多功能CaO2@Cu-MOF纳米片：四环素的集成荧光检测与芬顿样降解

原创

来源：曹璐璐

2025-02-13 14:39:10

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核心提示：本研究基于多功能复合CaO2@Cu-MOF纳米片，构建了一个用于TC集成检测与降解的反应系统，并成功应用于实际水环境样品。

引言

抗生素滥用引发的污染问题，严重威胁公众健康安全。四环素（TC）作为常见抗生素之一，在水环境中残留广泛，其检测与降解备受关注。传统检测方法如色谱、质谱等需专业设备与复杂预处理，且对低浓度抗生素检测困难。荧光生物传感器凭借高灵敏度、稳定性好、成本低等优势，在环境分析领域应用广泛。然而，如何进一步提升生物传感器的检测灵敏度，以满足环境分析需求，仍是亟待解决的问题。另一方面，确保水环境中抗生素浓度在安全范围内与监测抗生素同等重要。化学吸附、生物降解、光催化降解和化学氧化等技术被开发用于抗生素残留消除。其中，芬顿氧化作为高效、操作简便的高级氧化过程备受关注，但其存在操作pH范围窄、需额外添加过量H₂O₂等问题。因此，探索新型芬顿氧化系统，实现抗生素在温和pH条件下的高效降解具有重要意义。

研究方法

CaO₂@Cu-MOF纳米片的制备

首先，根据文献报道合成CaO₂纳米颗粒（CaO₂ NPs）。接着，将CaO₂NPs分散在甲醇溶液中，加入Cu(NO₃)₂·3H₂O和聚乙烯吡咯烷酮，再缓慢滴加1,3,5-苯三甲酸甲醇溶液，经过24小时反应后，通过离心分离、洗涤、干燥得到CaO₂@Cu-MOF纳米片。为对比，也制备了不含CaO₂ NPs的原始Cu-MOF纳米片。

信号探针SDNA@CaO₂@Cu-MOF纳米片的制备

利用SDNA末端修饰的氨基与Cu-MOF纳米片表面的羧基发生酰胺化反应，制备信号探针SDNA@CaO2@Cu-MOF纳米片。

四环素的集成荧光检测与氧化降解

在捕获探针CDNA@Fe₃O₄NPs表面修饰的TC分子特异性识别TC后，释放Key DNA，与TC分子富集在CDNA@Fe₃O₄ NPs表面。在Exo III和Key DNA协同作用下，捕获探针表面的发夹DNA依次打开，通过碱基配对反应捕获信号探针。在H⁺触发下，信号探针爆炸性释放Ca²⁺、H₂O₂和Cu²⁺，部分上清液与钙黄绿素溶液混合，激活其荧光发射，实现TC的灵敏检测。同时，捕获探针表面富集的TC可通过产生的Cu²⁺引发的Cu²⁺/Cu⁺循环和自产H₂O₂介导的芬顿样氧化和O₂活化系统降解。

实验结果与讨论

CaO₂@Cu-MOF纳米片的表征

透射电子显微镜（TEM）图像显示，CaO₂ NPs均匀附着在Cu-MOF纳米片表面，直径约为5 nm。高分辨TEM图像揭示了CaO₂ NPs的典型晶面间距，与四方晶系结构的(110)面相对应。元素映射图像证实了Ca、O、Cu元素在Cu-MOF纳米片上的均匀分布。X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）进一步表征了复合材料的组成和结构，表明CaO₂ NPs和Cu-MOF纳米片的晶体相未发生显著变化。

捕获探针和信号探针的表征

捕获探针（CDNA@Fe₃O₄ NPs）和信号探针（SDNA@CaO₂@Cu-MOF纳米片）的表征数据详见补充信息。

荧光检测条件的优化

为获得TC荧光检测的最佳性能，优化了检测过程的相关参数。发现Ca²⁺与钙黄绿素的复合物在pH=5时荧光发射最强。酸触发信号探针解离释放Ca²⁺的反应时间优化为15分钟。Exo III酶催化反应时间和信号探针与CDNA消化产物之间的碱基配对反应时间也进行了优化，分别为40分钟和25分钟。

TC荧光检测机制

通过聚丙烯酰胺凝胶电泳（PAGE）验证了DNA循环反应。结果显示，TC分子可与捕获探针表面修饰的TC分子特异性识别并释放Key DNA，进而触发DNA循环反应。原子吸收光谱（AAS）证实了信号探针在酸触发下可爆炸性释放Ca²⁺。荧光实验表明，DNA循环放大和纳米增强策略协同作用可显著提高TC的检测灵敏度。

TC荧光检测的分析性能

在最佳条件下，构建的酸触发Ca²⁺介导的荧光生物传感器用于TC检测。随着TC浓度的增加，钙黄绿素在525 nm处的荧光信号逐渐增强。TC浓度与荧光发射强度的相对变化在0.001-100 ng mL⁻¹范围内呈线性关系，检测限为11.8 fg mL⁻¹。该检测限远低于许多先前报道的TC生物传感方法，证实了Exo III催化循环放大策略对传感器分析灵敏度的显著提升。此外，该荧光生物传感器对TC具有良好的选择性，对其他共存抗生素和金属离子的荧光响应几乎可以忽略不计。重复性和重现性实验表明，该传感器具有可接受的重复性和重现性。

TC的氧化降解性能

通过测量反应溶液中TC的紫外-可见吸收光谱来确定TC的降解性能。CaO₂@Cu-MOF纳米片在30分钟和60分钟内分别实现了91.1%和94.5%的TC降解。基于伪一级动力学模型计算的表观反应速率常数为0.036 min⁻¹，是CaO₂ NPs和Cu-MOF纳米片的18倍和12倍。初始pH值对芬顿样氧化系统的影响研究表明，当pH值在1.0-5.0范围内变化时，TC的降解效率几乎保持在90%左右，而当pH值从6.0增加到10.0时，TC的降解效率急剧下降。这表明H+在启动TC高效降解中起着重要作用。

活性氧对TC氧化降解的贡献

通过自由基（羟基自由基（•OH）、单线态氧（¹O₂）和超氧自由基（•O₂^–））和H₂O₂捕获实验研究了芬顿样氧化系统的降解机制。结果表明，•OH、•O₂^–、¹O₂和H₂O₂物种在TC降解过程中均发挥了重要作用。电子顺磁共振（ESR）实验进一步证实了反应系统中ROS的存在。Cu²⁺和H₂O₂的持续释放以及Cu²⁺/Cu⁺循环在O₂活化系统中发挥了关键作用。

TC的氧化降解机制

基于上述分析，提出了TC的降解机制。首先，在H⁺存在下，Cu²⁺和H₂O₂从复合材料表面持续释放。然后，Cu²⁺与H₂O₂反应生成Cu⁺和•O₂H，•O₂H进一步与H₂O分子反应生成•OH和H₂O₂。Cu⁺可与H₂O₂反应生成Cu²⁺和•OH，从而在Cu²⁺/Cu⁺循环下持续产生高活性的•OH。同时，反应系统中的O₂可通过Cu循环中的电子转移被激活为•O₂^–，进一步与•OH反应生成¹O₂以降解TC。基于HPLC-MS检测到的主要有机中间体，提出了TC的两种可能的转化机制。

实际水样中TC的检测与降解

为验证所制备荧光传感系统在实际水样中检测暴露TC的可能性，采集了自来水和湖水（黄石青山湖）作为实际水样进行检测。结果显示，两种实际水样中均未检测到TC残留。通过加标回收实验，两组样品的加标回收率分别为95.4%和105.7%，表明所制备的传感器具有良好的抗干扰能力，能满足实际水环境中暴露抗生素的检测需求。进一步研究了反应系统对实际样品中TC的氧化降解性能。结果表明，与纯水系统相比，实际湖水样品中TC的降解效率无显著变化，表明所构建的集成检测与降解反应系统可有效应用于实际水环境样品中抗生素的监测与处理。

结论

本研究基于多功能复合CaO₂@Cu-MOF纳米片，构建了一个用于TC集成检测与降解的反应系统，并成功应用于实际水环境样品。在DNA循环和纳米增强的协同作用下，构建的荧光传感器对低浓度暴露TC表现出灵敏的检测性能。同样，由Cu²⁺/Cu⁺循环介导的芬顿样氧化对水环境中暴露的TC表现出优异的降解性能。通过简单的酸触发多功能信号探针的解离，检测信号因子（Ca²⁺）和芬顿样氧化试剂（Cu²⁺和H₂O₂）能够爆炸性释放，不仅有利于提高检测系统的检测灵敏度，还有利于提高氧化系统的降解效率。因此，实现了TC的集成检测与消除。值得注意的是，该反应系统由弱酸性溶液触发，具有更好的环境友好性和可扩展性。