《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Boronic acid-functionalized materials in food and environmental safety: Progress in design, synthesis, and sensing applications
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摘要随着食品和环境污染物的日益复杂，对于具有高灵敏度、快速响应以及对多种目标物具有稳健适应性的分析传感平台的需求日益增长。基于硼酸 - 顺式二醇相互作用的检测方法引起了广泛关注，因为它们提供了强结合亲和力、可定制的选择性、快速动力学以及与各种换能技术的兼容性。这使得它们成为开
摘要
随着食品和环境污染物的日益复杂，对于具有高灵敏度、快速响应以及对多种目标物具有稳健适应性的分析传感平台的需求日益增长。基于硼酸 - 顺式二醇相互作用的检测方法引起了广泛关注，因为它们提供了强结合亲和力、可定制的选择性、快速动力学以及与各种换能技术的兼容性。这使得它们成为开发高性能传感系统的有前景的基础。因此，大量研究集中在设计和合成用于检测食品和环境污染物的硼酸功能化材料 (BAFMs)。本综述总结了具有不同组成和形貌的 BAFMs 的概念设计和制造方面的最新进展，解释了这些结构特征如何影响它们的性能。此外，我们考察了针对主要污染物类别（包括致病微生物、农药残留、重金属、抗生素、真菌毒素和有机污染物）的 BAFM 基传感器的开发，利用了荧光、电化学和表面增强拉曼散射 (SERS) 平台。最后，我们概述了最近的挑战和未来展望，以指导具有优化性能的 BAFMs 的开发和具有增强分析能力的传感系统的工程化。总体而言，这项工作旨在支持敏感和可靠的污染物检测的持续进展，同时也促进这些技术向现实世界和商业应用的过渡。
引言
食品安全是影响人们生计和国民经济的重大国际关切。它需要有效的筛查来维持社会稳定、保障公众健康以及促进贸易和经济发展 [1], [2]。然而，随着现代食品供应链变得越来越复杂，涉及真菌毒素、致病细菌、重金属离子、兽药和农药残留以及添加剂，新挑战不断涌现，给当前的传感方法带来了重大困难。像高效液相色谱 (HPLC)[3]、质谱 (MS)[4] 和酶联免疫吸附测定 (ELISA)[5] 这样的传统诊断技术，由于其高准确度和灵敏度，被认为是食品安全和质量检测的参考技术。然而，这些方法通常需要昂贵的设备、复杂的程序、高水平的专业知识和漫长的处理时间，这限制了它们在及时检测和广泛监测中的使用 [6]。因此，迫切需要具有成本效益、创新和便携的检测技术，能够在不牺牲准确度或灵敏度的情况下进行现场、快速分析 [7], [8]。
借助材料科学和分析技术的快速发展，已开发出许多先进传感器，如电化学、荧光、比色、化学发光、ECL、SERS 和光电化学 (PEC) 传感器，用于各种污染物的选择性和灵敏检测 [9], [10], [11], [12]。在这些系统中，信号换能元件在决定分析功能方面发挥着关键作用。然而，一个重大挑战在于建立信号元件与目标分析物之间特异且稳健的相互作用，以实现高选择性和灵敏度。在这种情况下，硼酸 - 顺式二醇识别化学是传感器开发的重要策略。该策略以其可逆共价键合、广泛的识别能力、与多种传感模式的优秀适应性以及快速相互作用机制而著称 [13], [14], [15]。有趣的是，顺式二醇与硼酸之间的相互作用不会干扰硼酸功能化材料 (BAFMs) 或分析物的固有特性。这包括保留抗体、适体或分子印迹层对分析物的特异性识别；保持催化活性；以及保留 BAFMs 的功能特性，如发光、磁性、电化学活性和 SERS 性能。利用这些独特优势，一系列具有多功能特性的 BAFMs 已被工程化作为化学识别和信号换能单元，以构建高灵敏度和选择性的传感平台，用于食品和环境污染物的分析。通常，检测程序包括三个关键步骤：(i) BAFMs 的合理合成和设计，(ii) 创新传感策略的开发，以及 (iii) 将这些组件集成到功能性分析系统中。在这样的系统中，目标识别事件使含有顺式二醇的分析物能够结合到基底表面，随后通过硼酸 - 顺式二醇相互作用捕获 BAFMs。这种相互作用诱导可测量的信号变化，使污染物的定量分析成为可能。
尽管该领域的研究正在扩展，但当前的研究仍然是分散的，缺乏对 BAFM 设计、固有特性和传感器性能之间相互关系的全面理解。此外，尚未建立基于其组成对 BAFMs 进行分类并将这些分类与多种检测模式下的传感机制相关联的统一框架。为了解决这些差距，本研究提供了硼酸功能化材料 (BAFMs) 在环境和食品安全应用方面的全面且具有前瞻性的概述。我们全面突出了 BAFMs 合成和设计方面的最新进展，阐明了它们的内在特性，并批判性地考察了它们在各种传感方法论中的作用，用于准确和灵敏地检测污染物。此外，我们简要展示了如何使用硼酸修饰信号组件，以及如何通过催化、适体、分子印迹聚合物 (MIPs) 和抗体开发 BAFM 基传感器。这项工作旨在使读者深刻理解检测原理，并为新型高性能传感器的开发提供宝贵的理论指导。
章节片段
不同组分的 BAFMs
与其他材料不同，BAFMs 具有与含有邻二醇的物质结合的强大能力，使它们受到科学家在治疗、检测、富集分离和光催化方面的青睐 [16], [17]。BAFMs 代表一类功能材料，它们要么在分子结构中纳入硼酸，要么将硼酸附着在其表面 [18], [19]。迄今为止，采用了两种主要的合成方法：第一种涉及创建功能性
金属/金属氧化物功能化硼酸
如今，最常定义的 BAFMs 由金属氧化物和金属组成。据我们所知，已合成包含 Mn、Au、Ni、Pt、Al、Bi、Fe3O4 和 ZnS 的 BAFMs [26], [27], [28], [29]。
这些材料表现出卓越的电荷传输、电学、磁学和光学特性，使其非常适合开发用硼酸功能化的先进传感界面。除了作为支撑基底的传统作用外，这些无机材料还能实现有效的信号
BAFM 基化学传感器在食品安全和环境安全中的应用
由于硼酸与顺式二醇之间具有优异的特异性和强亲和力，BAFMs 作为信号指示剂在开发用于食品安全和环境安全的优异传感系统方面具有巨大的潜力和广阔的前景 [61]。迄今为止，设计 BAFM 基化学传感器主要有两种方法。第一种方法利用硼酸的吸电子性质和配位能力，其中目标分析物要么与之配位要么催化
结论与展望
快速的城市化、工业化以及新兴的环境问题加剧了食品安全担忧，促使研究人员为此做出巨大努力。在这种情况下，BAFM 基化学传感器比传统实验室方法具有相当大的优势，使其能够在基于农业的食品工业中潜在应用，具有高选择性、灵敏度和小型化。这项工作系统地简要概述了具有各种的 BAFMs 的合成
CRediT 作者贡献声明
Shreedhar M. Rao: 撰写 – 初稿，调查。Mirza R Baig: 撰写 – 初稿，调查。Feras Alnaimat: 撰写 – 初稿，可视化，调查。Asokan Vasudevan: 撰写 – 初稿，可视化，调查。Sandeep Kumar Shukla: 撰写 – 初稿。Navin Kumar Tailor: 撰写 – 初稿。M. M. Rekha: 撰写 – 初稿。Gulnoza Djakhangirova: 撰写 – 审查与编辑，撰写 – 初稿，监督，项目
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文中报告的工作。
Suleiman Ibrahim Mohammad|Asokan Vasudevan|Feras Alnaimat|Mirza R Baig|Shreedhar M. Rao|Gulnoza Djakhangirova|M.M. Rekha|Navin Kumar Tailor|Sandeep Kumar Shukla|Zyad Shaaban
研究人员，英迪国际大学，71800 森美兰，马来西亚
