综述：电化学传感器：用于检测水介质中β-内酰胺的第十族和第十一族金属复合材料的综述

《Sensors and Actuators Reports》：Electrochemical sensors: a review of group 10 and 11 metal composites for the detection of β-Lactam in aqueous media

β-内酰胺类抗生素因广泛使用和环境残留问题备受关注，电化学传感器因其高灵敏度、便携性和成本低成为检测主流。研究聚焦贵金属纳米颗粒（如Au、Ag、Pd、Ni）与碳基材料（如rGO、MWCNTs）的复合结构，通过红ox反应、静电作用及π-π堆积增强检测性能，检测限达飞摩尔级。然而，电极抗污性、多抗生素交叉干扰及长期稳定性仍是技术瓶颈，未来需开发抗干扰材料、多参数集成传感器及便携式监测系统。

　　近年来，抗生素的广泛使用及其在生态系统中的持续释放引发了对环境和人类健康的深远影响。随着人类和兽医领域对药物需求的增加，大量抗生素进入环境，尤其是在水体中，形成了复杂的污染问题。这种污染不仅威胁到生物系统的健康，还可能导致生态系统的失衡和微生物耐药性的增强。面对这些挑战，开发高效且简便的检测技术变得尤为迫切。电化学传感技术因其紧凑性、成本效益和高灵敏度，成为一种具有前景的解决方案。尽管市场上已有部分商业化的环境传感器，但它们往往存在交叉敏感性、环境干扰以及长期漂移等问题。相比之下，电化学传感技术能够提供快速的检测结果、低检测限和便携性，这使其在环境监测和药品质量控制中展现出独特的价值。

抗生素是一类结构多样、化学性质各异的化合物，它们在生态系统中的行为也各不相同。例如，β-内酰胺类抗生素（如头孢类和青霉素类）在水体中容易发生水解，特别是在碱性条件下，这使得它们的检测面临一定挑战。此外，这类抗生素倾向于与阳离子结合，并在污水处理系统中积累。由于其结构的复杂性，关于β-内酰胺类抗生素的转化和处理方法的研究仍显不足。然而，一些研究已经成功在环境和生物基质中检测到这些抗生素，如使用磁性介孔空心碳微球作为青霉素酶（Pen X）吸附载体检测青霉素钠，以及利用拉曼微光谱技术识别青霉素G在真菌细胞中的特征。基于二元氧化锡掺杂氧化钇纳米片的电化学传感器也被用于检测青霉素G，显示出较低的检测限和较高的灵敏度。此外，基于FeN-CO?N纳米阵列的电化学传感器在检测氨苄青霉素方面表现出卓越的稳定性和灵敏度。尽管这些技术取得了一定进展，但关于β-内酰胺类抗生素在环境样本中的检测研究仍显不足，这促使了本综述的撰写。

抗生素的环境足迹不仅来源于医疗和农业活动，还包括个人用药和畜牧业的广泛使用。这些抗生素通过多种途径进入环境，如制造厂排放、农业灌溉、动物排泄物以及生活污水。由于抗生素在环境中的持久性，它们的残留对生态系统的潜在影响不容忽视。特别是在水体中，抗生素的残留可能对水生生物产生毒性作用，并影响其正常生理功能。例如，研究发现，某些抗生素在极低浓度下即可对微生物和水生生物造成危害，如氧氟沙星在0.9 μg/L浓度下可抑制鱼类Vibrio fischeri的生长，而四环素和金霉素在1 μg/L以上的浓度下对水生生物具有高度毒性。这些研究揭示了抗生素对环境的潜在威胁，也强调了开发高效检测技术的必要性。

在实际应用中，传统的抗生素检测方法如高效液相色谱法（HPLC）、液相色谱-串联质谱法（LC-MS/MS）、酶联免疫吸附测定法（ELISA）和紫外-可见光谱法（UV–Vis）虽然具备较高的精度和可靠性，但它们通常需要复杂的样品预处理步骤，操作繁琐且成本高昂。此外，这些方法往往需要专业人员进行实验室操作，限制了其在野外快速检测中的应用。因此，近年来研究者们将注意力转向了更简便、快速且经济的电化学检测技术。这类技术能够以更低的样品量实现高灵敏度的检测，且仪器简单、分析时间短，适合现场和实时监测。此外，电化学传感器的低能耗和可重复使用性也使其成为环境监测和药品质量控制中的理想选择。

β-内酰胺类抗生素因其独特的化学结构和广泛的应用而成为研究的重点。它们的检测面临诸多挑战，包括样品基质的复杂性、干扰物质的存在以及环境条件的多变性。为了解决这些问题，研究者们探索了多种材料和技术的结合。例如，使用金属纳米颗粒（如金、银、铜和钯）与碳基材料（如石墨烯、碳纳米管和碳纳米片）相结合，能够显著提升传感器的性能。这些复合材料不仅提高了电化学反应的效率，还增强了传感器的稳定性和选择性。例如，一种基于二元氧化锡掺杂氧化钇纳米片的传感器成功检测到青霉素G，检测限低至纳摩尔级别，同时在不同样品中表现出良好的线性响应。另一项研究利用FeN-CO?N纳米阵列修饰电极，实现了对氨苄青霉素的高灵敏度检测。

在检测技术方面，电化学传感器主要依赖于电化学反应的特性，如电流、电位和阻抗的变化。这些反应能够提供关于抗生素浓度和行为的详细信息。例如，差分脉冲伏安法（DPV）和循环伏安法（CV）已被广泛用于检测多种β-内酰胺类抗生素，如头孢曲松、头孢噻肟和青霉素G。这些方法能够提供快速、准确的检测结果，同时减少样品处理步骤。此外，阻抗谱（EIS）和表面增强拉曼散射（SERS）等技术也被用于抗生素的检测，其中SERS技术在检测四环素、氨苄青霉素和羟基四环素方面表现出较高的灵敏度和选择性。

在实际应用中，一些研究已经验证了电化学传感器在复杂环境样品中的有效性。例如，一种基于单层石墨烯纳米片和青霉素酶的传感器成功检测了牛奶中的青霉素，检测限低至0.0001纳米，且在1.25 × 10?13 M至7.5 × 10?3 M的范围内表现出良好的线性响应。这种传感器不仅具有高灵敏度，还展现了良好的特异性、稳定性和可重复性。另一项研究开发了一种基于铂纳米颗粒和多壁碳纳米管（MWCNTs）的传感器，用于检测头孢曲松钠-舒巴坦钠（CSSS）在废水中的含量，检测限低至3.31 nM，显示出其在环境监测中的巨大潜力。此外，基于金纳米颗粒和石墨烯的传感器在检测氯霉素（CAP）方面也表现出优异的性能，其检测限低至50 nM，并在广泛浓度范围内保持稳定。

除了单一材料的使用，复合材料和多功能纳米结构的开发也在提升传感器性能方面发挥了重要作用。例如，一种基于铁钴氮纳米结构的传感器在检测氨苄青霉素（AMP）方面表现出良好的灵敏度和稳定性，检测限低至3.65 × 10?1? mol/L，并在不同批次的传感器中展现出良好的可重复性。此外，金属有机框架（MOFs）和双金属纳米复合材料的结合，为抗生素的检测提供了新的思路。例如，MOF-碳复合材料在检测氟喹诺酮类抗生素（如诺氟沙星、环丙沙星和氧氟沙星）方面表现出良好的吸附性能和电化学活性，其检测限低至皮摩尔级别，同时在不同样品中保持较高的回收率和线性范围。

在实际应用中，电化学传感器还面临一些挑战，如电极污染、基质干扰和长期稳定性问题。例如，一些传感器在长时间使用后可能会因表面吸附或氧化而降低灵敏度，影响其检测性能。此外，不同环境样本中的基质成分可能对检测结果产生干扰，降低传感器的准确性。为了解决这些问题，研究者们正在探索更先进的材料和结构设计，如采用抗污染涂层、优化传感器配置以及开发多组分检测平台。这些努力旨在提高传感器的稳定性、灵敏度和选择性，使其能够更广泛地应用于环境监测和食品安全领域。

未来的研究方向应集中在以下几个方面：一是开发抗污染电极材料，以延长传感器的使用寿命；二是设计多组分检测平台，以区分结构相似的抗生素；三是将传感器集成到便携式和物联网（IoT）系统中，实现现场实时监测。此外，还需要进一步研究电化学反应机制，以更好地理解抗生素与电极材料之间的相互作用。这些进展将有助于推动电化学传感技术在抗生素检测领域的应用，使其成为一种更加可靠和高效的检测手段。

总之，β-内酰胺类抗生素因其广泛的应用和潜在的环境影响，成为电化学传感技术研究的重点。通过结合金属纳米颗粒和碳基材料，研究者们已经取得了显著进展，开发出多种高性能传感器。这些传感器不仅在实验室条件下表现出良好的性能，还在实际环境样本中展现出广阔的应用前景。然而，为了实现更广泛的应用，仍需解决电极污染、基质干扰和长期稳定性等问题。未来的研究应聚焦于这些挑战，以推动电化学传感技术在抗生素检测中的进一步发展。