Bi-MOF基纸基分析装置：硫化氢检测的双模式革命

引言

氢硫化物（H₂S）是一种无色有毒气体，对人类健康和环境安全构成严重威胁。从自然环境到工业生产，再到食品加工，H₂S的广泛存在使其成为亟待解决的问题。传统的H₂S检测方法如气相色谱、电化学和荧光检测等，存在操作复杂、成本高昂、检测速度慢等不足。因此，开发一种简单、快速、灵敏的H₂S检测技术具有重要意义。近期，天津科技大学的研究团队在《Biosensors and Bioelectronics》上发表了一项创新研究，开发了一种基于铋金属-有机框架（Bi-MOF）的纸基分析装置（PAD），实现了H₂S的双模式检测，为H₂S检测领域带来了新的突破。

研究背景与意义

H₂S不仅是一种有害气体，还是一种重要的环境污染物和食品腐败指示物。在食品工业中，H₂S的释放与肉类等食品的腐败密切相关。因此，实时监测H₂S的浓度对于评估食品新鲜度具有重要意义。此外，H₂S在工业生产中的腐蚀作用也引起了广泛关注。传统的检测方法无法满足现场快速检测的需求，而本研究开发的Bi-MOF基PAD，不仅能够实现H₂S的快速检测，还能够通过智能手机进行实时监测，具有广泛的应用前景。

Bi-MOF基PAD的构建与原理

研究者们采用简单的溶剂热法合成了Bi-MOF，该材料以Bi³⁺为中心离子，1,3,5-苯三羧酸（H₃BTC）为配体。Bi-MOF具有良好的孔隙结构和比表面积，能够快速吸附和传输H₂S气体。当H₂S与Bi-MOF接触时，会生成黑色的Bi₂S₃-MOF，从而引发PAD的颜色变化，从白色变为黑色，这种明显的颜色变化为肉眼检测提供了便利。同时，生成的Bi₂S₃-MOF还具有优异的光热性能，在808 nm激光照射下能够显著升温，为光热成像检测提供了可能。因此，该PAD实现了基于比色和光热信号的H₂S双模式检测。

PAD的性能与优势

该Bi-MOF基PAD在H₂S检测中表现出优异的性能。其线性检测范围为0-40 μM，检测限（LOD）低至0.23 μM，远低于其他同类检测方法。此外，该PAD还具有良好的选择性，能够有效区分H₂S与其他常见挥发性化合物的干扰。在实际样品检测中，如啤酒、醋和湖水等，PAD均能实现满意的H₂S回收率，表明其在实际应用中的潜力。值得一提的是，该PAD还能够作为智能标签，通过监测肉类在不同储存温度下H₂S的释放来评估肉品新鲜度，为食品安全监测提供了新的解决方案。

研究的创新点与应用前景

本研究的创新之处在于首次将Bi-MOF应用于H₂S的双模式检测，并成功开发出一种便携、快速、灵敏的PAD。该PAD不仅拓宽了MOF材料在气体检测领域的应用范围，还为H₂S的现场快速检测提供了一种全新的方法。未来，该PAD有望在食品质量控制、环境监测、工业安全等领域得到广泛应用。例如，在食品加工企业中，可以用于实时监测肉类等产品的H₂S释放情况，及时发现腐败迹象；在污水处理厂等工业场所，可以用于监测H₂S的排放情况，防止设备腐蚀和环境污染。

结论

综上所述，Bi-MOF基PAD的开发为H₂S的检测提供了一种高效、可靠的解决方案。其双模式检测功能和便携性使其在实际应用中具有显著优势，为H₂S的监测和控制提供了有力支持。随着MOF材料研究的不断深入和技术的不断进步，相信未来将有更多的创新成果应用于气体检测领域，为人类健康和环境保护做出更大贡献。

图1. (A) Bi-MOF制备过程示意图。 (B) Bi-MOF基PAD制备示意图、对H₂S的双模检测及对肉类新鲜度的实时监测

图2. Bi-MOF的SEM (A)和TEM (B)图像。A中的插图：Bi-MOF水溶液图像。B 中的插图：放大的TEM图像。(C) Bi-MOF的HAADF-STEM图像和相应的EDX元素映射结果。(D) Bi-MOF的 XPS光谱。(E) XPS光谱的放大Bi 4f扫描轮廓。(F) Bi-MOF的XRD图案

图3. PAD的(B₀-B)/G (A)和温度变化(B)与H₂S浓度之间的线性关系。插图：暴露于H₂S的PAD的图表(A)光热图像(B)在不同分析物存在下PAD的比色(C)和光热(D) 响应。通过比色信号研究PAD对H₂S分析的稳定性(E)和可重复性(F)

参考文献：Zhou, J., Gao, X., Chen, X., Sun, H., Li, X., Shi, L., Liu, Y., Bi-MOF-based point-of-care testing paper for dual-mode detection of H₂S, Biosensors and Bioelectronics, https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116934