一步合成！多功能 MOF 气凝胶兼具高灵敏检测与强效抗菌

原创

来源：徐礼龙

2025-12-12 09:09:05

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核心提示：通过生物模板原位生长法制备的等离子体 / 金属有机框架（MOF）生物杂化气凝胶，解决了传统 MOF 粉末易团聚、活性位点难利用的痛点，兼具对有毒挥发性有机物的高灵敏气相 SERS 检测功能与低功率激光照射下对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌超 99% 的杀菌效果。

金属有机框架（MOF）作为一类具有高比表面积、可调孔结构和丰富化学功能的多孔材料，在分子分离、催化、传感、生物医学和储能等多个领域展现出巨大应用潜力。其独特的结构灵活性的优势，能通过金属节点与有机连接体的多样化配位，精准调控化学选择性和吸附性能。然而，传统 MOF 材料多以粉末形式存在，普遍面临团聚、结构坍塌、活性位点难以接触等问题，严重制约了其从实验室走向实际应用的转化进程。为突破这一瓶颈，科研界一直致力于开发结构化的三维（3D）MOF 复合材料，以兼顾纳米级分散性、机械完整性和多孔特性，但传统制备策略常存在 MOF 沉积不均、需复杂表面修饰等弊端，规模化生产难度较大。

研究团队开发出一种简单通用的生物模板原位生长策略，成功制备出多功能等离子体 / MOF 生物杂化气凝胶。该方法以细菌纳米纤维素（BNC）和胶原蛋白泡沫为生物模板，通过一步合成工艺，使 ZIF-8 和 ZIF-L 两种 MOF 晶体在 3D 纤维网络上均匀致密生长，形成互连的开放式多孔结构。随后，通过吸附或包裹两种方式整合金包银（Au@Ag）立方体等离子体纳米结构，赋予材料双重核心功能，既解决了传统 MOF 的应用局限，又实现了功能的协同增效。

图1：展示 ZIF-8/ZIF-L 在 BNC 气凝胶和胶原蛋白泡沫上的原位生长示意图、XRD 图谱及原始与负载 MOF 后的 SEM 图像。

制备过程中，两种互补的组装策略确保了等离子体纳米结构与 MOF 的高效融合。第一种是将 Au@Ag 立方体直接吸附到预制的 MOF 气凝胶表面，第二种则是先在生物模板上吸附 Au@Ag 立方体，再原位生长 MOF 实现包裹。两种策略均保留了材料的 3D 多孔特性，BET 分析显示，胶原蛋白基 MOF 气凝胶的比表面积和孔隙率显著高于传统 MOF 粉末，为物质传输和活性位点暴露提供了保障。扫描电镜和 X 射线衍射等表征证实，MOF 晶体呈现特征形貌，等离子体纳米结构分布均匀，且制备过程简单可规模化。

图2：呈现 BNC 模板介导 ZIF-8 生长各阶段的 SEM、AFM 及 XRD 图像，直观展现结晶演化过程。

该杂化气凝胶在表面增强拉曼散射（SERS）传感领域表现突出，可实现对氨基硫酚（p-ATP）、福尔马林、苯胺等有毒挥发性有机物（TVOs）的气相高灵敏检测。其核心优势在于 MOF 的分子捕获能力与等离子体纳米结构的电磁场增强效应形成协同：MOF 通过多孔结构富集分析物，将其限定在等离子体热点附近，而 Au@Ag 立方体的局域表面等离子体共振效应放大拉曼信号。针对不同分析物，两种组装构型各有侧重，检测信号强度较传统材料提升近 10 倍。

图3：包含 Au@Ag 立方体的表征数据，及 ZIF-8 与 Au@Ag 在胶原蛋白泡沫上不同组合的 SEM 和 HAADF-STEM 图像。

在抗菌应用中，该材料同样表现亮眼。在 685nm 低功率激光照射下，等离子体纳米结构将光能高效转化为热能，使局部温度升至约 50℃，结合 MOF 释放的 Zn²+ 和 Ag⁺离子，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率均超过 99%，即使初始菌浓度高达 10⁹CFU/mL 仍能有效灭活。光热效应破坏细菌细胞膜完整性，加速金属离子释放，而离子通过干扰代谢、引发氧化应激进一步增强杀菌效果，形成协同抗菌机制。