金属有机框架材料在表面增强拉曼光谱中的应用研究进展_易荣楠.pdf

第 51 卷分析化学（FENXI HUAXUE）评述与进展第 2 期2023 年 2 月Chinese Journal of Analytical Chemistry147159DOI:10.19756/j.issn.0253-3820.221424金属有机框架材料在表面增强拉曼光谱中的应用研究进展易荣楠1吴燕*2,3王俊力3赵芳3陈锦杨*2,31（湖南警察学院刑事科学技术系，长沙 410138）2（南华大学衡阳医学院，衡阳 421001）3（长江师范学院化学化工学院，重庆 408100）摘要金属有机框架材料（MOFs）是一种由金属离子和有机配体通过配位化学原理自组装形成的具有周期性网格晶态的多孔结构材料，其独特的结构和性质使其成为具有广阔应用前景的材料。由于 MOFs 可极大地提高金属表面增强拉曼光谱（SERS）基底的目标富集和信号增强性能，因此，基于 MOFs 的 SERS 基底受到了广泛关注。同时，高效的 SERS 基底使 SERS 技术可实现高灵敏、高选择性、无损和快速检测。将MOFs 应用于 SERS 技术，极大地促进了 SERS 技术的发展并拓宽了其应用范围。本文总结了 SERS 的发展、MOFs基底的类别及其在 SERS 中的应用，提出了亟待解决的关键问题和挑战，并对其发展前景进行了展望。关键词 金属有机框架材料；表面增强拉曼光谱；评述拉曼散射是入射光通过介质时，入射光与样品中的分子发生相互作用，引起散射光频率发生改变的现象。传统拉曼光谱存在灵敏度低、信号弱、重现性差、易受荧光背景干扰等缺点，从而极大地限制了拉曼光谱的实际应用1。1974 年，Fleischmann 等2发现吸附在粗糙的银电极表面的吡啶分子具有很强的拉曼信号，并将这种现象归因于粗糙电极表面增大而引起的表面吡啶分子吸附量增加，进而导致的拉曼信号增强。1977 年，Van Duyue 等3研究发现，粗糙电极上吸附的分子较光滑，并且分子的拉曼信号强度最高可增强 106倍，这种增强不只是由简单的吸附分子增多引起，还与粗糙电极表面巨大的增强效应相关，将这种效应称为表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman scattering，SERS）效应。SERS 技术是一种超灵敏的分子光谱分析技术，不仅继承了传统拉曼光谱的优势（样品消耗少、响应快速、无损、非入侵式分子等），而且克服了拉曼光谱灵敏度低、信号弱、重现性差等缺点，是一种性能优异的分析技术，被广泛应用于生物医药4、食品安全5、环境分析6、公共安全类毒物检测7、生物分析以及疾病诊断8-9等领域。目前，对于 SERS 的增强机理没有统一的观点，普遍认可的是电磁场增强机理（Electromagneticenhancement，EM）和化学增强机理（Chemical enhancement，CM）10-11，EM 和 CM 在 SERS 增强体系中是共存的，但是 EM 占主导作用。尽管 SERS 增强机制复杂且仍需探究，但是 SERS 技术已经广泛应用于多个领域。由于 SERS 性能强烈依赖 SERS 基底，探索和构建高效的 SERS 活性基底对于 SERS 技术在实际应用中至关重要。为了构建灵敏度高、重现性和稳定性好、增强因子（Enhancement factor，EF）高的SERS 基底，还需解决以下的问题：（1）增强等离子表面与目标物间的亲和力；（2）特异性检测；（3）构造有序性的增强“热点”；（4）快速富集目标分子；（5）多元检测。因此，探索新材料并将其合理设计或合成高性能的 SERS 基底，能有效拓宽 SERS 技术的实际应用范围。近年来，SERS 基底从单一的金属材料12-13到多组分复合材料14-15，经历了许多变化。将等离子体纳米颗粒（Plasma nanoparticles，PNPs）与新材料（多功能材料16、化学增强材料17和固相微萃取材料18等）相结合，构建高效的 SERS 基底，可有效提高 SERS 技术的实际应用能力。具有大的表面积、快速吸评述与进展2022-08-17 收稿;2022-09-24 接受国家自然科学基金项目(No.21804011)、湖南省科技创新计划项目(No.2021RC2085)、湖南警察学院高层次人才启动基金项目(No.2021KYQD05)和湖南省自然科学基金(No.2022JJ40364)项目资助。*E-mail:;附和富集的能力以及化学增强效应的新材料，可实现高效的 SERS 增强和高灵敏检测17。金属有机框架材料（Metal-organic frameworks，MOFs）是一种由金属离子和有机配体通过配位化学原理自组装形成的具有周期性网格晶态的多孔结构材料。MOFs具有高比表面积、易改性、有序的孔隙率、高的热稳定性和结构的可调性，这些特性使 MOFs被广泛应用于催化19、生物传感20、药物输送和生物医药21等领域。基于 MOFs 的 SERS 基底可解决当前 SERS 技术中存在的部分问题：（1）MOFs可预富集目标物；（2）MOFs自身以及 MOFs 和等离子体的协同效应增强了 SERS 强度；（3）MOFs 可选择性吸附目标分子；（4）MOFs 可提高稳定性；（5）一些 MOFs 有化学增强效应。研究者已认识到 MOFs 在 MOF-SERS 体系中的重要作用22。最近，一些文献综述了近年来 SERS 的研究进展，但尚未见详细阐述 MOFs 在 SERS 技术中的结构、性质及其所起作用的评述的报道。鉴于MOFs 基底在 SERS 研究中的独特性，本文着重讨论了近 5 年来 MOFs 基底在 SERS 研究和应用中的进展以及其面临的挑战和机遇。MOFs 在 SERS 中的应用研究总结如图 1 所示。1基于MOFs的SERS基底的发展目前，基于 MOFs 的 SERS 基底主要分为 3 类：一元 MOF SERS 基底、二元 MOF SERS 基底和三元MOF SERS 基底。下面将具体介绍这 3 种基底的特点和性能。1.1一元MOF SERS基底一元 MOFs 的 SERS 基底主要包括 MIL-100、MIL-101、ZIF-67、Co-TCPP MOFs、Co-MOF-74 和UiO-67 等。2013 年，Yu 等23首次报道在没有任何金属胶体或增强剂的辅助下，可观察到吸附在 MOFs中的甲基橙（MO）的 SERS 信号；如果通过高温和 O2等离子体处理，完全去除 MOFs 中的有机连接物后依然可保持活性，这表明 SERS 活性位点位于 MOFs 的金属氧化物簇中。吸附在 MIL-100 和 MIL-101 的MO 的 SERS 效应与方位有关，这是由于 MOFs 中的金属氧化物簇与吸附的 MO 间的电荷转移（Chargetransfer，CT）作用（图 2A 和 2B）。通过高温和 O2等离子体处理完全去除 MOFs 中的有机连接基团，结果表明，得到的金属氧化物也具有 MO 的 SERS 活性，即 SERS 活性中心位于金属氧化物团簇上（图 2C 和2D）。此外，该研究组通过紫外-可见吸收光谱和密度泛函理论进一步验证了 CM，并首次揭示了分子与MOFs 基底间的 CT 和 CM。此外，Sun 等22证明 MOFs 可作为一种具有分子选择性的 SERS 基底，并且无需任何特殊的预处理。Unitary SERSsubstratesApplication of MOF in SERSTernary SERS substratesOther SERSsubstratesBinary SERS substrates图1金属有机框架材料（MOFs）在表面增强拉曼光谱（SERS）中的应用研究示意图Fig.1Schematic diagram of application of metal-organic frameworks（MOFs）in surface-enhanced Ramanspectroscopy（SERS）148分 析 化 学第 51 卷MOFs 作为 SERS 基底的分子选择性得益于其优异的可裁剪性。通过孔结构优化和表面修饰，基于 MOFs的SERS基底的EF高达106，检出限（Limit of detection，LOD）低至108mol/L，这与贵金属的EF相当。Sen Bishwas 等24报道了一种在实验环境条件下吸附在 MOFs 上的气相爆炸分子的高灵敏度、高选择性、快速和可逆的 SERS 检测方法。多孔 MOFs 的高比表面积增加了对各种硝基分析物的吸附。此外，由于衔接物中存在路易斯碱性吡啶基位点，分析物可通过其酸性质子建立静电相互作用，实现选择性检测。显然，MOFs 单独作为 SERS 基底为研究 SERS 的 CM 提供了依据。然而，MOFs 对 SERS 增强的贡献尚未得到详细的研究和解释，这些问题还需要深入研究。此外，目前仅发现几种 MOFs具有 SERS 增强效用。因此，有必要探索更多具有 SERS 增强的 MOFs。1.2二元MOF SERS基底二元 MOF SERS 基底通常是将 PNPs 与 MOFs 结合构建 PNPs-MOFs 体系，并作为 SERS 基底。与未修饰的 MOFs 相比，PNPs-MOFs复合材料具有更大的 SERS 增强效应。PNPs-MOFs复合物作为 SERS 基底具有很多优势：（1）MOFs 不仅可使纳米粒子稳定，而且可预富集目标分子，以靠近金属表面；（2）MOFs 均匀的骨框架可用于目标物尺寸选择，裸露的活性位点可特异性检测；（3）PNPs 可产生 EM 增强效应，而一些 MOFs 也可通过 CM 促进 SERS 增强。因此，合理构建基于 PNPs-MOFs 的基底在 SERS 检测中具有广阔的应用前景。基于 PNPs-MOFs 的基底主要分为三大类：PNPs 包覆于 MOFs 的 SERS 基底、PNPs 嵌入 MOFs 中的 SERS 基底和 PNPs 锚定/修饰于 MOFs表面的 SERS 基底。1.2.1PNPs包覆于MOFs的SERS基底PNPs 包覆于 MOFs 的 SERS 基底一般是将 MOFs 晶体成核于预合成的 PNPs表面，这种方法大多可得到核壳结构的 PNPs-MOFs SERS 基底。此类基底具有以下优点：（1）通过将 MOFs壳包覆于 PNPs内核，可极大限制纳米核的迁移和团聚，以提高基底的稳定性；（2）MOFs 的厚度和 PNPs 的形貌和大小可30010009008007006005004000.000.050.100.150.200.25Wavelength/nmf=0.924MO+CrO5LUMOHOMO0.00.10.20.30.4MO-AlO5Oscillator Strength/Arb.UnitsWavelength/nmLUMOHOMOf=0.8246ABOscillator Strength/Arb.Units200 300 400 500 600 700 8001000900CD图2MOFs 的化学增强机理23：（A）MO 与 MIL-100 体系的密度泛函理论计算；（B）MO 与 MIL-101体系的密度泛函理论计算；钼金属氧化簇合物（C）Mo-CrO5和（D）Mo-AlO5的 HOMO 和 LUMOsFig.2Chemical enhancement based on MOFs23:（A）MO+MIL-100 system and（B）MO+MIL-101 systemfrom density functional theory calculation.Calculated optical absorption spectra of MO-metal oxide clustercomplexes（C）MO-CrO5and（D）MO-AlO5第 2 期易荣楠等：金属有机框架材料在表面增强拉曼光谱中的应用研究进展149很好地控制；（3）MOFs 的比表面积大、孔隙率高和反应位点密度大。因此，PNPs 包覆于 MOFs 的 SERS基底成为一种高效的 SERS 基底，可实现高灵敏、可重复和高选择性的 SERS 检测。制备 PNPs 包覆于 MOFs 的 SERS 基底通常采用“种子生长法”。例如，AuMIL-10125-26、GSPsZIF-827（图3A）、AgZIF-828-30、AuMIL-10031（图3B）、AuNSsZIF-832、AuNRZr-MOFs33和AuCu3（BTC）234（图3C），这些PNPsMOFs SERS 基底已成功应用于SERS检测。“种子生长法”具有稳定性好、易于合成和毒性低等优点。除此之外，Sugikawa 等35通过改进的母液法，以金纳米棒（AuNRs）为种子，制备了 AuNRMOF-5，该复合材料表现出良好的稳定性和重现性。Lu 等36报道了一种可控的封装策略，使不同大小、形状和组成的表面活性剂包覆的纳米结构可被沸石咪唑盐框架（ZIF-8）包覆，被包覆的纳米颗粒可很好地分散并完全包覆在 ZIF-8 框架内。Osterrieth 等37报道了一种硫化聚（乙二醇）封端的室温框架组装法得到 AuNRsZr-MOFs核壳结构，产率超过 99%。Xin 等38采用原位化学还原法，制备了由包封在 ZIF-8 MOFs 中的 CsPbBr3的无机钙钛矿量子点（QD）构成的复合材料作为 SERS 基底。除了“种子生长法”，还可采取一步合成法合成 PNPs 包覆于 MOFs 的 SERS 基底39-41。He 等39将制备 Au 和 MOFs 的前体在有机溶剂中直接混合，一步法制备了 AuMOFs-5 核壳纳米复合材料（图 3D）。Ling 等41开发了一种基于 ZIF 包覆 Ag 纳米立方体阵列的等离子鼻，用于识别超痕量挥发性有机化合物（VOCs）。结果表明，原始 ZIF 膜的厚度直接影响 z-深度中的分子预富集，并且紧凑的 Ag 纳米立方体阵列产生的大量的等离子体耦合可将 SERS 信号放大 5 倍。虽然 PNPsMOFs 的 SERS 基底有诸多优点，然而在构建 PNPsMOFs 时仍然存在一些问题。例如，探索表面稳定剂或修饰剂通过修饰实现降低 PNPs 的表面活化能具有一定的难度；难以合理设计具有“热点”均一和增强效率高的 PNPs核以及易于控制合成和稳定的 MOFs壳。因此，在未来的研究中应该针对这些问题，探索性能更加优越的 PNPsMOFs 基底。1.2.2PNPs嵌入MOFs中的SERS基底PNPs 嵌入 MOFs复合材料通常采用将吸附在预合成的 MOFs 上的金属离子还原成 PNPs 的方法制备42-43。这种方法简单、高效，可采用小尺寸的 PNPs 作为种子生长大尺寸的 PNPs，并且 PNPs 客体可限制于 MOFs 主体内，因而可极大地限制 PNPs 的迁移和团聚，提高了基底的稳定性。Zhu 等42将双溶剂法与液相浓度控制还原法相结合，首次成功地将 AuNi 合金纳米颗粒固定于 MIL-101 上，并进行了尺寸和位置控制。Xuan 等43通过溶剂热法制备了用六磷酸肌醇（IP6）修饰的 MIL-101（Fe），并借力于 IP6的帮助，通过原位还原法将 Ag+和 Au3+还原，形成的 Ag-Au-IP6-MIL-101（Fe）作为 SERS 基底。Hu 等44采用溶液浸渍法将 AuNPs 原位生长于 MIL-101 宿主基质上，形成的 AuNPsMIL-101（Fe）复合物作为 SERS 基底。Hu26和 Liu45等采用溶液浸渍法制备的 AuNPsMIL-101 作为 SERS 基底，MIL-101 不仅使 AuNPs 更加稳定，而且具有富集效应。此外，研究者还合成了其它的 PNPs 嵌入 MOFs 基底，包括 AuNPsMOFs46、GNPsMIL-5347、AgZIF48、AuMOFsNd49、AuNPAE-MIL-101（Cr）50和 AuNPsMIL-101（Cr）51等。这种 PNPs 嵌入式的 SERS 基底合成方法简单，MOFs 的原有结构不易被破坏，并且结合了 PNPs 与MOFs 两者的优点。然而，这种 SERS 基底仍然面临一些问题，例如，将 PNPs 嵌入 MOFs 中，可能导致GSPsZIF-8AuMIL-100 AuCu3(BTC)2AuMOF-5ABCDAuCO2CO2MOF-5 shellLaser图3典型的等离子体纳米材料（PNPs）包覆于MOF的SERS基底：（A）GSPsZIF-827；（B）AuMIL-10031；（C）AuCu3（BTC）234；（D）AuMOF-539Fig.3Several typical plasma nanoparticles（PNPs）encapsulated in MOF-based SERS substrates:（A）GSPsZIF-827;（B）AuMIL-10031;（C）AuCu3（BTC）234and（D）AuMOF-539150分 析 化 学第 51 卷MOFs 的空隙堵塞，使 PNPs 不易控制而易聚集；MOFs内部的 PNPs大小、数量和分布难以控制，从而影响 SERS 增强“热点”的均一性和强度。1.2.3PNPs锚定/修饰于MOFs表面的SERS基底PNPs 锚定/修饰于 MOFs表面的 SERS 基底，通常采用组装法将 PNPs 原位生长或组装至预官能团化的 MOFs表面。相比于 PNPs 包覆于 MOF 中和 PNPs 嵌入 MOFs 中的 SERS 基底，PNPs 锚定/修饰于MOFs表面的 SERS 基底表现出更强的 SERS 增强效果，这是因为信号分子可在 PNPs 与 MOFs 之间直接实现信号增强，并且在 PNPs 之间的交叉处产生大量的“热点”。2015年，Jiang等52首次通过原位合成法在MIL-101（Fe）表面生长AgNPs，所得的AgNPs/MIL-101（Fe）作为 SERS 活性基底，结合了高密度 AgNP 之间的大量拉曼“热点”和 MOFs 的优异吸附性能，实现了高灵敏 SERS 检测。本研究组参照该方法合成的AgNPsMIL-101（Fe）作为过氧化物模拟酶和SERS基底，实现了血液中胆固醇的高灵敏检测53。Zhao 等54将 Au-NRs 和 Fe-MOFs 组装形成 Au-NRs/Fe-MOFs 杂交物，用于光增强过氧化物模拟酶催化和SERS检测。此外，研究者还合成了其它PNPs 锚定/修饰于MOFs表面的SERS 基底，包括 AuNPs/Cu-TCPP55、AgNPsMOFs 螺旋结构56、AuNPsMBHP-UiO-66-NH257、TM-AgNU-90158、S-MOFsAu59、AuNPsMOFs60-61和 AgMIL-101（Cr）62等。尽管对于 PNPs 修饰 MOFs 的 SERS 基底得到快速发展，但仍然面临一些挑战：（1）如何制备尺寸和形貌可控的 PNPs，进而以获得均一、稳定的“热点”；（2）PNPs-MOFs 的稳定性仍需要提高；（3）MOFs经过修饰后，其结构不被破坏。1.3三元MOFs SERS基底尽管基于二元 PNPsMOFs 的复合材料在 SERS 应用中具有优势，但仍存在许多问题，主要包括：（1）为了增强 SERS 信号，MOFs 上通常修饰大量的 PNPs，这可能导致 MOFs 空隙堵塞，使 PNPs 容易聚集，从而降低 Raman 信号的重现性和稳定性；（2）PNPs 在 MOFs 中或 MOFs 上的分布不均匀，容易引入干扰分子，导致灵敏度低；（3）MOFs框架和 PNPs 之间的亲和力差。因此，开发具有高灵敏度、重现性和稳定性好的 MOFs 基底对于提高 SERS 的性能至关重要。近年来，研究者开发了多种三元MOFs基 SERS基底用于SERS研究，包括Au/Fe3O4/MIL-100（Cr）15、AuNPsZn-MOFsAAO20、Ag-Au-IP6-Mil-101（Fe）43、Fe3O4AuMIL-100（Fe）63、Au-AgZIF-67-CO64、GNRs-QDsNU-90165、AgNi-MOFs-166、AuAgZIF-867-70、FP/Ag/ZIF-871、MNPAuMIL-100（Fe）72、AgUIO-66（NH2）/PDA73、AgCarbonMOFs74和PS/Au/ZIF-875等。三元 MOFs SERS 基底的合成方法主要有溶剂热合成法与种子生长法相结合、溶剂热合成法、种子生长法与自组装法相结合、银镜反应与浸渍法相结合、种子生长法与层层自组装法相结合等。三元或多元 MOFs 基底是未来SERS 基底发展的一种趋势，其集成一体的每个组件之间可产生协同效用，从而产生更多的“热点”以增大 SERS 信号。如图 4 所示，为了克服目前大部分 MOFs 基 SERS 基底水溶液稳定性和亲水性差等缺点，Sun 等76基于 UiO系列的 MOFs 易于引入不同类型的官能团，将其直接作为配体的中心，制备 Fe3O4UiO-66-NH2Au，并将其作为SERS基底。Huang等77制备了一种多功能AgNPsZIF-67/g-C3N4固相萃取膜，并作为SERS基底。具有合理设计和高效 SERS 性能的多功能 MOFs 基 SERS 基底可简化 SERS 检测过程，并实现多元检测。然而，构建三元或多元的 MOFs 基 SERS 基底仍然存在一些未解决的问题，主要包括设计的合理性、稳定性、功能性的选择和合成费时、方案复杂等。因此，在未来的研究中需要以解决上述问题为导Fe3O4TEOSNH3H2OFe3O4SiO2Fe3O4UiO-66Fe3O4UiO-66Au120 24hHAuCl4图4Fe3O4UiO-66-NH2Au SERS 基底的制备示意图76Fig.4Schematic diagram of preparation of Fe3O4UiO-66-NH2Au SERS substrate76第 2 期易荣楠等：金属有机框架材料在表面增强拉曼光谱中的应用研究进展151向，开发出性能更优异的三元或多元 MOFs 基底，拓宽其在 SERS 领域中的应用。1.4其它MOFs SERS基底除了以上的 MOFs 基底，研究者还开发了其它的 MOFs 基底。例如，Wang 等78在柔性碳布上原位生长 MOFs，并利用碳布的导电性电沉积花状的 AgNPs，进而开发具有自清洁能力、高性能和可重复使用的 SERS 基底。另外，其它的 MOFs 基底包括 HKUST-1（Cu）AgNP79、ZIF-8/AuAg/Si-NPA80和Ag/ZIF-67/Ag-TiO2/Cu81等，被用于高灵敏和高选择性 SERS 检测。2MOFs基底在SERS中的应用结合 MOFs 与 SERS 技术两者独特的优势，MOFs 基底在 SERS 检测中得到了广泛应用，包括食品安全、环境污染、生物传感、生物医学、实时监测和监测气体反应等。2.1食品安全对食品中污染物的快速、高灵敏和现场实时检测对于保障食品安全尤为重要。基于 MOFs 的 SERS基底被成功应用于食品安全检测，主要包括农药残留、食品添加剂和兽药残留等。Cai 等25采用层层自组装法合成 AuMIL-101 核壳结构的 SERS 基底，实现了对粉丝中乌洛托品的高灵敏检测，检出限为 109mol/L。Wang 等78受到超疏水鱼鳞和荷叶的启发，开发了一种自清洁碳布，作为成本低廉、重现性好的柔性 SERS 基底检测软饮料中非法偶氮染料。该方法对软饮料中的刚果红（CR）、金黄色素（CYD）和酸性橙（AO）的检出限分别为 0.013、0.017 和 0.0067 mol/L。除此之外，基于 MOFs 的 SERS 基底已经成功用于食品中硫代甲酰二硫代仿和三聚氰胺28、甲基对硫磷和西维因29、果汁中噻菌灵43，76、杀虫剂草甘膦49、虾中 MG72、葡萄酒中 SO258、有机农药福美双71和食品中柠檬黄、氯霉素、吡虫啉以及结晶紫59等的检测。2.2环境污染近年来，由于社会的快速发展而导致环境污染事件频繁发生，对人类健康和生态环境造成了严重的危害。目前，研究者致力于开发多种用于环境污染物检测的 MOFs 基底，特别是有机污染物，例如，多环芳烃（PAHs）和AAs51，79、农药残留68，80、有机污染物44，74、药物污染物31，70、有机染料73，81和VOCs82等。Guselnikova 等83提出了表面等离子体激元支撑的金光栅表面与 MOFs-5 功能化的 SERS 基底，用于高灵敏、高选择性和可重复检测对氧磷和杀螟松，检出限低至 1012mol/L。Lai 等84报道了一种基于MOFs 的 SERS 方法检测 MG，利用层层自组装技术制备了一种高密度的 AuNPs 均匀分布在磁性核和MIL-100（Fe）壳之间的基底（Fe3O4-AuMIL-100（Fe），用于高灵敏和可再现性检测水样中 MG 与福勒姆，检出限分别为 4.4 和 15 nmol/L。SERS在小截面气体化学品的实际应用仍处于早期阶段，Lafuente等82报道了一种具有集成拉曼内标的等离子体吸附剂薄膜 SERS 平台，以 AuAgZIF-8核壳结构作为 SERS 基底，实现了对大气环境中甲基膦酸二甲酯和2-氯乙基硫醚的高灵敏检测，检出限分别为0.2和76 ppbV。Yang等85报道了一种阵列辅助SERS微流控芯片，用于高灵敏度和高分辨率多路气体检测，检出限为1 ppb。2.3生物传感近年来，随着纳米技术的快速发展，SERS 在生物传感领域中也得到了广泛的应用和研究。MOFs 基底在生物传感中的应用受到广泛的关注。MOFs 基 SERS 基底在生物传感中的应用主要包括氨基酸和糖类、酶和蛋白质、生物标志物、药物和染料等的检测。2.3.1氨基酸和糖类的检测氨基酸和糖类的含量作为人体生命健康的一项重要指标，人体中非正常的氨基酸和糖类的含量会导致某些疾病的发生。因此，发展高灵敏、高选择性、快速检测氨基酸和糖类的含量对于人体健康评估具有重要的意义。Hu 等26合成了 AuNPsMIL-101 纳米复合物，作为过氧化物模拟酶和 SERS 基底，实现了葡萄糖和乳糖的体外检测。此外，他们还进一步探索了该纳米酶用于监测与缺血性卒中相关的活体大脑中葡萄糖和乳酸的变化。如图 5 所示，Hu 等55设计了 AuNPs/Cu-TCPP（Fe）作为高效的 SERS 活性基底，用于检测152分 析 化 学第 51 卷唾液中葡萄糖的含量，检出限低至 0.16 mmol/L。Yang 等66设计合成了叠层六角棱镜 AgNi-MOFs-1 作为功能化 SERS 平台，不仅可在生理 pH 值下成功催化原位合成多巴胺醌，而且可高灵敏和高特异性检测小鼠脑微透析液中的胱氨酸。2.3.2酶和蛋白质的检测酶和蛋白质是构成生物体生命的基础物质之一，因此对于生物体中酶和蛋白质的高灵敏检测显得尤为重要。SERS 技术由于其独特的优势，基于 MOFs 的 SERS 基底也被应用于酶和蛋白质的检测。Feng 等50合成了 AuNP/AE-MIL-101（Cr）作为 SERS 基底，构建 SERS-酶联免疫分析（ELISA）策略用于人血清中羧酸酯酶 1 的检测。与传统的 ELISA 比色法相比，SERS-ELISA 传感方法不仅具有灵敏度高、稳定性好、适用性强和交叉反应性低的优点，而且所获得的检测结果与 ELISA 比色法相当。Das 等60以MOFs-AuNPs复合物为 SERS 活性基底用于定量检测人血清中的转铁蛋白，检出限为 0.51 mol/L。该方法为快速和灵敏诊断人血清中铁缺乏症提供了新的思路。最近，Zhao 等86构建了一种基于金纳米星修饰 CoFe2的 SERS 生物传感器用于检测烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，检出限为 28 pmol/L.2.3.3生物标志物的检测生物标志物是目前临床上用于疾病的早期诊断、分类和预后评价的重要指标，生物标志物具有重要的临床作用。但是，由于生物标志物在体液中含量低、背景干扰大、基质复杂，导致其检测困难。目前，结合 MOFs 和 SERS 技术的优势，基于 MOFs 的 SERS 传感器已经广泛用于生物标志物的检测。He 等87构建了基于 MOFs 结合铁酸钴磁性纳米离子作为高效的 SERS 传感平台用于超灵敏检测 N 端前脑利钠肽，检出限为 0.75 fg/mL。Wang 等47合成了 GNPsMIL-53 复合纳米材料为 SERS 基底，开发了一种智能双响应的 SERS 传感器用于同时检测葡萄糖和咖啡因，检出限分别为 3108mol/L 和 1.21011mol/L。高选择性、高准确性和高灵敏度使该传感平台适合慢性病相关代谢生物标志物的床边体外诊断。2.3.4药物的检测Jiang 等52制备了 AgNPs/MIL-101（Fe）复合物作为高效的 SERS 基底，并用于多巴胺的超灵敏检测，检出限为 0.32 pmol/L。Cao 等46合成一系列的 AuNPs/MOFs复合物，构建的 SERS 传感器用于检测啶虫脒，3 种不同类型的 AuNP/MOFs（MOFs-199、Uio-66 和 Uio-67）SERS 基底对啶虫脒检测的检出限分别为0.02、0.009 和 0.02 mol/L。Wu 等88开发了一种基于刺激响应 DNA 功能化 MOFs 的比率型 SERS 生物传感器，该传感器对三磷酸腺苷（ATP）的线性检测范围为 1200 nmol/L，检出限为 0.4 nmol/L。此外，MOFs 基底还可用于其它药物的检测，包括抗生素硝基呋喃62、四环素57和河豚毒素45等。2.3.5染料的检测随着全球工业的高速发展，每天都会产生大量的染料废水，这些染料废水排入水体后，一旦被人类饮用或者接触，可能导致癌症等重大疾病。因此，开发高灵敏的染料分子检测方法刻不容缓。Zhao 等54合成了 AuNRs/Fe-MOFs 杂交物，该物质具有光增强类过氧化物酶催化和 SERS 活性，可实现有机染料的降解和检测。该复合物引起 Raman 信号的化学和电磁增强，在检测有毒化学品和生物分子方面显示出巨大潜力。Kamal 等89用简单的 MOFs 模板法合成 Ag 富集 MOFs衍生的 CuFe2O4（Ag-CFO）复合材料，用于罗丹明 6G 染料的检测，检出限低至 1014mol/L，表明 Ag-CFO 微管 SERS 基底作为一种可重复使用的GlucoseGluconic acidCagedreporterLMGMGO2AuNps/Cu-TCPP(Fe)LaserSERSActivatedreporter6009001200 1500 1800Raman Shift(cm-1)6009001200 1500 1800Raman Shift(cm-1)NHNNN+Signal on图5用于葡萄糖 SERS 检测的无酶串联反应策略的示意图55Fig.5Schematic illustration of enzyme-free tandem reaction strategy for SERS detection of glucose55第 2 期易荣楠等：金属有机框架材料在表面增强拉曼光谱中的应用研究进展153材料在生物传感中具有巨大的潜力。Cong 等90制备 MOFs 驱动的 AuNRs/LDH 作为 SERS 基底，实现了对罗丹明 6G 的高灵敏检测，检出限低至 109mol/L。2.3.6用于其它物质的分析检测除此之外，MOFs 基底还被用于其它物质的分析检测，包括细菌91、DNA92、手性识别56和有机分子33，41，53，75，93等的检测。2.4生物医学SERS 技术是一种痕量检测技术，甚至可达到单分子水平。通过检测作为生物标志物的 VOCs，其在无创识别肺部恶性肿瘤方面的潜在应用将是早期癌症诊断的一个突破。Qiao 等27合成 GSPsZIF-8 核壳结构，将对氨基苯硫酚修饰的 GSPsZIF-8 在硅片上铺展形成均匀的薄膜，作为 SERS 基底并将其放置于含有不同浓度梯度的醛类分子气氛中进行待测分子吸附和捕获，并用于气态醛的 SERS 检测，检出限为 10 ppb（图 6）。Chen 等94制备了 AuZIF-8 核壳纳米颗粒作为 SERS 基底，用于高灵敏检测VOCs。另外，用实时 SERS 技术可观察到甲苯气体的吸附和解吸过程，表明该基底在多种气体检测中具有很好的应用前景。除此之外，MOFs 基底在生物医学中的应用还包括对电刺激磷脂酰丝氨酸在细胞膜上的动态外化的检测61、肺癌标志物挥发性苯甲醛的检测65、混合细胞培养中的 EGFR 和 CD44 生物标记物的检测67、协同化学光热疗34、细胞内 H2O2检测95和肿瘤细胞内的 SERS 成像探针和药物载体69等。2.5实时监测由于 MOFs 独特的结构和优异的催化性能，基于 MOFs 的 SERS 基底可实现快速、实时和现场监测。Ma 等63制备 Fe3O4AuMIL-101（Fe）磁性复合材料作为纳米催化剂兼 SERS 基底，用于实时监测光诱导增强催化氧化反应。SERS 技术目前仅限于检测纯固体和液体，并不广泛适用于空气中的分散分子的检测，为了解决该问题，Phan-Quang 等96通过集成远程光学系统和 3D 分析物吸附金属，实现了对大气和空气传播物种的实时、远程和多重 SERS 检测。Zhang 等40合成 AuMOFs-74 纳米颗粒用于实时监测 785 nm 激光照射下表面等离子体诱导 4-硝基硫代苯酚光催化还原为 4-硫代氨基苯酚，这将拓宽SERS 技术的应用范围。气液反应是日常生活的基础，但其反应效率很低。为了解决这个问题，Sim 等48开发了一种在大气环境条件下驱动苯胺和二氧化碳之间的惰性气-液反应的方法，并通过选择性地将这些两相分子集中在催化剂的金属固体MOFs 纳米空腔中实现其原位反应监测，该体系通过局部富集不混溶反应物进行反应监测，解决了气液反应监测长期存在的瓶颈。2.6监测气体反应涉及光合作用、固氮和血液中气体交换等气体的多相反应在日常生活中非常重要。然而，在大气环境/低压条件下，低气体浓度、低溶解度和相对低的密度阻碍了分子之间的有效碰撞，反应效率低，监测困难97。由于 MOFs 和分析物之间相对非特异性的相互作用，气体分子可富集并保留在金属纳米结构附近，因此，基于 MOFs 的 SERS 基底被用于有效监测气体反应。Lee 等30报道了一种实时 SERS 技术，在0.987 atm 和 298 K 的环境条件下，用于监测 AgZIF-8 基底表面 CO2分子的变化。这种凝聚相使表面覆盖率增加了 18 倍以上，并且在封闭的固体表面上即使没有化学键的形成，CO2分子也显著地实现了从线VOCsLaser800 1000 1200 1400 1600 1800Raman Shift/cm-1图6SERS 技术用于检测挥发性有机物（VOCs）27示意图Fig.6Schematic of SERS technology for detection of volatile organic compounds（VOCs）27154分 析 化 学第 51 卷性到弯曲的转变，表明在固体处形成的空腔 MOFs 可在纳米颗粒MOFs 基底的界面处的高压微环境中形成。随后，该研究组又设计了 NP 和 MOFs 之间的界面，以激活惰性 CO2羧化反应并在分子水平上原位监测其非常规区域选择性。采用 Kolbe-Schmitt 反应作为模型，利用 NPMOFs 界面创建伪高压 CO2微环境，驱动其在环境条件下 CH 的直接羧化98。表 1 列出了具有代表性的 MOFs 基底在 SERS 中的应用，主要包括分类、合成方法、优点、缺点、检测的目标物以及检出限。表1具有代表性的MOF基底在SERS中的应用Table 1Summary of representative MOF-based substrates for SERS application类型Type基底Substrat