综述：基于金属有机框架的传感器用于食品安全与质量分析：对分析性能、方法论差距及实际转化的批判性评估

《Microchemical Journal》：Metal-organic framework-based sensors for food safety and quality analysis: A critical assessment of analytical performance, methodology gaps, and practical translation

　　

•针对所有平台上的五个目标分析物进行了 MOF 传感器性能基准测试。
•LOD 计算、干扰测试和验证协议经过审计。
•评估了可移植性、可扩展性和生物安全性方面的转化障碍。
•综合建议提供了标准化的验证框架。

引言

食品安全已成为全球公共卫生的关键优先事项，这由食品供应链日益复杂的状况以及化学和生物危害的多样化所驱动 [1], [2], [3], [4]。食源性污染物，包括农药残留、兽药、重金属、微生物毒素和致病细菌，对人类健康构成直接风险，导致全球范围内大量的发病率、医疗费用和经济 损失 [3], [4]。因此，能够在食品供应链的分布点上快速、灵敏且有选择性地检测这些危害，对于预防性监测和事件响应至关重要。

高效液相色谱 - 质谱联用 (HPLC–MS) [5]、包括近红外和拉曼光谱在内的光谱技术 [6] 以及酶联免疫吸附测定 (ELISA) [7] 等传统分析方法提供了高准确度和可靠性。全氟和多氟烷基物质 (PFAS) [8] 和微囊藻毒素 [9] 等新兴污染物类别进一步推动了快速筛查技术的发展。然而，它们本质上受限于复杂的样品前处理、昂贵的仪器、对熟练操作人员的依赖以及集中式的实验室设置 [8], [9]。这些局限性在实验室确证分析与快速现场筛查需求之间造成了关键差距，而便携式传感器技术旨在弥合这一差距。金属有机框架 (MOFs) 是由金属离子/簇和有机连接体构建的晶体多孔材料，已作为化学传感的变革性平台出现 [10], [11], [12]。其卓越的特异性表面积（通常超过 1000 m2/g）、可调谐的孔结构、配位不饱和金属位点以及多功能的后合成功能化，使得目标分析物的预富集、选择性识别和灵敏转换成为可能 [13], [14]。这些特性已在多种传感模态中得到利用，包括荧光、电化学、表面增强拉曼散射 (SERS)、比色法和电化学发光 (ECL)，以检测广泛谱系的食品相关分析物 [15]。除了传感之外，MOFs 的结构可调性还实现了在药物递送和生物医学治疗中的应用，进一步说明了该材料平台的 versatility [16]。

该领域的快速增长反映在自 2022 年以来发表的十多篇综述文章中。这些综述可分为几个主题：针对食品污染物 MOF 基传感器的广泛多平台调查 [13], [15], [17], [18], [19]；专注于 SERS [20]、发光 [21]、ECL [22] 或基于纳米酶 [23]，或专注于真菌毒素 [24] 检测的平台特定综述；涵盖 MOF-生物分子偶联物 [25]、分子印迹聚合物 (MIP)-MOF 杂化物 [26]、CQD-MOF 复合材料 [27] 和 MOF-石墨烯杂化物 [28] 的材料复合材料综述；以及关于便携式 [29] 和纸基 [30] 传感器的器件导向综述。Mazur 等人 [31] 进一步调查了数字比色传感器技术和基于智能手机的定量。总的来说，这些综述已经编目了传感器类型和代表性应用。然而，它们有一个共同的局限性：它们主要是描述性的而非批判性的。具体来说，三个持续存在的知识空白仍未得到解决。本综述通过三个特征与这些 prior works 区别开来：(i) 对相同目标分析物在不同 MOF 架构上的分析性能进行系统的跨平台比较（表 3），据我们所知，这在 prior 综述中是缺失的；(ii) 对验证实践（LOD 计算、干扰测试、基质验证）的方法学审计，识别出普遍的报道差距（表 S1, 3）；以及 (iii) 对实验室到现场转化障碍的结构化评估（第 4.6 节），这超越了描述性编目，提供了可操作的建议。

现有综述孤立地呈现传感器性能数据，没有系统地比较相同目标分析物在不同 MOF 架构和转换模态下的分析性能指标。例如，寻求在牛奶中检测四环素的研究人员无法咨询任何单一来源来并排比较荧光 [32]、比色 [33] 和电化学 [34] MOF 传感器的 LOD 和基质性能。这种碎片化阻碍了基于证据的平台选择。

报道的传感器性能的可靠性 critically 取决于实验设计：LOD 是通过 3σ/S 还是视觉阈值计算，测试了多少种干扰物质，回收研究是使用加标基质还是固有基质，以及结果是否经过参考方法的验证。一种通过缓冲液中的视觉阈值报道 0.1 nM LOD 的传感器，可能看起来优于一种通过真实食品提取物中的 IUPAC 3σ/S 方法报道 1 nM 的传感器，而后者可能代表更可靠的测量。现有综述在不区分其方法论基础的情况下报道 LOD， perpetuate 了这种困惑。

未量化的实验室到现场转化差距。大多数 MOF 基传感器是在受控实验室条件下演示的。然而，没有任何现有综述汇总主要文献中这些平台在真实食品基质中验证的程度、长期稳定性测试的程度或与便携式读出器件集成的程度。本综述通过调查这些转化指标的代表性例子并评估该领域为实际部署做好准备的程度（第 4.6 节）来解决这一差距。

本综述涵盖五个转换平台（荧光、电化学、SERS、比色法和电化学发光）和六个分析物类别：农药、兽药、重金属、病原体/毒素、营养物和新鲜度指示物的 MOF 基传感器。食品安全污染物构成主要范围。营养和新鲜度传感作为次要领域包含在内；它们说明了 MOF 传感器适用性的广度，同时与污染物检测共享跨领域的方法学挑战。第 1.3 节详细说明了系统文献检索和纳入标准。表 1 提供了 MOF 基传感器与传统分析技术（包括 HPLC、LC-MS/MS、GC–MS、ICP-MS 和 ELISA）的结构化比较。

本综述与早期调查的区别在于其强调比较性能数据和方法学严谨性。我们编制了一个跨平台比较（表 3），汇总了五个基准分析物（每个代表一个主要分析物类别）在不同 MOF 架构和转换模态下的 LOD、线性范围、回收率和基质信息。从这个数据集中，我们导出了一个基于证据的雷达图（图 3），对五个平台在六个性能维度上进行评分；所有评分理由见表 S2。我们还审查了影响报道传感器数据可靠性和可比性的实验实践：LOD 计算惯例、干扰测试的范围、基质验证的深度以及稳定性报道的完整性。建议综合在表 4（第 4.8 节）中。第三个关注点是实验室到现场差距。大多数 MOF 传感器仅在受控实验室条件下进行测试。我们确定了介于当前演示和实际部署之间的具体障碍，包括真实基质验证、便携式器件集成和可扩展合成。综述的其余部分组织如下。第 2 节比较了五个传感器平台，并提供了结构化的选择指南（表 2，图 1）。第 3 节按分析物类别调查应用，包括对组胺传感的详细案例研究（图 2），并以跨平台综合结束（表 3，图 3）。第 4 节阐述了跨领域方法学考虑（图 4）和未来发展方向（图 5）。本综述不旨在进行定量荟萃分析。其贡献在于识别方法论局限性的代表性模式，并提出通向更严谨传感器验证的实际路径。

在 Web of Science、Scopus 和 PubMed 中进行了系统文献检索，涵盖 2015 年 1 月至 2026 年 7 月的出版物。三个关键词组与布尔运算符结合使用。第 (i) 组捕捉 MOF 相关术语：金属有机框架、MOF 和孔状配位聚合物。第 (ii) 组涵盖传感器相关术语：传感器、传感、检测和生物传感器。第 (iii) 组针对应用相关术语：食品安全、食品污染物、食品分析和食品基质。补充搜索使用了分析物特定关键词（例如，农药、四环素、重金属、真菌毒素、病原体、生物胺），每个与 MOF 和传感器关键词组结合。构成这里 reviewed 的大多数传感器的经典 MOF 架构——HKUST-1 [35]、MIL-101 [36]、ZIF-8 [37] 和 UiO-66 [38]——是通过其原始合成报告识别的。发光 MOF 传感的早期概念框架来自 Hu 等人的一篇开创性综述 [39]。这些 2015 年之前的贡献在需要材料背景时整合，而不是作为单独的历史章节列出。

最初检索到约 1200 条记录。去除重复后，约 950 条记录进行了标题和摘要筛选，其中约 200 篇全文文章评估了资格。如果研究报道了在食品基质中具有定量分析性能数据的 MOF 基传感器，并代表了多样化的 MOF 架构、转换模态和分析物类别，则予以纳入。如果传感器仅应用于非食品基质或缺乏足够的方法学细节，则予以排除。约 90 项研究符合纳入标准，其中 27 篇跨越五个转换模态和十个分析物类别的代表性原创研究文章构成了跨平台比较的核心（表 3 和表 S3）。完整的参考文献列表（107 个参考文献）进一步包括综述、监管文件、毒理学参考文献和基础材料科学报告。遵循系统评价和荟萃分析首选报告项目 (PRISMA) 指南的流程图，记录了筛选过程，提供在补充材料中（图 S1）。

在调查 MOF 基平台之前，将它们置于更广泛的食品污染物分析图景中是有启发性的。表 1 总结了 MOF 基传感器与食品安全实验室中最广泛使用的五种传统技术（HPLC、LC-MS/MS、GC–MS、ICP-MS 和 ELISA）的主要分析性能指标——典型 LOD、分析时间、单次测试成本、可移植性和操作技能要求。MOF 传感器占据一个独特的 niche：它们无法匹配 LC-MS/MS 和 GC–MS 的多分析物广度、确证能力或亚 ppb 量化，也无法匹配 ICP-MS 的超痕量金属灵敏度。然而，相对于色谱方法，它们在单次测试成本和分析时间上提供了一个数量级的减少，并且它们与便携式读出格式的兼容性解决了集中式实验室分析与分布现场筛查之间的关键差距。ELISA 作为当前可现场部署的免疫分析的金标准，共享这一可移植性优势，但受限于抗体稳定性（需要冷链储存）和交叉反应性限制，而具有可调谐孔尺寸选择性和合成识别元素的 MOF 基传感器可能 circumvent 这些限制。

章节摘要

MOF 基传感器平台

用于食品安全的 MOF 基传感器利用了五种主要的转换机制：荧光、电化学、表面增强拉曼散射 (SERS)、比色法和电化学发光 (ECL)。而不是提供每个平台的详尽描述（这些在 prior 综述中可用），本节提供了一个简洁的比较概述，突出了与分析相关的关键操作原理、信号生成机制以及固有优势和局限性。

在食品安全监测中的应用

本节调查了按分析物类别组织的 MOF 基传感器的 recent 应用。对于每个分析物类别，呈现代表性例子，强调传感机制、分析性能和真实样品验证。至关重要的是，提供了一个跨平台性能比较表（表 3），汇总了相同目标分析物在不同 MOF 架构下的分析性能指标，使得直接定量比较成为可能，而这种比较在 prior 综述中是缺失的。

挑战、关键考虑因素和未来展望

前述章节调查了广泛的 MOF 基传感器平台及其在食品安全监测中的应用。尽管文献中报道了令人印象深刻的分析性能指标，但几个跨领域的挑战限制了这些结果的可比性、可靠性和实际转化性。发表的 MOF 传感器报道了令人印象深刻的性能指标。然而，将这些数字转化为在食品测试中可靠工作的器件，需要面对一系列...

结论

MOF 基传感器现在跨越了五个转换模态的污染物检测、营养量化和新鲜度监测。本综述提供了现有文献所缺乏的两件事：对不同 MOF 架构上相同目标分析物的分析性能的结构性跨平台比较，以及对决定报道的性能指标是否可比且具有实际意义的方法学实践的批判性检查。

跨平台

CRediT 作者贡献声明

叶雨凡：写作 - 原稿，数据整理。刘瑞：写作 - 审查与编辑，资金获取，概念化。张鑫：调查。韩雪：软件。任斌桥：写作 - 审查与编辑。马靖：写作 - 审查与编辑。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（编号 42207266, 62374130），中国黑龙江省自然科学基金（编号 PL2025B007）的资助。

叶雨凡 | 刘瑞 | 张鑫 | 韩雪 | 任斌桥 | 马靖