基于FeCu基普鲁士蓝类似物异质结构的多功能比色阵列传感器，用于高效区分四环素类抗生素及快速识别尿路感染病原体

1.引言

抗生素的滥用与耐药性增强已成为全球公共卫生的重大挑战，其中四环素类抗生素的残留检测及尿路感染病原体的快速识别在临床诊断中至关重要。然而，现有的检测方法往往面临操作繁琐、耗时长或依赖昂贵仪器等局限，难以满足现场即时检测的需求。基于此，开发一种集高灵敏度、快速响应与低成本于一体的双功能传感策略，对于实现抗生素残留监控及感染性疾病的早期精准诊断具有迫切的现实意义。

本研究开发了基于FeCu基普鲁士蓝类似物（PBAs）异质结构的新型比色传感技术，通过调控Fe/Cu比例构建了具有可调类漆酶活性的三通道传感器阵列。该方法利用主成分分析（PCA）对颜色指纹图谱进行数据处理，有效解决了传统手段难以同时兼顾四环素类抗生素高灵敏区分与尿路感染病原体快速识别的难题。该技术实现了复杂样本中抗生素的痕量检测与病原菌的即时诊断，为食品安全监测及临床感染疾病的精准治疗提供了高效、便捷的双功能分析平台。

2.结果与讨论

FeCu基普鲁士蓝类似物异质结构的合成与表征：通过共沉淀法制备三种FeCu基普鲁士蓝类似物（PBAs）纳米立方体，结合扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）及X射线光电子能谱（XPS）表征，证实了材料具有均匀的立方体形貌和可调的晶体结构，实现了Fe、Cu、Eu元素在晶格中的均匀分布及BSA的成功包覆，为构建多识别位点的传感阵列奠定了材料基础。

图 1 展示了不同材料的扫描电子显微镜（SEM）图像，分别为：(a, b) Fe0.7Cu0.9-PBA1.0、(c) mailto:Fe0.7Cu0.9-PBA1.0@BSA0.5 以及 (d) Fe0.7Cu0.9Eu0.1-PBA1.0。此外，(e-i) 为 Fe0.7Cu0.9Eu0.1-PBA1.0 材料的 SEM-EDS 元素分布图（包含 Fe、Cu、Eu、C、N、O 和 K 元素）。图1(e-l)的比例尺为 1.0 µm。

图 2 不同放大倍数下 Fe0.7Cu0.9-PBA1.0 (a, b)、mailto:Fe0.7Cu0.9-PBA1.0@BSA0.5 (c, d) 和 Fe0.7Cu0.9Eu0.1-PBA1.0 (e, f) 材料的透射电子显微镜（TEM）图像；三种 FeCu 基普鲁士蓝类似物（PBAs）的粒径分布直方图 (g-i)、粉末 X 射线衍射（XRD）图谱 (j)、N2 吸附-脱附等温线 (k) 以及孔径分布图 (l)。

类漆酶催化活性的评估与动力学分析：利用2,4-二氯苯酚（2,4-DP）与4-氨基安替比林（4-AP）的氧化偶联显色反应，结合稳态动力学分析（Michaelis-Menten方程），证实了FeCu基PBAs具有无需H₂O₂参与的类漆酶活性，实现了对底物的高亲和力（低Km值）和快速催化速率（高Vmax值），且催化机制涉及羟基自由基（·OH）和超氧阴离子（O₂·⁻）的生成。

图 3 Fe0.7Cu0.9-PBA1.0 与 4-AP 和 2,4-DP 反应的紫外-可见（UV-vis）光谱 (a)；在不同 Cu(II) 浓度 (b) 和 [Fe(CN)6]3- 离子浓度 (c) 下，FexCuy-PBA1.0 催化 2,4-DP 与 4-AP 反应体系在 510 nm 处的吸光度值（n = 3）。Fe0.7Cu0.9-PBA1.0 (d, g)、Fe0.7Cu0.9Eu0.1-PBA1.0 (e, h) 和 mailto:Fe0.7Cu0.9-PBA1.0@BSA0.5 (f, i) 在不同浓度 2,4-DP 条件下的稳态动力学测定曲线及其双倒数图。

四环素类抗生素的比色传感阵列识别：基于三种FeCu基PBAs对四种四环素类抗生素（TCs）催化抑制效应的差异，结合主成分分析（PCA）和线性判别分析（LDA）算法，实现了对结构相似的四环素、土霉素、金霉素和多西环素的高效区分与定性定量检测，在复杂基质中检测限低至1.41 nM，展现了优异的选择性和灵敏度。

图 4 四种四环素类抗生素（TCs）在三种FeCu基普鲁士蓝类似物及4-AP/2,4-DP体系下，于510 nm处吸光度响应差异的直方图 (a)；利用三种FeCu基PBAs区分四种TCs的热力图 (b) 和雷达图 (c)。本阵列传感器识别TCs的二维典型得分图 (d)、四种TCs判别因子1的小提琴图 (e) 以及聚类分析（HCA）图 (f)。图5(a-f)中各TCs的最终浓度为0.1 μM。所提阵列传感器在 (g) 0.5 μM、(h) 1.0 μM、(i) 5 μM、(j) 10 μM、(k) 30 μM、(l) 50 μM浓度下识别TCs的二维得分图；(m) 混合浓度（0.1–50 μM）下的得分图；DOC与CTE二元混合物 (o) 以及CTE、DOC与TC三元混合物 (p) 的得分图。三种浓度下四种TCs比色响应信号的混淆矩阵 (n)。该阵列传感器区分四种TCs与其他干扰物质的二维得分图 (q) 和雷达图 (r)。数据表示为 平均值 ± 标准差 (n = 3)。

图 5 用于区分不同浓度四环素类抗生素（TCs）的主成分分析（PCA）图 (a, d, g, j) 和雷达图 (b, e, h, k)；以及判别因子1与各TCs不同浓度之间的线性关系图 (c, f, i, l)。

便携式纸基传感器对四环素的智能手机识别：将液相传感体系转移至纸基芯片，结合智能手机采集RGB颜色参数与PCA分析，实现了对四种四环素类抗生素的可视化现场检测，在2.0 μM浓度下即可通过颜色指纹图谱清晰区分不同抗生素种类，为食品和环境样本中抗生素残留的快速筛查提供了便携化工具。

图 6  四种四环素类抗生素（TCs）在三种FeCu基普鲁士蓝类似物（PBA）纳米立方体及4-AP/2,4-DP体系下，颜色参数变化响应差异的直方图 (a)；用于区分四种TCs的热力图 (b) 和雷达图 (c)。该阵列传感器识别TCs的二维典型得分图 (d)、四种TCs判别因子1的小提琴图 (e) 以及聚类分析（HCA）图 (f)。图7(a-f)中各TCs的最终浓度为2.0 μM。所提阵列传感器在 (g) 5 μM、(h) 10 μM、(i) 20 μM、(j) 50 μM、(k) 70 μM 以及 (l) 100 μM 浓度下识别TCs的二维典型得分图。

尿路感染病原菌的比色传感阵列识别：利用细菌表面生物大分子与纳米酶活性位点的特异性相互作用产生的差异化信号抑制，结合PCA和层次聚类分析（HCA），实现了在10分钟内对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和粪肠球菌四种常见尿路感染病原菌的精准识别，检测限低至0.27 CFU mL⁻¹，且不受常见生物分子干扰。

图 7 四种细菌在三种FeCu基普鲁士蓝类似物（PBAs）及4-AP/2,4-DP体系下，于510 nm处吸光度响应差异的直方图 (a)；用于区分四种细菌的热力图 (b) 和雷达图 (c)。该阵列传感器识别四种细菌的二维典型得分图 (d)、四种细菌判别因子1的小提琴图 (e) 以及聚类分析（HCA）图 (f)。图8(a-f)中各微生物的最终浓度为 10 CFU mL⁻¹。该阵列传感器在 (g) 10² CFU mL⁻¹、(h) 10⁴ CFU mL⁻¹、(i) 10⁶ CFU mL⁻¹、(j) 10⁸ CFU mL⁻¹ 以及 (k) 混合浓度（10–10⁸ CFU mL⁻¹）下识别四种细菌的二维典型得分图。不同浓度下四种细菌比色响应模式的混淆矩阵 (l)。

病原菌的原位检测与协同灭活机制：基于FeCu基PBAs在底物存在下产生活性氧（ROS）及金属离子释放的特性，结合细菌形态学表征，实现了在2小时内对捕获的尿路感染病原菌进行原位高效杀灭（灭活率>99%），构建了集“快速识别”与“即时消毒”于一体的双功能诊疗平台，有效避免了二次污染风险。

图 8 尿路感染（UTI）细菌的原位检测与灭活示意图

3.总结

本文构建了一种集高效检测与杀菌功能于一体的多功能传感平台。其核心优势在于：首先，利用FeCu基普鲁士蓝类似物的类酶活性，实现了对多种抗生素及尿路感染病原菌的高灵敏度、广谱识别；其次，结合智能手机比色分析与化学计量学方法，建立了精准的可视化定量检测模型，极大提升了便携性与准确性；最后，该平台兼具优异的光热抗菌性能，能够原位灭活细菌，成功实现了“诊疗一体化”，为临床感染疾病的快速诊断与即时治疗提供了强有力的技术支撑。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2026.142326