刘金彤,杨红

(南京农业大学理学院/江苏省农药学重点实验室,江苏 南京 210095)

金属有机框架(metal-organic framework,MOF)材料,又称多孔配位聚合物,是一类极具吸引力的高度有序的新兴分子晶体[1]。MOF是由金属离子和有机桥接剂配位而形成的晶体配位聚合物。由于MOF具有多孔性、活性位点密度高、比表面积大、高催化活性等特性,已广泛应用于载气、催化、电学、药物递送、生物传感、诊疗等领域[2-3]。特别是与其他传统化学传感材料相比,MOF由2种结构单元配位组装而成,可通过对配体及金属中心的筛选和巧妙的设计,实现其功能的调节和选择[4-5]。此外,MOF兼具稳定性、可调节的孔隙大小、优异的化学稳定性、丰富的后修饰功能等优点,从而赋予了MOF传感分析平台巨大的潜力,并显示出广阔的应用前景[6]。

随着农业科学生产的发展,杀虫剂、杀菌剂和除草剂等农药在农业防虫防害工作中已被应用了近1个世纪[7]。随着农药的广泛施用,水资源污染、农田污染等环境问题日益凸显,农药残留通过水果、蔬菜、鱼类等食物链循环并积累于人体,对健康构成风险,包括神经损伤、发育异常、内分泌干扰、致癌等潜在的毒性[8]。国内外要求食品和环境中农药残留限量越来越低,因而相继开发应用了高效、低用量、低残留的新型绿色化学农药,严格管控生态环境及食品安全质量。因此迫切需要开发新型材料,建立操作方法简单、选择性好、灵敏度高、检验快速、成本低、高效可靠的检测技术用于农药残留检测。金属有机框架材料的发展为以上检测技术的拓展提供了一种灵活巧妙的选择和可能性,也将在农药残留检测领域中有广阔的应用前景。本文分别从检测前的净化与预富集、直接识别检测、功能化识别单元后再检测等方面,综述MOF材料在农药残留分析技术中的作用、传感机制及最新应用进展,为今后新型材料用于农药残留分析研究提供参考。

1 MOF材料的构建

MOF结构的常用合成策略以自下而上方法为主,其机制是将二级结构单元(金属节点/簇、有机配体)在特定合成条件下直接反应,从而促进取向生长。常用的MOF合成技术种类繁多,包括溶剂热、水热、层-层生长、微波、电化学、机械化学、超声波和高通量合成法等[9]。MOF晶体结构及性质取决于金属离子和有机配体的选择以及合成条件。相比于其他传感分析材料,MOF具有独特的物理化学特性、稳定性、良好的吸附特性。相比于沸石等传统吸附材料,MOF材料合成方法多样、步骤简单易行,经济简便;另外,配体种类繁多,吸附位点广泛,从而受到了业界的广泛关注[10]。此外,MOF可通过—NH2和—COOH的原位或后修饰,实现功能化,亦可通过氢键、π-π堆积、静电等相互作用固定生物分子或识别目标物,从而使MOF材料应用于分析检测领域[11]。迄今为止,研究者们已合成大量低毒性、高稳定,降解性能好的MOF材料,如拉瓦锡研究所材料(MIL)系列、奥斯陆大学材料(UiO)系列、沸石咪唑骨架(ZIF-8)系列等,其中多以对苯二甲酸、三甲基酸、富马酸、2-甲基咪唑等为有机配体,而以Mn、Zn、Mg、Fe、Cu和Zr等为金属中心。因此,MOF材料不仅具有丰富的构成选择性,还可通过前处理/后修饰,实现特定基团的激活、信号转导能力构建、生物功能化,从而推动MOF传感器的进一步发展。在农药残留分析领域,MOF材料在色谱及质谱等分析前的样品净化与预富集、光学及电化学的直接检测、生物功能化传感器构建领域展现出独特而良好的性能(图1)。

图1 金属有机框架(MOF)材料在农药残留分析中的应用Fig.1 Application of metal-organic framework(MOF)materials in the analysis of pesticide residue

2 MOF用于净化与预富集

目前农药残留存在于不同环境介质中,因此如何从复杂环境体系中有效分离提取农药残留,完成检测预分离富集就显得尤为重要。其中,吸附是有效分离萃取的重要方式之一。众多分离材料中,多孔材料由于高比表面积及孔隙性,已引起人们的广泛关注。近年来,MOF由于其独特的多孔结构,在农药残留吸附去除/分离和样品纯化中展现了巨大潜力[12]。相比其他多孔材料,新兴的MOF材料因表面积大、孔隙率可调、可控性强并可通过结构设计的多样性,构建具有丰富不饱和位点的高效率吸附材料[13]。此外,MOF材料亦可在不改变外界多孔材料框架的情况下,杂化如磁性、手性等特定功能/活性的基团,从而拓展了其通用性及潜在的应用性[14]。因此,各类MOF通过静电、氢键吸附、π-π吸附和亲疏水等不同作用机制同时实现对农药残留检测前的样品净化和预富集(图2)。

图2 金属有机框架材料的构建(a)及其用于农药残留分析中的净化与预富集(b)Fig.2 Construction of MOF materials(a)and their applications for the purification and pre-concentration in the analysis of pesticide residue(b)

静电相互作用是吸附最常用机制之一,通常利用材料与目标物之间电荷吸引作用而实现吸附[15]。MOF材料由于其组成多样、表面电荷可通过配体调节而调整等特点,在静电吸附剂领域具有较广的应用。Tan等[16]利用多孔的正电性MIL-100(Fe)与负电性2,4-D农药之间的静电吸引力,开发了用于污水处理的MOF材料。Xu等[17]则进一步利用锆(Ⅳ)基MOF材料UiO-66-NH2与吡虫啉和噻虫嗪农药的静电吸附作用,将该材料应用于超高效液质联用(UPLC-MS/MS)分析检测的样品预富集。

同时,基于芳香环之间π-π吸附作用的MOF富集剂在农药残留分析方面亦有广泛应用。通过调控功能单元及作用方式,为构建π-π吸附型二维MOF富集剂提供了一种有效途径。例如,铜-苄基三羧酸MOF材料,基于其与马拉硫磷的苯环π-π作用、马拉硫磷孤对电子与MOF材料Cu中心d轨道的相互作用,其对食品和水样中马拉硫磷的萃取率可达92%[18]。Jiang等[19]也采用类似机制,利用MIL-101(Cr)配体对苯二甲酸与三嗪类农药间的π-π作用,从环境水样中微萃取预富集三嗪类农药,并用于高效液质联用(HPLC-MS/MS)分析。

除静电吸附及π-π吸附外,也可利用MOF官能团与农药分子之间的氢键吸附作用,实现农药残留分析的样品预富集。例如,Dou等[20]利用MOF材料的氨基,与硝基苯类化合物的硝基形成氢键,将氨基功能化MOF作为农药吸附剂,预处理环境水样中的8种硝基苯类化合物,并结合高效液相色谱技术实现了8种农药残留的检测。在前处理过程中亦可通过提高材料的亲水或疏水性,来提高农药残留的萃取效率。Wang等[21]则通过亲水性磺酸修饰MOF材料,成功合成了基于磺酸的超亲水MOF功能化磁性复合材料,用于气相色谱(GC)分析前的农药残留富集。

目前随着多功能MOF材料的种类增加,越来越多的MOF材料综合了上述吸附作用,有的同时兼具几种吸附作用的复合优势,成为富集预处理剂研发的热门对象。例如,Ma等[22]合成了磁性铁中心MOF材料,利用磁性材料与多菌灵、三唑草酮、氯苯吡菌胺和苯吡菌胺杂环农药的疏水作用与π-π堆积的综合作用,成功构建了高效率的固相萃取剂,并用于后续高效液相色谱(HPLC)分析水样中农药残留。Liu等[23]在磁性纳米粒子表面涂覆MOF层,丰富的—OH基团和苯环的平面结构促进了材料与丙氯灵、苯醚甲环唑、二环唑和氟环唑等农药形成氢键及π-π相互作用,成功用于LC-MS分析前的净化与预富集过程。Li等[24]通过表面一步碳化方法合成了高比表面积磁性Zn/Co-MOF多孔碳(MNPC),基于该材料与有机磷类农药之间的π-π作用和疏水作用,建立了水果样品中5种有机磷农药的定量方法。Wu等[25]设计了一种基于阳离子MOF的混合基质膜,能利用阳离子MOF与阴离子苯氧羧酸类农药的静电作用及π-π堆积作用,该基质膜可同时从水样中膜萃取6种苯氧羧酸类除草剂,萃取富集后使用LC-MS技术成功分析农药残留。

3 基于MOF的直接检测方法

3.1 电化学检测方法

大多数MOF材料都是绝缘材料,低导电性限制了MOF在电导率直接传感分析中的应用。随着纳米科学和纳米技术的发展,通过掺杂改性、原位改性、后修饰改性等方法,将电活性纳米粒子或石墨烯类纳米材料与MOF进行复合,获得的异质材料的电化学性能得到了极大改良。MOF材料具有极高的可设计性,金属中心可作为特殊的活性位点,并在其催化活性中发挥重要作用。同时,其电化学性能也随着其不同金属簇的结构单元而发生变化,进一步推动了电催化活性增强剂及稳定剂的发展。特别是MOF的孔径可调、高比表面积、高密度的裸露活性位点的优势,使MOF发展为高精度电化学传感器的理想材料,并在传感方面得到广泛的应用[26]。通过溶剂热法合成的MIL-101(Fe)和MIL-53(Fe)两类Fe-MOF材料,与氧化石墨烯组装并修饰于玻碳电极表面后,材料特有的孔隙可增强电极对呋喃丹及甲萘威2种氨基甲酸酯类农药的伏安响应,从而实现无酶型电化学直接传感。该传感器对2种农药的检测限分别低至1.2和 0.5 nmol·L-1,并成功用于蔬菜和水果样品中农药残留的检测[27]。同时,以ZIF-8型为代表的Zn中心MOF材料,可通过外延生长法修饰于金纳米棒表面,形成异质结构。多孔ZIF壳不仅可作为保护层,还可提供向内的传质通道,并通过敏化电极实现对氯硝柳胺、双氯酚、多菌灵和敌草隆4种农药的高灵敏传感分析[28]。

除了利用特殊孔隙结构分析农药残留的MOF材料,以铜(Cu)为中心的MOF材料还可利用Cu与巯基或含硫农药的特殊络合作用,实现基于农药选择性识别的直接型电化学检测[29]。Cao等[30]利用 Cu-BTC 型MOF构建了一种用于检测马拉硫磷的光电化学传感器。Cu-BTC经高温煅烧获得具有高光电流转换效率的氧化铜。在可见光照射下,氧化铜可与非电活性马拉硫磷形成络合物,导致位阻增加,光电流降低。基于以上原理,该方法检测下限可达86 pmol·L-1,线性范围为0.1～10 mmol·L-1。类似于以上改性原理,Xie等[31]以Cu(Ⅱ)/Ce(Ⅲ)复合MOF为前驱体制备了氧化铜-铈复合材料。由于杂化材料独特的孔结构及协同效应,该方法检测马拉硫磷的检测限下降至3.3 fmol·L-1,线性范围为10 fmol·L-1～100 nmol·L-1。由此可见,基于MOF或以MOF材料为前驱体的多结构复合平台,通过协同作用兼具了各组分材料的电活性优势及MOF材料的高孔隙率及丰富的活性位点,所制备的传感器在农药残留分析领域具有较大的发展空间。

3.2 荧光检测方法

除了电化学检测技术,具有较高灵敏度的荧光检测技术也逐渐应用于农药残留传感分析中[32]。MOF材料具有的杂化结构和多样性的光学性质,进一步推动了荧光MOF材料在农药残留分析中的应用。基于农药引发的MOF荧光信号变化,以MOF材料为基础的农药残留荧光分析方法逐渐引发了人们的关注[33]。

在MOF荧光传感器中,自身具有荧光的发光MOF材料是其中一个重要分支。相比于其他发光材料,荧光MOF材料具有多样性的结构、孔隙率及独特的理化性质[34-36]。从发光机制角度,荧光MOF通常分为荧光MOF和磷光MOF两大类,2种材料分别从发光强度及寿命方面展现了应用于传感分析的巨大潜力[37-38]。同时,MOF荧光的发光特性也由其金属中心与有机配体结构单元及其之间的作用决定。根据作用机制,此类材料又可分为:配体之间的电荷转移、配体与金属中心的电荷转移等[39]。Wang等[40]将柔性双(吡啶基)连接体及刚性羧酸盐配体与Zn(Ⅱ)离子组装,构建了耐酸耐碱的新型发光MOF。利用能量转移作用,将该材料应用于2,6-二氯-4-硝基苯胺的灵敏荧光分析。Liu等[41]利用MOF的配体多样性,采用光敏性卟啉作为配体,合成了具有检测及降解双功能的纳米级MOF荧光探针。通过电荷转移作用,该MOF探针的强荧光可被痕量烯啶虫胺猝灭,所建立方法的线性范围为0.05～10.0 μg·mL-1,检测限为0.03 μg·mL-1。同时,借助卟啉可光催化产生活性氧自由基的特性,MOF探针可进一步高效光降解烯啶虫胺,其降解率可达95%。除了三维发光MOF,二维发光MOF也在农药残留检测中有所发展[39-42]。例如,Yu等[43]构建了一种二维MOF,层与层之间弱π-π作用可通过剥离法实现分离。通过四吡啶基环芳烃的进一步修饰,该材料利用主客体化学作用,实现农药草甘膦的选择性测定,检测限为2.25 μmol·L-1。区别于Liu等[41]所开发的MOF荧光与目标农药发生能量转移时猝灭的现象,该材料的荧光可与草甘膦发生主客体反应而实现荧光增强,为后续荧光“关-开”机制探针的设计提供借鉴。

此外,由于MOF的多孔性及丰富的修饰位点,MOF材料也可通过后续内嵌染料发光或功能化荧光纳米粒子,实现农药残留激活的荧光“开-关”的构建[44]。针对MOF金属中心或杂化金属与荧光染料或荧光纳米粒子存在荧光共振能量转移或/及电荷能量转移这一机制,可在构建荧光“开-关”型复合MOF农药残留分析探针过程中设计相应的识别开关。例如,Shen等[45]发展了小分子染料负载型MOF荧光探针,通过分子对接证明该染料可特异性与羧酸酯酶反应,并借助毒死蜱抑制羧酸酯酶的特性,从而实现毒死蜱农药残留的超灵敏定量。该方法的检测限和高荧光量子产率分别为1.15 ng·mL-1和65%。Zhang等[46]也合成了内嵌染料罗丹明B的MOF材料,应用于有机磷农药的灵敏分析检测。

4 生物功能化MOF传感器

近年来,快速、经济、高灵敏的生物传感器利用生物功能分子的修饰,将目标识别变成物理上(光学、电气和磁性)可识别的信号,从而实现目标物检测传感,引发了研究者的广泛关注。生物传感器利用生物功能分子的识别机制,并引入纳米材料来改进识别元件,从而增强传感器的分析性能。在农药残留分析领域中,生物传感器亦可通过酶、抗体、核酸、适配体生物元素,对采集农药残留信号进行转换,实现分析并进行定量。在众多生物传感器中,MOF丰富的后修饰位点,可直接或间接与生物分子(如核酸、蛋白质、抗体和酶)进行标记或复合[47]。蛋白质及核酸功能化MOF的提出,进一步拓展MOF材料在生物传感器构建中的应用。此外,MOF材料由于独特的分散性,在与生物分子结合的同时,可保持其独特的拓扑结构和协同功能[48],为MOF生物传感器在复杂环境中农药残留分析提供可能(图3)。

图3 生物功能化MOF材料在农药残留分析的应用及其传感机制Fig.3 Applications and sensing mechanism of bio-functionalized MOF materials in the analysis of pesticide residue

4.1 酶功能化MOF传感器

由于酶的底物专一、识别精确,酶与MOF材料的结合,可提高对农药的识别性。因此,在众多类型的MOF生物传感器中,利用农药与相关功能生物酶的相互作用而构建的酶类传感器是一个重要分支[49]。其中,酶抑制型生物传感器测定农药的原理是基于农药抑制酶的催化作用,并具有较高的稳定性和灵敏度等优点[50]。特别是有机磷、有机氯类及氨基甲酸酯类农药已被证明可有效抑制乙酰胆碱酯酶(AChE)、丁酰胆碱酯酶(BChE)、酪氨酸酶、酸性磷酸酶及碱性磷酸酶等功能酶[51]。

鉴于AChE是有机磷类农药的靶标酶,AChE酶抑制MOF传感器是酶抑制型传感器的典型代表[52]。基于AChE抑制原理的信号传导机制主要包括电化学、荧光等。传导机制主要是利用AChE催化底物乙酰硫代胆碱生成硫代胆碱和乙酸,通过对底物或产物的定量识别,可将农药含量变化的信号转化为AChE酶活性的改变,从而定量转化为产物或底物所引起的信号变化,最终实现农药残留的定性定量分析。例如Cai等[53]利用ZIF-8型MOF作为载体封装金纳米簇(AuNC),并基于该材料实现了荧光-比色双模式检测有机磷农药残留。该复合材料通过MOF包裹并限制AuNC运动,内部AuNC发生聚集诱导发光效应,荧光增强。当利用AChE酶与氧化酶构成级联催化酶时,2种酶协同作用催化乙酰硫代胆碱生成硫代胆碱,再将硫代胆碱转化为H2O2,生成的H2O2可裂解传感器外层ZIF-8的结构,聚集诱导发光作用消失,荧光猝灭;另一方面,自由态的AuNC具有过氧化物酶活性,可催化生成的H2O2将无色3,3′,5,5′-四甲基联苯胺(TMB)氧化为显色氧化态。由于有机磷农药抑制了AChE催化生成硫代胆碱的过程,切断了后续 2种模式信号增强的源头反应物,从而可控地完成了从农药浓度到2种信号输出的转换过程,建立了荧光-比色双信号生物传感器。基于以上分析原理,该传感器的检测限可低至0.4 μg·L-1。Lu等[54]也利用酶抑制型MOF传感器,开发了基于AChE的毒死蜱化学发光分析系统,该方法对毒死蜱检测的线性范围为0.5 ng·mL-1～1.0 μg·mL-1,检出限0.21 ng·mL-1。

尽管对于传统有机磷抑制功能酶的报道很多,但对于新型环境友好型有机磷农药-毒氟磷的报道还相对较少。Liu等[55]利用内嵌染料的偶氮型MOF骨架,结合毒氟磷可以抑制酸性磷酸酶活性、降低去磷酸化作用的特性,构建了基于纳米MOF的酶功能化传感器。在无目标物毒氟磷时,酸性磷酸酶可催化抗坏血酸磷酸酯底物产生抗坏血酸(AA),生成的AA进而还原裂解MOF骨架,释放染料引发荧光恢复。基于以上原理,定量的毒氟磷可通过抑制酶活性,从而间接定量控制荧光信号的输出,最终实现毒氟磷新型农药的荧光灵敏传感分析。所建立方法的线性范围和检测限分别是0～5 μg·mL-1和2.96 ng·mL-1。除了抑制性MOF传感器,MOF还可利用负载酶具有的保护特性,促进酶与农药直接或间接作用,因此负载酶型MOF传感器近年也得到一定的发展。例如Mehta等[56]通过将有机磷水解酶包覆于MOF中,酶活性和稳定性提高。该酶-MOF复合物利用酶的水解作用,实现检测和消解有机磷农药的双重平台。该平台也对有机磷-甲基对硫磷具有较低的检测限(2.6 nmol·L-1)。

4.2 仿酶MOF传感器

随着纳米科技的发展,仿酶功能纳米材料为天然酶在复杂环境中的活性降低问题提供了另一种解决方案。其中,MOF材料被证实不仅可通过负载并保护酶活性的方式来构建生物传感器,也可以作为纳米酶催化相关底物,实现对目标物的信号转换,从而推动MOF仿生传感器的发展[57]。例如,Bagheri等[58]构建了Fe3O4纳米颗粒@ZIF-8拟过氧化物酶结构,结合前述AChE活性可被有机磷农药抑制而无法催化产出胆碱的机制,可实现对二嗪磷农药的灵敏分析,在0.5～500 nmol·L-1范围内,其荧光信号随二嗪磷浓度呈负相关,检测限为0.2 nmol·L-1。Liu等[59]利用类似原理实现农药西维因的灵敏检测,检测线性范围为 2～100 ng·mL-1,检测限低至1.45 ng·mL-1。

4.3 适配体功能化MOF传感器

虽然酶功能化MOF传感器对农药残留分析起到了巨大的推动作用,然而功能酶通常可被一类农药抑制,而缺乏对特定农药的选择性与专一性。在实际生产应用中,常常出现联合用药或轮流施药的情况,缺乏特异性的酶-MOF分析技术,核酸适配体的出现为以上问题提供了解决方案。适配体是一种典型的分子识别元件,是从序列库过指数富集(SELEX)筛选出的单链核酸分子。适配体可与目标农药分子形成“锁钥”结构,使农药分析检测具有选择性。与天然酶不同,适配体通常具有亲和性高、易合成、成本低、稳定性好、可标记性、可重复变性和复原性,便于荧光团修饰等优点[60]。鉴于以上优点,适配体在农药传感器构建中的应用引起了研究者的广泛兴趣[61]。基于适配体的MOF探针的设计原理主要是将适配体通过物理吸附或化学修饰于MOF材料,利用适配体对目标物的捕获及适配体结构变化,实现信号输出过程。Liu等[62]将Fe3O4与仿过氧化物酶的Cu-MOF通过适配体与互补链的杂交反应连接,以及适配体与目标物毒死蜱的高亲和取代作用,实现磁控比色式毒死蜱传感器的制造,其检测限为4.4 ng·mL-1,线性范围为0～1 250 ng·mL-1。在电化学方面,Qiao等[63]构建了一种用于检测啶虫脒的适配体修饰的超灵敏度传感器,线性范围为0.1 pmol·L-1～10.0 nmol·L-1,检测限低至2.9 fmol·L-1。利用MOF材料与荧光标记的适配体之间的能量转移作用,Su等[64]设计了啶虫脒适配体功能化MOF传感器,用于农产品中啶虫脒残留的定量分析。当啶虫脒浓度为0.15～3.00 mmol·L-1时,该传感器吸附的适配体由于置换作用脱离MOF材料,能量转移解除,恢复的荧光与啶虫脒浓度呈线性相关,检测限为137 nmol·L-1。

5 总结与展望

鉴于监控农药安全使用的风险评估,降低农药残留对环境及食品安全的有害影响,发展生态环境和农产品中的农药残留分析方法具有极大的现实意义与技术挑战。由于不同农药结构和性质差异大,新型农药的不断涌现以及残留限量标准逐渐降低等特点,对农药残留分析方法提出了新的挑战。具有高比表面积、强吸附能力、高负载、高催化活性的多孔MOF,在应对上述挑战中发挥了重要作用。MOF材料通过有效设计和应用导向构建,展示了其在样品前处理(净化与预富集)、光学及电学直接信号识别输出、构建生物功能化传感器等方面的作用与潜力。尽管MOF的农药残留传感方法取得了一定的进展,但该领域的发展处于初级阶段,仍然存在一些重要的挑战和障碍。例如:MOF构建机制与识别农药残留的导向机制仍有待探究;天然酶介导型探针受环境影响较大,其在更多类型的农副产品实际样本中的检测仍有待考察;适配体筛选工作繁琐、困难,基于适配体的纳米传感器构建工作亟待结合大数据分析及分子模拟技术进行推进;大多数农药残留传感器信号输出多属于“1∶1”模式,相关方法的灵敏度有待提高,有待结合聚合酶链反应、滚环扩增、催化发卡自组装等信号放大策略,实现多重信号输出;各类MOF传感器的特异性和高通量性二者性能较难兼顾;MOF材料应用于农药残留分析仍处于实验室研究阶段,相关传感器有待进一步便携化、器件化。综上,开发出应用于复杂基质、高特异性、阵列式、高通量多信号输出的检测平台将是基于MOF材料农药残留分析方法的发展趋势。