La-Ce-MOF纳米复合材料：为食品安全保驾护航
La-Ce-MOF纳米复合材料：为食品安全保驾护航
在食品安全领域，气体检测技术一直扮演着至关重要的角色。挥发性气体如三甲胺（TMA）、二甲胺（DMA）、氨气（NH3）和甲醛（HCHO）等，不仅对环境和人体健康构成威胁，更是食品腐败变质的“信号灯”。如何准确、高效地检测这些气体，成为科研人员关注的焦点。近日，一项发表在《Journal of Hazardous Materials》上的研究成果，为我们带来了新的希望。
研究背景与意义
三甲胺、二甲胺等胺类气体和甲醛，是典型的挥发性有机化合物。它们在海洋肉类腐败过程中大量释放，成为评估食品新鲜度的重要指标。然而，传统的气体检测方法如气相色谱-质谱联用（GC-MS）等，存在预处理复杂、检测效率低等问题，难以满足快速检测的需求。此外，这些气体还可能对环境造成污染，对人体健康产生危害，如长期或高浓度暴露可能导致呼吸道疾病、神经系统损伤等。因此，开发一种稳定、灵敏的气体传感器，对于保障食品安全、监测环境质量和维护人体健康具有重要意义。
La-Ce-MOF纳米复合材料的制备与特性
在这项研究中，科研人员采用水热合成法成功制备了La-Ce-MOF纳米复合材料。这种材料具有独特的纳米微球结构，尺寸在5-10微米之间，呈现出层次化的孔隙结构。通过扫描电子显微镜（SEM）观察，La-Ce-MOF表面光滑，La和Ce元素均匀分布在材料表面，元素比接近1:1，与设计比例相符。X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等分析手段进一步证实了La-Ce-MOF的成功合成，其晶体结构稳定，表面官能团丰富。氮气吸附-脱附等温线测试显示，La-Ce-MOF具有优异的微孔特性，比表面积高达3800平方米/克，是La-MOF的五倍，这为气体分子的吸附提供了更多的活性位点。
La-Ce-MOF气体传感器的性能测试
基于La-Ce-MOF的石英晶体微量天平（QCM）气体传感器，在性能测试中表现出色。首先，在选择性方面，该传感器对目标气体（TMA、DMA、NH3和HCHO）具有显著的响应，而对干扰气体如乙醇、1-辛烯-3-醇等几乎无反应。这得益于La-Ce-MOF纳米微球表面丰富的活性位点和层次化孔隙结构，能够有效吸附目标气体分子。其次，在灵敏度测试中，传感器对不同浓度的目标气体表现出良好的线性响应，灵敏度分别为TMA 3.51 Hz/(微摩尔/升)、DMA 4.19 Hz/(微摩尔/升)、NH3 3.14 Hz/(微摩尔/升)和HCHO 3.08 Hz/(微摩尔/升)，检测限低至0.16微摩尔/升（TMA），远低于其他报道的QCM气体传感器。此外，传感器的响应时间约为60秒，恢复时间在30-90秒之间，显示出快速的检测能力。在稳定性测试中，经过63天的长期应用，传感器对目标气体的响应几乎无变化，表现出优异的稳定性，这对于实际应用中的长期监测至关重要。
感应机制探究
为了深入理解La-Ce-MOF气体传感器的感应机制，研究人员利用维也纳从头算模拟包（VASP）进行了吸附能量和电荷转移模拟。结果显示，目标气体分子与La-Ce-MOF之间的吸附能量分别为TMA -0.4329电子伏特、DMA -0.5204电子伏特、NH3-0.6823电子伏特和HCHO-0.7576电子伏特，均属于物理吸附范畴，表明气体分子与材料表面之间未形成化学键。在吸附过程中，气体分子中的电子会迁移到La-Ce-MOF表面，形成电荷积累，这种电荷转移增强了气体分子与材料之间的相互作用，从而提高了传感器的灵敏度。当引入氮气时，弱氢键被破坏，气体分子脱附，传感器的频率恢复，实现了对气体的可逆检测。
实际应用验证
研究人员将La-Ce-MOF气体传感器应用于冷藏鲑鱼肉新鲜度的检测。在4摄氏度下储存0-7天的鲑鱼肉，其释放的气体成分与新鲜度密切相关。通过对比QCM气体传感器的频率变化和凯氏定氮法测定的总挥发性碱基氮（TVB-N）含量，发现两者具有良好的相关性。当QCM频率变化超过62.89赫兹时，鲑鱼肉已完全腐败；而在0-2天储存期内，频率变化小于45赫兹，鲑鱼肉保持新鲜。这表明La-Ce-MOF气体传感器在实际食品新鲜度检测中具有良好的应用前景，能够为食品安全监测提供快速、准确的技术支持。
结论与展望
这项研究成功开发了一种基于La-Ce-MOF纳米复合材料的QCM气体传感器，实现了对胺类气体和甲醛的高效、灵敏检测。其优异的性能和良好的实际应用效果，为食品安全、环境监测等领域提供了一种新的技术手段。未来，研究人员可以进一步优化La-Ce-MOF的结构和组成，提高传感器的检测范围和灵敏度，拓展其在其他挥发性有机化合物检测中的应用。同时，结合物联网、大数据等技术，构建智能化的气体监测系统，实现对食品安全的实时、动态监测，为保障人们的饮食健康和生活质量做出更大的贡献。
图1. QCM气体传感器材料合成及检测过程图
图 2. (a) La-MOF、(b) Ce-MOF、(c、d) La-Ce-MOF的SEM图像; La-Ce-MOF的映射光谱(e)~(h)
图 3. La-Ce-MOF上TMA、DMA、NH3和HCHO的电荷转移和吸附位点的模拟研究。蓝色/黄色部分代表电荷积累/耗尽。
参考文献：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2024.133672
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