协同作用的InSe量子点与介孔Ta2O5纳米结构，用于环境样品中抗生素的超灵敏电化学检测

《RSC Advances》：Synergistic InSe quantum dots–mesoporous Ta 2O 5 nanostructure for ultrasensitive electrochemical detection of antibiotics in environmental samples

高效环境抗生素检测电化学传感器开发及其性能验证

　　抗生素污染已成为全球性环境问题，其广泛存在于水体、土壤、地下水和污水处理厂等环境中，对生态系统和人类健康构成严重威胁。为了应对这一挑战，研究团队开发了一种基于氧化钽（Ta?O?）介孔结构与氧化铟硒（InSe）量子点（QDs）相结合的电化学传感器，这种纳米复合材料能够实现对多种抗生素的高灵敏度、高选择性和高重现性检测。该传感器能够检测四环素、环丙沙星和阿莫西林等常见抗生素，其检测限低至约2.5 × 10?11 M，显示出卓越的性能，能够满足实际环境监测需求。

### 抗生素污染与检测需求

随着抗生素在医疗、兽医、农业和水产养殖等领域的广泛应用，其在环境中的扩散已成为一种普遍现象。这种污染不仅可能导致抗微生物耐药性（AMR）的产生和传播，还可能通过生物累积影响食物链和饮用水源。目前，常见的抗生素检测方法如高效液相色谱法（HPLC）、液相色谱-质谱联用技术（LC-MS）和酶联免疫吸附测定法（ELISA）虽然具有高精度和高灵敏度，但它们通常需要高昂的操作成本、复杂的样品前处理步骤以及专业的操作人员和实验室设施。这些因素限制了它们在资源有限地区的快速现场检测应用。

因此，开发一种简单、经济、便携且适用于实时检测的替代方法变得至关重要。电化学传感器因其操作简便、成本低、可携带性和对环境样品的实时检测能力，被视为一种有前景的替代方案。然而，传统电化学传感器在检测超痕量抗生素时仍面临灵敏度不足、选择性差和稳定性不佳等挑战。特别是，在复杂的环境样品中，由于存在有机物、离子成分和微生物残留，这些传感器的性能往往受到干扰。

### 纳米材料的引入与优势

近年来，纳米技术的发展显著提升了电化学传感器的性能。碳纳米管、石墨烯、金属有机框架（MOFs）和量子点（QDs）等纳米材料被广泛用于提高传感器的灵敏度和选择性。其中，量子点因其独特的尺寸依赖电子特性、高表面积体积比和可调带隙，成为提升电化学传感器性能的关键材料之一。InSe量子点以其层状六边形结构和量子限制电子态而著称，具有优异的载流子迁移率和电催化性能，使其成为传感应用的理想选择。

氧化钽（Ta?O?）作为一种重要的金属氧化物，因其高比表面积、良好的孔结构和化学稳定性而被广泛研究。其介孔结构为分析物的扩散提供了良好的通道，同时其化学稳定性有助于传感器的长期使用。将InSe量子点与介孔Ta?O?结合，可以实现两者的优势互补：InSe QDs的高电催化活性与Ta?O?的高比表面积和孔结构，使得传感器在复杂环境矩阵中表现出更高的灵敏度和选择性。

### 传感器的构建与性能

研究团队采用了一种模板辅助浸渍法来制备InSe QD/Ta?O?纳米复合材料。首先，通过水热法合成InSe QDs，确保其尺寸分布均匀且结晶性良好。随后，利用Pluronic F127作为结构导向剂，通过溶胶-凝胶法合成介孔Ta?O?。最后，将InSe QDs嵌入到Ta?O?介孔结构中，形成一个稳定的纳米复合材料。

该纳米复合材料被用于修饰玻璃碳电极（GCE），构建了一种新的电化学传感器。修饰后的电极表现出优异的电化学性能，如高电荷转移效率和良好的电化学可逆性。通过循环伏安法（CV）和差分脉冲伏安法（DPV）的测试，发现InSe QD/Ta?O?-GCE的电荷转移电阻（Rct）显著低于裸电极和单一修饰电极，同时双电层电容（Cdl）有所增加，表明该复合材料具有更高效的电荷转移能力。

此外，通过电化学阻抗谱（EIS）进一步验证了传感器的性能。EIS结果显示，InSe QD/Ta?O?-GCE在不同浓度抗生素存在下表现出稳定的电化学响应，其电荷转移阻抗（Rct）显著降低，表明其具有优异的电化学性能。通过DPV的校准曲线，研究人员还确定了传感器对四环素、环丙沙星和阿莫西林的检测限分别为2.62 × 10?11 M、2.55 × 10?11 M和2.71 × 10?11 M，这表明该传感器在痕量级别的检测方面具有显著优势。

### 选择性与抗干扰能力

为了评估传感器的选择性，研究团队在多种干扰物（如葡萄糖、尿素、NaCl、硝酸盐和腐殖酸）存在下测试了其对四环素、环丙沙星和阿莫西林的响应。结果显示，干扰物对传感器的电流响应影响较小，仅导致约1.2%至3.5%的相对信号变化，表明其具有良好的选择性。特别是在复杂的环境样品（如自来水、河水和废水）中，传感器表现出高回收率（92.2%至98.5%），进一步验证了其在实际应用中的可靠性。

### 稳定性与重现性

传感器的长期稳定性是其在实际应用中的重要指标。通过在不同环境条件下（如4°C、25°C和40°C）存储40天，并在5天间隔进行检测，研究团队发现该传感器在30天内保持稳定，且在40天后仍能保持超过92%的初始响应。这表明该传感器具有良好的耐用性和可靠性。

此外，研究团队还评估了传感器的重现性，测试了30个独立制备的电极，来自四个不同的合成批次。结果显示，传感器在不同批次中表现出高度一致性，相对标准偏差（RSD）低于1.4%，表明其具有良好的批次间一致性和重复性。这种高重现性使得该传感器在实际应用中更加可靠，尤其是在需要长期监测的场景中。

### 与现有传感器的对比

与现有的电化学传感器相比，InSe QD/Ta?O?-GCE在灵敏度、选择性和稳定性方面均表现出色。例如，一些基于MOF或纳米管的传感器虽然在特定条件下表现出良好的性能，但它们的检测限通常高于2.5 × 10?11 M，且在复杂样品中可能受到干扰物的影响。相比之下，InSe QD/Ta?O?-GCE在检测四环素、环丙沙星和阿莫西林时，其检测限显著更低，且在实际样品中表现出更高的回收率和更低的干扰率。

此外，该传感器的构建方法相对简单，避免了复杂纳米材料合成过程中的繁琐步骤，使其在实际应用中更加可行。其结构稳定性也使得传感器能够在长时间内保持性能，适用于需要连续监测的环境样品。

### 应用前景

该传感器在多个领域展现出广阔的应用前景，包括水质评估、废水处理和环境监测等。其高灵敏度和选择性使其能够检测低浓度抗生素，为环境中的抗生素污染监测提供了新的工具。同时，其良好的稳定性和重现性使其适用于长期的现场监测，特别是在资源有限的地区。

随着全球对抗生素污染的关注度不断提高，这种新型电化学传感器的开发不仅有助于解决环境监测中的技术难题，还为抗生素污染的防控提供了科学依据。该传感器的结构设计和材料选择，使其在复杂环境样品中仍能保持高性能，为未来环境监测技术的发展提供了新的思路和方法。