本文摘要

金屬有機框架（MOF）材料作為當下材料領域的 “明星"，憑借有機與無機分子自組裝形成的納米級互聯空隙結構，在氣體存儲與分離、液體凈化、藥物遞送、催化等眾多領域展現出不可替代的優勢。

而要充分發揮 MOF 材料的性能，精準的表征分析至關重要。馬爾文帕納科（Malvern Panalytical）作為全球領xian的分析解決方案提供商，憑借強大的技術實力和豐富的經驗，為 MOF 材料表征提供了quan方位的支持，助力科研與產業人員深入探索 MOF 材料的奧秘。

什么是MOF材料？

金屬有機框架材料（Metal Organic Frameworks MOFs）是由有機分子和無機分子自組裝而成的雜化晶體。MOFs含有納米級的相互連接的空隙，這使它們在捕獲、儲存和催化離子和分子方面具有極大的潛力。調節它們的局部環境（如電場、溫度、壓力或化學）可以使許多分子或離子吸附或釋放。

MOFs材料的廣泛應用

01晶體結構分析

揭開MOF材料性能的核心密碼

究竟是什么讓MOF材料如此擅長收集？答案是它們復雜的晶體結構！

MOF 材料的優異性能與其復雜的晶體結構密切相關，精準分析晶體結構是優化 MOF 材料的基礎。馬爾文帕納科為此提供了多款高效可靠的設備。XRD即可快速識別 MOF材料晶體結構，還能研究 MOF 材料在不同環境條件（如溫度、濕度）下的結構變化。ITC為 MOF 材料的結合作用提供完整的熱力學圖譜。

X射線衍射技術

X 射線粉末衍射是測定和驗證晶體結構的成熟技術。Empyrean 銳影多功能X射線衍射儀能提供高分辨率、低背景的衍射數據，憑借優異的分辨率和靈敏度，可精準捕捉最細微的結構細節，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對水分子的吸附與解吸過程，通過原位相對濕度數據的等線圖，清晰展現溫度對其的影響，為 MOF 在水收集等領域的應用提供關鍵數據支持。

Aeris 緊湊型衍射儀則主打快速 “指紋識別"，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單的按鍵操作，在緊湊的機身中實現了落地式衍射儀的品質，還具備出色的低檢測限，能識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的通用技術，靈敏度很高，能直接測量 MOF材料與目標分子或離子結合過程中的熱量變化，進而精確測定結合常數（KD）、反應化學計量比（N）、焓變（?H）和熵變（ΔS），為 MOF 材料的結合作用提供完整的熱力學圖譜。

MicroCal PEAQ-ITC等溫滴定微量熱儀助力研究 MOF 材料特定孔位的結合親和力，例如分析 MOF 材料 NU-1000 對尿毒癥毒素的吸附作用，通過 ITC 測定不同結合位點的相互作用，發現其在兩個不同孔位分別存在熵驅動和焓驅動的吸附過程，為 MOF 在醫學解毒領域的應用提供重要依據。

02顆粒形態與性能分析

優化 MOF 材料的實用表現

MOF 材料的顆粒形態（大小、形狀、聚集狀態等）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性的分析設備。

每種MOF材料都有其預期應用的最佳粒徑和粒徑分布，例如：

• 設計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；

• 對于電池，更小的顆粒（20nm至1μm）可減少離子擴散長度。使它們均勻地分布在薄的多層結構中；

• 用于生物系統中的藥物傳遞。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化 MOF 粉末的物理性能，保證顆粒尺寸均勻、不團聚、結構完整，從而提升 MOF 材料在氣體存儲、催化等應用中的效率。例如在 MOF 催化劑的生產中，通過該設備監測顆粒尺寸分布，確保催化劑顆粒符合反應需求，提高催化活性。

自動化成像與拉曼光譜聯用

Morphologi 4/4-ID全自動粒度粒形分析儀可以監測 MOF 顆粒在不同環境下的降解情況，如在生物醫用 MOF 材料的研究中，觀察 MOF晶體在生物介質中的形態變化，通過拉曼光譜分析發現降解區域有機配體的流失，以及后續無機基質的溶解坍塌（如圖中展示了降解前后 MOF晶體的顯微鏡圖像及對應的拉曼光譜變化），為 MOF 在藥物遞送領域的安全性和有效性評估提供關鍵數據。

03液體中的納米顆粒分析

拓展 MOF 材料的應用邊界

當 MOF 材料以納米顆粒形式分散在液體中時（如藥物遞送系統中的 MOF 納米顆粒），其 流體動力學性能、穩定性等至關重要，馬爾文帕納科的相關設備可實現精準分析。

動態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定性和流動性，確保其在生物醫學等領域的有效應用。例如在 MOF藥物遞送系統中，通過測定 Zeta 電位評估納米顆粒在不同 pH 值下的穩定性（如在電池和電子應用中，監測 MOF顆粒在環境變化下的結構穩定性），保證藥物載體能順利通過生物屏障，精準到達作用靶點；也可用于 MOF催化顆粒的合成質控，確保其在液體反應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，可分析更廣泛濃度和粒徑范圍的 MOF 納米顆粒樣品；結合多角度動態光散射（MADLS®）技術，能獲得最高分辨率的粒徑數據，可準確測量 1nm-10μm 范圍內的顆粒尺寸。同時，通過電泳光散射（ELS）技術測定 Zeta 電位，評估納米顆粒的穩定性和聚集趨勢。設備具備恒流模式，避免電極極化導致的數據誤差；借助自適應相關算法，只需最少的樣品制備就能保證結果的重復性；擁有以樣品為中心的工作流程，可自動化完成復雜分析，還能即時提供自動反饋和實用建議。

納米顆粒跟蹤分析

在 MOF 納米顆粒的制備和應用過程中，監測顆粒的濃度變化和尺寸分布穩定性，例如在 MOF基水質凈化材料的研究中，分析納米顆粒在水中的分散狀態和濃度，確保其對水中污染物的吸附效率。

NanoSight Pro納米顆粒跟蹤分析儀通過實時成像觀察液體中 MOF納米顆粒的運動軌跡，結合跟蹤分析技術，同時實現顆粒尺寸和濃度的精準測定，能為 Zetasizer Advance的分析結果提供補充驗證，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

測定 MOF 納米顆粒在液體中的離子濃度，評估其離子捕獲和釋放效率；同時可監測 MOF 材料合成過程中原料和前驅體的純度，以及催化劑殘留等雜質含量。例如在 MOF 催化合成碳納米管的過程中，通過 X 射線熒光光譜分析監測催化劑殘留雜質，避免其對碳納米管性能和應用的影響（如圖中展示了碳納米管樣品的 XRF 光譜，標注了殘留雜質對應的特征峰）。

Zetium光譜儀和Epsilon系列臺式能譜儀，可實現 MOF樣品及液體環境的元素分析，適用于固體、液體、漿料、松散粉末等多種形態的樣品，能檢測從碳（C）到镅（Am）的元素，檢測限范圍為 ppm-100%，具備獨特的動態范圍和高元素分辨率，且分析速度快、結果準確，支持在線或離線分析。

除了上述技術在MOF材料表征中的應用以外，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、化學吸附、密度等多款適用于MOF材料的表征技術，無論是 MOF 材料的基礎研究、開發升級還是生產質控，馬爾文帕納科都能提供精準、高效的表征解決方案，幫助科研人員和產業工作者突破技術瓶頸，推動 MOF 材料在更多領域實現創新應用，為構建更美好的世界貢獻力量！