何特定资助。

利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能影响本文报告的工作。

致谢
作者衷心感谢泰国瓦莱拉坤大学农业技术与食品工业学院的支持，该学院提供了对本工作完成至关重要的资源和设施。

Irfan Haidri|Muhammad Qasim|Qudrat Ullah|Muhammad Ali Amir|Waqas Haider|Hien Huu Nguyen|Athakorn Promwee
瓦莱拉坤大学农业技术与食品工业学院，泰国那空沙旺 80160