超快速便携式检测环境中的四环素

摘要：四环素是环境中检出频率最高的抗生素之一。监测TC的浓度对于了解抗生素的环境命运至关重要。本文采用熔盐辅助热解法制备了M/Co@NC双金属N掺杂碳催化剂(M= Ni, Mn, Cu, Zn, Fe)。Cu和Co之间独特的协同作用赋予Cu/Co@NC对过氧单硫酸盐(PMS)的优越活化能力。利用硫酸根(SO₄^•−)的优势，以PMS为氧化剂，罗丹明B (RhB)为显色剂，开发了一种新颖的比色传感平台。值得注意的是，该平台在60 s内实现了超快的视觉反应，并且在pH 2-9范围内具有广泛的pH适用性。然后，利用竞争抑制机制，建立了中性条件下TC检测的双模比色和荧光传感平台。荧光平台线性范围为0.001 ~ 15 μg/mL，检出限为2 ng/mL。即使在不同的抗生素中，对TC也有很好的选择性。理论计算表明，优越的选择性是由于TC具有较高的亲电性(f ^-)。基于这些发现，开发了一种智能手机辅助测试条，并成功用于实际水样中TC的快速监测。本工作不仅合成了高效的PMS活化剂，而且提出了一种检测时间超快、pH适用范围广、操作便携的新型视觉传感方式。

图1. TC视觉分析的比色法流程说明及智能手机辅助传感平台

首先，对M/Co@NC进行合成与表征。图2a展示了合成过程，图2(b)和(c)的透射电子显微镜(TEM)图像证实了Cu/Co@NC的多面体特征，边缘明显。图2(d)中Cu/Co@NC的高分辨率TEM (HRTEM)图像显示，CoN的(200)平面和石墨碳的(002)平面对应的晶格条纹间距分别为0.214 nm和0.344 nm。选择区域电子衍射(SAED)模式(图1(e))主要指向CoN的(111)、(200)和(220)平面。能量色散x射线能谱(EDS)映射图像(图1(f))表明Cu/Co@NC中Cu、Co、Zn、N、C和O元素分布均匀。

图2. (a) M/Co@NC合成的一般方法示意图。(b) (c)不同放大倍数下Cu/Co@NC的TEM图像。(d) Cu/Co@NC的HRTEM图像和(e) SEAD模式。(f) Cu/Co@NC的EDS元素映射。

进一步地，构建了比色平台。图3(a)显示了TMB+ H₂O₂和RhB+PMS在Cu/Co@NC上的催化过程，其中TMB被氧化为蓝色产物，RhB被降解，在此过程中导致粉红色褪色。如图3(b)所示，TMB+ H₂O₂+催化剂体系需要30分钟的反应时间、0.2 mM的TMB和20 mg/L的催化剂才能实现0.9的吸光度变化。相反，RhB+PMS+催化剂体系仅在1分钟的反应时间、0.01 mM的RhB和5 mg/L的催化剂下就实现了相同的吸光度变化。对比实验考察了不同系统吸光度(ΔA)随时间的变化(图3(c))。除了反应效率外，pH值是实际应用的另一个关键参数。如图3(d)-(f)所示，RhB+PMS+催化剂体系在2.0-9.0的pH范围内保持了80%以上的活性，表明了良好的pH适用性。

图3. （a）TMB和RhB的比色过程示意图。(b) RhB+PMS+催化剂与TMB+H2O2+催化剂在同等ΔA条件下的反应条件比较。(c)不同体系的催化动力学。(d)(e)(f) pH值对不同体系催化活性的影响。

四环素双模传感平台构建。正如所料，随着TC的加入，RhB的吸光度和荧光逐渐增加(图4(a)和(d)。在0.01-15 μg/mL范围内，比色平台与TC之间呈现良好的线性关系(ΔA = 0.0572 [TC] + 0.0022, r² = 0.9957)， LOD为24 ng/mL(图4(b))。同样，荧光平台在0.001 μg/mL ~ 15 μg/mL范围内具有良好的线性响应(ΔFL = 240.9 [TC] - 11.367, r² = 0.9979)，低LOD为2 ng/mL(图4(e))。为了评估所提出的双模式传感平台的选择性，研究了各种物质对吸光度和荧光的影响，包括阳离子(Na⁺， K⁺， Fe³⁺， Mg²⁺)，阴离子(NO^3-， SO₄^2-， HCO₃^-， CO₃^2-， CH₃COO^-， Cl^-)，有机分子(尿素，半胱氨酸，谷胱甘肽，抗坏血酸，雌激素)和不同的抗生素(环丙沙星，磺胺嘧啶，氨苄西林)。如图4(c)和(f)所示，只有TC引起了吸光度和荧光强度的显著变化，而其他物质的影响可以忽略不计，包括其他抗生素。这一结果证实了双模检测平台的高选择性。

图4. (a)不同量TC孵育后RhB-PMS-Cu/Co@NC的紫外-可见吸收光谱。(b) ΔA₅₅₂随TC浓度的变化曲线。图示:TC校准曲线。(c) RhB-PMS-Cu/Co@NC体系中其他物质对A₅₅₂的影响。(d)不同量TC孵育后RhB-PMS-Cu/Co@NC的荧光光谱。(e) ΔFL₅₇₂随TC浓度的变化曲线。图示:TC校准曲线。(f)其他物质对RhB-PMS-Cu/Co@NC体系FL₅₇₂的影响。

最后，为了提高便携性，开发了一种基于比色法的智能手机辅助定量测试条，用于TC检测。如图5(a)所示，首先将Cu/Co@NC喷射到测试条上并干燥。随后，将TC加入到含有RhB和PMS的预混合溶液中，然后将混合物涂在试纸上。1分钟后，用智能手机捕捉反应试纸的图像，并将图像中的颜色转换为数字LAB值。如图5(b)所示，随着TC浓度的增加，颜色逐渐变化，L/(L+ a = b)值与TC浓度在0 ~ 60 μg/mL范围内呈良好的线性关系(图5(c))。线性回归方程为L/(L+A=B) = 0.0326[TC] + 0.0035 (r² = 0.9985)。此外，图5 (d)证实，试纸可以在室温下保存至少30天。此外，进行循环试验以评估制备的试纸的可重复使用性(图5 (e))。经6次循环后，其相对活性保持在90%以上，表明所制备的试纸具有良好的稳定性。

图5. (a)试纸制备及TC检测示意图。(b) TC在智能手机传感器上响应的视觉图像。(c) A/(L+A+B)值与TC浓度的标准曲线。(d)试纸的储存稳定性。(e)试纸条回收实验。

总结：

1、开发了一种以SO4•−为主导的新型比色传感平台，用于超快速便携式TC监测；

2、该平台表现出快速的动力学，可在60秒内获得结果，并且在2-9的pH范围内具有广泛的适用性；

3、该传感平台具有较宽的线性检测范围、较高的LOD灵敏度和较高的选择性；

4、开发了一种智能手机辅助测试条，可以准确定量实际水样中的TC，并显示出现场TC检测的巨大潜力。

参考文献：

Wei, Yuanhua, RunRun Yang, Ya Wang, Haoran Liang, Qiumeng Chen, Zhiliang Cheng, and Siqi Li. "Sulfate radical-dominated colorimetric sensing platform for ultrafast and portable monitoring of tetracycline in environment." Sensors and Actuators B: Chemical (2024): 136134.