基于双金属CeCo-MOF的比色传感器阵列：高效检测四环素类抗生素的新突破

原创

来源：曹璐璐

2025-02-02 17:22:48

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核心提示：利用CeCo-MOF的三酶模拟活性构建了三通道比色传感器阵列，用于多种四环素类抗生素的检测。

引言

四环素类抗生素（TCs）作为一类广泛使用的抗菌药物，在畜牧业、水产养殖和食品工业中发挥着重要作用。然而，其滥用和误用导致的残留问题对人类健康和生态环境构成了严重威胁。传统的检测方法如高效液相色谱（HPLC）和质谱（MS）虽然准确度高，但存在设备昂贵、操作复杂、检测周期长等局限性，限制了其在实验室以外的应用。因此，开发一种灵敏、快速、简便的四环素类抗生素检测方法对于保障食品安全、生态环境和人类健康具有重要意义。

正文

一、研究背景与意义

四环素类抗生素包括米诺环素（MC）、强力霉素（DOX）、氯四环素（CTC）、四环素（TC）和土霉素（OTC）等，因其低成本、易合成和良好的治疗效果而被广泛应用。然而，大量四环素类抗生素在动物体内代谢不完全，超过75%的残留物会进入环境，最终通过水和食物链进入人体，引发过敏反应、肾脏损伤和胃肠道疾病等健康问题。世界卫生组织和中国国家卫生健康委员会对牛奶中四环素类抗生素的最大残留限量（MRL）进行了严格规定，因此，建立一种灵敏、快速、简便的四环素类抗生素检测方法对于保障食品安全和人类健康至关重要。

二、双金属CeCo-MOF的制备与特性

本研究设计并合成了一种具有类似漆酶、氧化酶和过氧化物酶活性的双金属金属-有机框架（CeCo-MOF）。与单金属MOF相比，CeCo-MOF由于金属活性位点的增加和电子结构的改善，展现出更优越的催化性能和稳定性。CeCo-MOF的制备采用两步水热法，以2,2'-联吡啶-5,5'-二羧酸（H₂BPyDC）为配体，Ce(IV)和Co(II)为金属阳离子。CeCo-MOF的结构特征通过粉末X射线衍射（PXRD）、扫描电子显微镜（SEM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、能量色散X射线光谱（EDS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）等技术进行了详细表征。CeCo-MOF呈现出立方结构，粒径约为90纳米，具有良好的多孔结构和热稳定性，为金属活性位点的暴露和催化反应的进行提供了有利条件。

三、CeCo-MOF的三酶模拟活性及其催化机制

CeCo-MOF展现出优异的三酶模拟活性，能够催化多种反应体系。其漆酶样活性通过2,4-二硝基苯酚（2,4-DP）和4-氨基安替比林（4-AAP）的经典氧化反应进行研究，氧化酶样活性通过四甲基联苯胺（TMB）的氧化反应进行评估，过氧化物酶样活性则通过新型Trinder试剂TOPS和4-AAP进行探索。CeCo-MOF的三酶模拟活性优于单金属MOF，主要归因于Co的引入增强了CeCo-MOF的电子转移能力和催化活性位点。通过循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）和电子顺磁共振（EPR）等技术深入研究了CeCo-MOF的催化机制。CeCo-MOF在酸性条件下通过Co的活性位点增强氧化酶样和过氧化物酶样活性，Ce⁴⁺从底物上获得电子并还原为Ce³⁺，Ce³⁺再被Co³⁺氧化为Ce⁴⁺，同时Ce³⁺和Co²⁺能够被氧气氧化为Ce⁴⁺和Co³⁺，生成的活性氧物种（如羟基自由基、超氧阴离子和单线态氧）进一步氧化底物。在中性环境中，CeCo-MOF的漆酶样活性增强，Ce⁴⁺将2,4-DP氧化为半醌自由基，Ce³⁺再被Co³⁺氧化为Ce⁴⁺，同时Ce³⁺和Co²⁺能够被氧气氧化为Ce⁴⁺和Co³⁺，生成的活性氧物种氧化2,4-DP为半醌自由基。

四、基于CeCo-MOF的比色传感器阵列构建与性能

利用CeCo-MOF的三酶模拟活性构建了三通道比色传感器阵列，用于多种四环素类抗生素的检测。通道1由CeCo-MOF、2,4-DP、4-AAP和PBS缓冲液组成，通道2由CeCo-MOF、TMB和NaAc-HAc缓冲液组成，通道3由CeCo-MOF、H2O2、TOPS、4-AAP和NaAc-HAc缓冲液组成。不同浓度的四环素类抗生素与CeCo-MOF孵育后，通过测量各通道的吸光度变化实现对四环素类抗生素的检测。实验结果表明，该传感器阵列能够成功区分0.1-10 μM范围内的五种四环素类抗生素，检测限分别为米诺环素3.235 nM、强力霉素3.262 nM、氯四环素4.045 nM、四环素1.559 nM和土霉素1.891 nM，优于大多数光学传感器的检测性能。此外，该传感器阵列还能够实现对四环素类抗生素混合物的定量检测和区分，展现出良好的多重检测能力。

五、实际样品中的应用与验证

为了验证传感器阵列的可靠性和实用性，研究人员将其应用于牛奶、蜂蜜和鸡肉等实际样品中四环素类抗生素的检测。通过在实际样品中添加标准四环素类抗生素溶液并进行预处理后，利用传感器阵列进行检测。实验结果表明，该传感器阵列在实际样品中具有良好的鉴别能力和回收率，四环素类抗生素的回收率在92.21%-108.01%之间，与高效液相色谱-质谱（HPLC-MS）检测结果无显著差异。此外，通过双盲测试对未知样品进行检测，识别准确率达到96.67%，进一步证实了传感器阵列的检测可靠性。

结论

本研究成功开发了一种基于双金属CeCo-MOF的比色传感器阵列，实现了对多种四环素类抗生素的高效检测。CeCo-MOF的三酶模拟活性为其在传感器阵列中的应用提供了基础，传感器阵列展现出优异的检测性能、抗干扰能力和实际样品检测能力，为四环素类抗生素的检测提供了一种新的方法。此外，该研究首次将双金属MOF的多酶模拟活性应用于光学传感器阵列的构建，为先进传感器阵列的设计和制造提供了新思路。

图1. (A) 具有三重酶模拟活性的 CeCo-MOF 的合成路线。(B) 用于识别各种 TC 的比色传感器阵列的图示。

图2. (A) CeCo-MOF 的合成路线。(B) CeCo-MOF 的 EDS 元素分析。(C) CeCo-MOF 的 SEM 图像（插图：粒度分布）。(D) CeCo-MOF 的 HRTEM 图像。(E) CeCo-MOF 的 SEM 图像及其相应的 EDS 元素映射图像（显示 C、N、O、Co 和 Ce 的分布）。(F) CeCo-MOF 的 Ce 3d XPS 光谱。(G) CeCo-MOF 的 Co 2p XPS 光谱。