将介孔铜配位聚合物整合到电化学平台上，用于检测生物和食品样本中的氟喹诺酮类抗生素

《ACS Omega》：Integration of Mesoporous Copper Coordination Polymer in Electrochemical Platform for Detection of Fluoroquinolone Antibiotic in Biological and Food Samples

本研究开发了一种基于铜基配位聚合物[Cu(C8H4O4)n]的电化学传感器，用于检测合成尿和鸡蛋中的环丙沙星（CIP）。通过优化修饰剂含量（20% w/w）、pH（6.0）和差分脉冲伏安法（DPV），传感器展现出高灵敏度（LOD 0.5 μmol L?1）和准确性（回收率78-108%），并具有宽线性范围和良好抗干扰能力，适用于生物和食品样本的CIP检测，为环保和食品安全提供了新工具。

　　抗生素在人类和兽医医学中扮演着不可或缺的角色。然而，其广泛且无选择性的使用引发了严重的环境和公共卫生问题，尤其是抗生素耐药细菌的出现。在这一背景下，持续监测广谱抗生素，如氟喹诺酮类抗生素，变得尤为重要。本文报告了一种基于铜基配位聚合物的电化学传感器的开发，该传感器用于检测氟喹诺酮类抗生素（如环丙沙星，CIP）在合成尿液和蛋样品中的残留。该传感器的材料[Cu(C?H?O?)]?通过溶剂热法合成，使用1,4-苯二甲酸作为有机配体，铜盐作为金属源。该材料通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜与能量色散X射线光谱（SEM-EDS）、热重分析（TGA）以及比表面分析（BET）进行了表征。通过调整修饰剂含量、pH值和电化学技术，优化了电极修饰过程。优化结果表明，在pH 6.0和20%（w/w）的[Cu(C?H?O?)]?条件下，传感器表现出良好的线性（R2 = 0.992）、回收率在78%到108%之间，并且相对标准偏差（RSD）低于10%（n = 3）。在合成尿液中，该传感器的检测限（LOD）和定量限（LOQ）分别为0.5和1.7 μmol L?1；而在蛋样品中，分别为3.0和10.1 μmol L?1。这种[Cu(C?H?O?)]?/CPE传感器展现出高灵敏度和准确性，凸显了其作为食品和生物样品中CIP残留监测的可靠工具的潜力，从而为食品安全和公共健康做出贡献。

在研究抗生素耐药性问题时，不得不提到抗生素的广泛使用及其对环境的影响。抗生素的使用不仅在人类医学中广泛，也在兽医和农业中普遍。这些药物通常被排泄出体外，未被代谢的部分进入环境，主要通过家庭污水排放。此外，制药工业废水、医院排放和农业径流也构成了抗生素污染的重要来源。这些化合物在环境中的持久性会对微生物群落施加选择压力，促进多重耐药细菌的进化和传播。氟喹诺酮类抗生素（FQs）由于其对多种病原菌的广谱抗菌活性，已经成为抗生素耐药性研究中的重要对象。例如，自从纳啶酸临床应用以来，就已报告了对喹诺酮类药物的耐药性现象。在20世纪90年代，美国环丙沙星的使用量增加了近40%，这与多种革兰氏阴性菌的耐药性显著上升相吻合。

在这些抗生素中，氟喹诺酮类药物因其对多种病原菌的广谱抗菌活性而备受关注。这类药物不仅在人类健康领域广泛应用，而且在兽医和农业领域也频繁使用，带来了巨大的经济效益。然而，随着抗生素耐药性的增加，传统抗菌治疗的有效性受到挑战。这使得监测抗生素残留，尤其是氟喹诺酮类药物，成为当前研究的重要方向。多种分析技术已被用于监测CIP在生物和环境样品中的含量，包括色谱法和光谱法。这些方法因其准确性和稳定性而被广泛使用，但它们通常需要复杂的样品预处理步骤，昂贵的仪器设备以及产生大量化学废弃物。

相比之下，电化学技术，如伏安法和安培法，因其高灵敏度、快速分析、低运营成本以及适用于微型化和现场应用而受到关注。因此，电化学传感器在CIP检测中的应用日益增多，尤其是在结合各种功能性材料以提升分析性能方面。在这一领域，已有多种改良电极被开发用于CIP的电化学测定。例如，Shafiei等人报告了一种基于碳糊电极（CPE）的高灵敏度电化学传感器，该电极修饰了银装饰的聚多金属氧酸盐（POM）、还原氧化石墨烯（rGO）和离子液体（IL）。这种纳米复合材料的结合提供了高导电性、大表面积、低电阻和独特的性质，显著增强了CIP的电催化活性。循环伏安法（CV）结果显示，该传感器的检测限低、线性动态范围宽、稳定性高、重复性和再现性良好，并且使用方波伏安法（SWV）技术能够实现CIP的快速检测。

另一项研究中，CPE被修饰为氯化胆碱（ChCl），用于CIP的电化学检测。这种修饰电极的电活性表面积是原始CPE的四倍，达到了0.123 cm2。除了简便性，该传感器还提供了最低的检测限和最宽的线性范围。此外，它还表现出良好的重复性和稳定性，成功应用于多种基质，包括河水、眼药水和蛋样品，实现了令人满意的回收率。

在电化学传感器的开发中，多孔配位聚合物，尤其是金属有机框架（MOFs）因其高比表面积、可调的孔隙率、可控的化学组成和丰富的暴露活性位点而受到广泛关注。这些特性使MOFs成为集成到便携、敏感和低成本传感设备的理想材料。MOFs的金属中心与功能化有机配体的合理组合可以产生协同效应，增强传感器的电子、氧化还原和催化性能。此外，MOFs在电化学操作条件下表现出良好的稳定性，确保了其长期性能和可重复使用性。

在本研究中，我们报告了一种基于铜的介孔配位聚合物[Cu(C?H?O?)]?的合成，用于CIP的电化学检测。与以往的传感器不同，我们的材料[Cu(C?H?O?)]?不需要额外的导电填料或纳米颗粒，从而简化了传感器的制备过程，同时实现了高效的电子转移和对CIP的强相互作用，提高了电化学平台的分析性能。这种材料的合成通过两步溶剂热法完成，首先对H?BDC（1,4-苯二甲酸）进行脱质子化，随后加入铜盐（Cu(NO?)?），在机械搅拌下进行混合，最终形成[Cu(C?H?O?)]?。

为了评估[Cu(C?H?O?)]?/CPE传感器在实际样品中的应用，我们进行了回收测试，使用合成尿液和蛋样品作为基质，向其中添加不同浓度的CIP（5.00和23.6 μmol L?1）。通过测量对应的电流响应，对CIP的含量进行了三次测定。结果以回收百分比和相对标准偏差（RSD）的形式报告，其中回收率在78.76%到108.30%之间，RSD均低于10.16%（n = 3）。此外，为了评估电极对CIP的选择性，我们构建了在无干扰物质和有常见干扰物质（如抗坏血酸、尿酸、尿素、葡萄糖、Na?、Ca2?和恩诺沙星）存在情况下的校准曲线。干扰物对信号的影响通过方程进行量化。

在电化学表征方面，我们使用循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）对CIP的电化学行为进行了研究。CV测量在0.0–1.6 V的电位范围内进行，扫描速率为50.0 mV s?1。我们系统地研究了磷酸盐缓冲液pH值（4.0, 6.0, 7.0, 和8.0）以及电极配方中[Cu(C?H?O?)]?的负载量（10%, 20%, 和30% w/w）对CIP检测的影响。EIS测量在含有5.0 mmol L?1 K?Fe(CN)?和K?Fe(CN)?的0.1 mol L?1 KCl溶液中进行，频率范围为100 kHz至100 mHz，使用10 mV的正弦波扰动。所有测量均进行三次重复（n = 3）。

通过CV和EIS的综合分析，我们确定了最佳的实验条件，包括pH值为6.0和[Cu(C?H?O?)]?的负载量为20%（w/w）。在这些条件下，传感器表现出良好的线性（R2 = 0.992），以及在合成尿液和蛋样品中的优异性能。此外，通过优化使用差分脉冲伏安法（DPV）和方波伏安法（SWV）技术，我们进一步提高了传感器的灵敏度和选择性。DPV结果显示，该传感器在pH 6.0和20% [Cu(C?H?O?)]?条件下具有最低的检测限和较高的线性动态范围。

为了进一步评估传感器的性能，我们对[Cu(C?H?O?)]?/CPE进行了系统的电化学表征。使用铁氰化物/亚铁氰化物红ox对作为探针，CV和EIS分析显示，[Cu(C?H?O?)]?修饰的电极具有更高的电化学活性。CV数据表明，[Cu(C?H?O?)]?修饰电极的峰电流高于未修饰电极，确认了其增强的电化学性能。此外，峰-峰电位差（ΔE? = E?a - E?c）从未修饰CPE的349.13 mV减少到[Cu(C?H?O?)]?/CPE的161.14 mV，表明电子转移动力学加快，电化学过程的可逆性增强。

为了评估电化学过程的电子转移动力学，我们使用Randles–?ev?ík方程计算了异质电子转移速率常数（k?）。该常数与电极–电解质界面的电子转移效率相关。计算结果表明，未修饰CPE的k?为2.2 × 10?? cm s?1，而[Cu(C?H?O?)]?/CPE的k?为3.5 × 10?? cm s?1，进一步确认了[Cu(C?H?O?)]?修饰对电极电化学性能的提升。

此外，我们还通过CV分析估计了电活性表面积。未修饰CPE的电活性表面积为0.021 cm2，而[Cu(C?H?O?)]?/CPE的电活性表面积达到0.084 cm2，是未修饰电极的四倍。这表明[Cu(C?H?O?)]?修饰的电极表面具有更高的活性位点密度，结合较低的Rct值和较高的k?值，进一步证明了[Cu(C?H?O?)]?/CPE在电化学检测中的优越性能。

在CIP的电化学检测中，我们还研究了不同扫描速率对电化学行为的影响。CV结果显示，CIP的峰电流随着扫描速率的平方根线性增加，符合Randles–?ev?ík方程，表明该过程主要由扩散控制。通过绘制log I?a与log ν的曲线，我们进一步确认了这一扩散机制，且相关系数（R2）达到0.9985。

为了提高检测的准确性和灵敏度，我们对DPV和SWV两种技术进行了比较。结果显示，DPV在CIP检测中表现出更高的电流响应，表明其更高的灵敏度。因此，我们选择了DPV作为后续方法开发的技术。

在不同干扰物存在的情况下，我们评估了[Cu(C?H?O?)]?/CPE传感器的抗干扰性能。结果显示，大多数常见的干扰物（如尿素、抗坏血酸、尿酸、葡萄糖、Na?和Ca2?）仅导致轻微的信号偏差，误差通常在±15%范围内。然而，结构相似的药物恩诺沙星在高浓度比（1:5）时对检测产生了显著影响，表明该传感器在CIP检测中具有一定的选择性，但需注意可能的交叉干扰。

为了进一步理解CIP在[Cu(C?H?O?)]?/CPE上的电化学行为，我们提出了可能的反应机制。该机制涉及铜离子（Cu2?）的还原和CIP的不可逆氧化。CIP的结构包含共轭芳香环和哌嗪基团，这些结构特征可能在电极表面的吸附和氧化过程中起关键作用。通过FT-IR光谱分析，我们观察到在电化学检测后，Cu–O伸缩振动带的强度减弱，表明部分Cu中心参与了电化学反应。同时，C–H伸缩振动带的出现表明CIP在电极表面的吸附。

通过比较不同修饰电极的电化学性能，我们发现[Cu(C?H?O?)]?/CPE传感器在检测CIP方面表现出竞争力，其检测限（LOD）和定量限（LOQ）分别为0.5–3.0 μmol L?1和1.7–10.1 μmol L?1。与传统的修饰电极相比，该传感器具有更简单的制备过程、良好的结构稳定性和较高的灵敏度，因此在实际应用中具有明显优势。此外，该传感器在合成尿液和蛋样品中均表现出良好的回收率和重复性，进一步验证了其在复杂基质中的应用潜力。

综上所述，本研究成功合成并表征了一种基于铜的介孔配位聚合物[Cu(C?H?O?)]?，该材料在电化学检测中表现出优异的性能。通过将其用于CPE电极的修饰，我们开发了一种灵敏且准确的传感器，能够检测CIP在生物和食品样品中的残留。该传感器不仅在合成尿液中实现了较低的检测限，还在蛋样品中表现出良好的性能。同时，其在复杂基质中的高回收率和低RSD值进一步确认了其在实际应用中的可靠性。本研究的结果表明，该传感器在食品安全和公共卫生监测中具有重要的应用价值，为抗生素残留的快速、低成本检测提供了一种新的解决方案。