本文摘要

金屬有機(jī)框架（MOF）材料作為當(dāng)下材料領(lǐng)域的 “明星"，憑借有機(jī)與無(wú)機(jī)分子自組裝形成的納米級(jí)互聯(lián)空隙結(jié)構(gòu)，在氣體存儲(chǔ)與分離、液體凈化、藥物遞送、催化等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出不可替代的優(yōu)勢(shì)。

而要充分發(fā)揮 MOF 材料的性能，精準(zhǔn)的表征分析至關(guān)重要。馬爾文帕納科（Malvern Panalytical）作為全球領(lǐng)xian的分析解決方案提供商，憑借強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力和豐富的經(jīng)驗(yàn)，為 MOF 材料表征提供了quan方位的支持，助力科研與產(chǎn)業(yè)人員深入探索 MOF 材料的奧秘。

什么是MOF材料？

金屬有機(jī)框架材料（Metal Organic Frameworks MOFs）是由有機(jī)分子和無(wú)機(jī)分子自組裝而成的雜化晶體。MOFs含有納米級(jí)的相互連接的空隙，這使它們?cè)诓东@、儲(chǔ)存和催化離子和分子方面具有極大的潛力。調(diào)節(jié)它們的局部環(huán)境（如電場(chǎng)、溫度、壓力或化學(xué)）可以使許多分子或離子吸附或釋放。

MOFs材料的廣泛應(yīng)用

01晶體結(jié)構(gòu)分析

揭開(kāi)MOF材料性能的核心密碼

究竟是什么讓MOF材料如此擅長(zhǎng)收集？答案是它們復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)！

MOF 材料的優(yōu)異性能與其復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，精準(zhǔn)分析晶體結(jié)構(gòu)是優(yōu)化 MOF 材料的基礎(chǔ)。馬爾文帕納科為此提供了多款高效可靠的設(shè)備。XRD即可快速識(shí)別 MOF材料晶體結(jié)構(gòu)，還能研究 MOF 材料在不同環(huán)境條件（如溫度、濕度）下的結(jié)構(gòu)變化。ITC為 MOF 材料的結(jié)合作用提供完整的熱力學(xué)圖譜。

X射線衍射技術(shù)

X 射線粉末衍射是測(cè)定和驗(yàn)證晶體結(jié)構(gòu)的成熟技術(shù)。Empyrean 銳影多功能X射線衍射儀能提供高分辨率、低背景的衍射數(shù)據(jù)，憑借優(yōu)異的分辨率和靈敏度，可精準(zhǔn)捕捉最細(xì)微的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，甚至能定位 MOF 酚羥基中的氫原子。

Empyrean銳影還可以分析 MOF 材料 CAU-10-H對(duì)水分子的吸附與解吸過(guò)程，通過(guò)原位相對(duì)濕度數(shù)據(jù)的等線圖，清晰展現(xiàn)溫度對(duì)其的影響，為 MOF 在水收集等領(lǐng)域的應(yīng)用提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。

Aeris 緊湊型衍射儀則主打快速 “指紋識(shí)別"，僅需 5 分鐘就能完成粉末衍射掃描，且操作便捷，采用一步式樣品加載和簡(jiǎn)單的按鍵操作，在緊湊的機(jī)身中實(shí)現(xiàn)了落地式衍射儀的品質(zhì)，還具備出色的低檢測(cè)限，能識(shí)別微小的粉末衍射峰和材料變化。

等溫滴定量熱法

等溫滴定量熱法是一種基于熱量檢測(cè)的通用技術(shù)，靈敏度很高，能直接測(cè)量 MOF材料與目標(biāo)分子或離子結(jié)合過(guò)程中的熱量變化，進(jìn)而精確測(cè)定結(jié)合常數(shù)（KD）、反應(yīng)化學(xué)計(jì)量比（N）、焓變（?H）和熵變（ΔS），為 MOF 材料的結(jié)合作用提供完整的熱力學(xué)圖譜。

MicroCal PEAQ-ITC等溫滴定微量熱儀助力研究 MOF 材料特定孔位的結(jié)合親和力，例如分析 MOF 材料 NU-1000 對(duì)尿毒癥毒素的吸附作用，通過(guò) ITC 測(cè)定不同結(jié)合位點(diǎn)的相互作用，發(fā)現(xiàn)其在兩個(gè)不同孔位分別存在熵驅(qū)動(dòng)和焓驅(qū)動(dòng)的吸附過(guò)程，為 MOF 在醫(yī)學(xué)解毒領(lǐng)域的應(yīng)用提供重要依據(jù)。

02顆粒形態(tài)與性能分析

優(yōu)化 MOF 材料的實(shí)用表現(xiàn)

MOF 材料的顆粒形態(tài)（大小、形狀、聚集狀態(tài)等）直接影響其性能，如比表面積決定了氣體或液體的流通效率以及分子吸附 / 釋放速度，馬爾文帕納科提供了針對(duì)性的分析設(shè)備。

每種MOF材料都有其預(yù)期應(yīng)用的最佳粒徑和粒徑分布，例如：

• 設(shè)計(jì)用于與氣體相互作用的MOF材料粉末顆粒尺寸可以是1到100μm；

• 對(duì)于電池，更小的顆粒（20nm至1μm）可減少離子擴(kuò)散長(zhǎng)度。使它們均勻地分布在薄的多層結(jié)構(gòu)中；

• 用于生物系統(tǒng)中的藥物傳遞。懸浮液中使用MOF納米晶體（<100nm）。它們小到可以穿透血腦屏障。

激光衍射粒度分析

Mastersizer 系列激光粒度儀可用于優(yōu)化 MOF 粉末的物理性能，保證顆粒尺寸均勻、不團(tuán)聚、結(jié)構(gòu)完整，從而提升 MOF 材料在氣體存儲(chǔ)、催化等應(yīng)用中的效率。例如在 MOF 催化劑的生產(chǎn)中，通過(guò)該設(shè)備監(jiān)測(cè)顆粒尺寸分布，確保催化劑顆粒符合反應(yīng)需求，提高催化活性。

自動(dòng)化成像與拉曼光譜聯(lián)用

Morphologi 4/4-ID全自動(dòng)粒度粒形分析儀可以監(jiān)測(cè) MOF 顆粒在不同環(huán)境下的降解情況，如在生物醫(yī)用 MOF 材料的研究中，觀察 MOF晶體在生物介質(zhì)中的形態(tài)變化，通過(guò)拉曼光譜分析發(fā)現(xiàn)降解區(qū)域有機(jī)配體的流失，以及后續(xù)無(wú)機(jī)基質(zhì)的溶解坍塌（如圖中展示了降解前后 MOF晶體的顯微鏡圖像及對(duì)應(yīng)的拉曼光譜變化），為 MOF 在藥物遞送領(lǐng)域的安全性和有效性評(píng)估提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

03液體中的納米顆粒分析

拓展 MOF 材料的應(yīng)用邊界

當(dāng) MOF 材料以納米顆粒形式分散在液體中時(shí)（如藥物遞送系統(tǒng)中的 MOF 納米顆粒），其 流體動(dòng)力學(xué)性能、穩(wěn)定性等至關(guān)重要，馬爾文帕納科的相關(guān)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)分析。

動(dòng)態(tài)光散射與電泳光散射

Zetasizer Advance系列納米粒度電位儀用于控制 MOF納米顆粒在液體中的穩(wěn)定性和流動(dòng)性，確保其在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的有效應(yīng)用。例如在 MOF藥物遞送系統(tǒng)中，通過(guò)測(cè)定 Zeta 電位評(píng)估納米顆粒在不同 pH 值下的穩(wěn)定性（如在電池和電子應(yīng)用中，監(jiān)測(cè) MOF顆粒在環(huán)境變化下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性），保證藥物載體能順利通過(guò)生物屏障，精準(zhǔn)到達(dá)作用靶點(diǎn)；也可用于 MOF催化顆粒的合成質(zhì)控，確保其在液體反應(yīng)體系中的分散性和催化效率。

Zetasizer Advance系列采用非侵入式背散射（NIBS）技術(shù)，可分析更廣泛濃度和粒徑范圍的 MOF 納米顆粒樣品；結(jié)合多角度動(dòng)態(tài)光散射（MADLS®）技術(shù)，能獲得最高分辨率的粒徑數(shù)據(jù)，可準(zhǔn)確測(cè)量 1nm-10μm 范圍內(nèi)的顆粒尺寸。同時(shí)，通過(guò)電泳光散射（ELS）技術(shù)測(cè)定 Zeta 電位，評(píng)估納米顆粒的穩(wěn)定性和聚集趨勢(shì)。設(shè)備具備恒流模式，避免電極極化導(dǎo)致的數(shù)據(jù)誤差；借助自適應(yīng)相關(guān)算法，只需最少的樣品制備就能保證結(jié)果的重復(fù)性；擁有以樣品為中心的工作流程，可自動(dòng)化完成復(fù)雜分析，還能即時(shí)提供自動(dòng)反饋和實(shí)用建議。

納米顆粒跟蹤分析

在 MOF 納米顆粒的制備和應(yīng)用過(guò)程中，監(jiān)測(cè)顆粒的濃度變化和尺寸分布穩(wěn)定性，例如在 MOF基水質(zhì)凈化材料的研究中，分析納米顆粒在水中的分散狀態(tài)和濃度，確保其對(duì)水中污染物的吸附效率。

NanoSight Pro納米顆粒跟蹤分析儀通過(guò)實(shí)時(shí)成像觀察液體中 MOF納米顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)合跟蹤分析技術(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)顆粒尺寸和濃度的精準(zhǔn)測(cè)定，能為 Zetasizer Advance的分析結(jié)果提供補(bǔ)充驗(yàn)證，更全面地了解納米顆粒在液體中的行為。

X射線熒光光譜分析

測(cè)定 MOF 納米顆粒在液體中的離子濃度，評(píng)估其離子捕獲和釋放效率；同時(shí)可監(jiān)測(cè) MOF 材料合成過(guò)程中原料和前驅(qū)體的純度，以及催化劑殘留等雜質(zhì)含量。例如在 MOF 催化合成碳納米管的過(guò)程中，通過(guò) X 射線熒光光譜分析監(jiān)測(cè)催化劑殘留雜質(zhì)，避免其對(duì)碳納米管性能和應(yīng)用的影響（如圖中展示了碳納米管樣品的 XRF 光譜，標(biāo)注了殘留雜質(zhì)對(duì)應(yīng)的特征峰）。

Zetium光譜儀和Epsilon系列臺(tái)式能譜儀，可實(shí)現(xiàn) MOF樣品及液體環(huán)境的元素分析，適用于固體、液體、漿料、松散粉末等多種形態(tài)的樣品，能檢測(cè)從碳（C）到镅（Am）的元素，檢測(cè)限范圍為 ppm-100%，具備獨(dú)特的動(dòng)態(tài)范圍和高元素分辨率，且分析速度快、結(jié)果準(zhǔn)確，支持在線或離線分析。

除了上述技術(shù)在MOF材料表征中的應(yīng)用以外，2024年加入馬爾文帕納科的麥克默瑞提克（Micromeritics）更是擁有比表面、孔徑、孔隙率、化學(xué)吸附、密度等多款適用于MOF材料的表征技術(shù)，無(wú)論是 MOF 材料的基礎(chǔ)研究、開(kāi)發(fā)升級(jí)還是生產(chǎn)質(zhì)控，馬爾文帕納科都能提供精準(zhǔn)、高效的表征解決方案，幫助科研人員和產(chǎn)業(yè)工作者突破技術(shù)瓶頸，推動(dòng) MOF 材料在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用，為構(gòu)建更美好的世界貢獻(xiàn)力量！