基于MOFs的多孔碳复合材料用于优化富氧空位Mn0.5Zn0.5Fe2O4软磁材料的吸波性能

《Journal of Alloys and Compounds》：MOFs derived porous carbon composites for optimizing the wave-absorbing properties of oxygen-rich vacancy Mn 0.5Zn 0.5Fe 2O 4 soft magnetic materials

高效双模电化学传感器基于ZnMn2O4/B-GCN纳米复合材料，实现对磺胺甲噁唑（SFXZ）的高灵敏检测，检测限低至0.002 μM，线性范围宽，并成功应用于牛奶和酸奶的实际样品分析，为食品安全和环境监测提供新方法。

　　

安东尼·贾斯敏·文森特·约翰（Antony Jasmine Vincent John）| 萨兰维格内什·阿拉加萨米（Saranvignesh Alagarsamy）| 曾伟晨（Tse-Wei Chen）| 陈深明（Shen-Ming Chen）| 弗朗西斯·帕基亚拉杰·唐·迪苏扎（Francis Packiaraj Don Disouza）| 廖英志（Ying-Chih Liao）| 西瓦普拉卡什·森戈丹（Sivaprakash Sengodan）

台湾国立台北科技大学化学工程与生物技术系，中孝东路3段1号，台北106

摘要

确保环境安全并保护人类健康免受药品、动物源产品和水源中磺胺类药物残留的侵害仍然是一个重大挑战。本研究开发了一种基于ZnMn₂O₄/B-GCN纳米复合材的高性能双模式电化学传感器，用于灵敏且选择性地检测磺胺异噁唑（SFXZ）。该纳米复合材料通过光谱和显微技术进行了表征，在安培法和差分脉冲伏安法（DPV）模式下均表现出优异的电催化活性。该传感器的线性检测范围分别为0.001–93.39 μM（安培法）和0.001–137 μM（DPV法），检测限分别为0.0096 μM和0.002 μM。在实际样品分析中，该传感器还展现了良好的重复性、稳定性和高回收率。这些结果突显了该传感器在痕量磺胺类药物检测以及食品安全和环境监测中的潜在应用价值。

引言

抗生素污染是一个日益严重的问题，因为这些化合物不易分解，且会促进耐药细菌的产生，从而危害环境和人类健康[33]。自20世纪40年代以来，磺胺类药物（SAs）作为广谱抗菌剂被广泛用于各种药品和个人护理产品（PPCPs）中。这些化合物在兽医医学、临床治疗和水产养殖领域得到广泛应用，导致其在食品和水源中的持续积累[25]。不适当和过度的抗生素使用导致食品（如牛奶、肉类）、水和土壤中的残留污染，引发过敏反应、突变、致畸、致癌以及耐药病原体的产生等健康风险[10],[20]。磺胺异噁唑（SFXZ）是一种含有噁唑取代基的磺胺类药物，常用于治疗牲畜的细菌感染[6],[8]。长期接触SFXZ与耐药大肠杆菌的出现有关，并于2017年被国际癌症研究机构（IARC）列为3类致癌物[32]。SFXZ在食品中的残留与内分泌干扰和过敏反应有关[36]。因此，欧盟（EU）已将SFXZ在食品中的最大残留限（MRL）设定为100 μg/L[15]。这些情况凸显了在实际样品中开发高灵敏度和选择性检测方法的必要性。已经探索了多种分析方法，包括高效液相色谱[14]、比色法[12]、毛细管电泳[39]、免疫测定[38]、荧光光谱[22]和电化学传感器[2],[34]。其中，电化学传感器因其高灵敏度、选择性、快速响应、低成本和操作简便而受到关注。它们特别适用于检测生物分析物、环境污染物和食品污染物，因为它们的检测限低且能与实际样品兼容[21],[23]。

通过用纳米材料（包括碳基材料[23]、磁性纳米颗粒、聚合物基材料、金属和金属氧化物[17],[27]）修饰电极表面，可以进一步提高电化学传感器的性能。其中，过渡金属氧化物（TMOs），尤其是尖晶石型氧化物（AB₂O₄），因其优异的氧化还原活性、结构稳定性和丰富性而具有吸引力[28],[29]。ZnMn₂O₄是一种典型的锰尖晶石氧化物，其结构中Zn²⁺和Mn³⁺离子占据八面体晶格位置，而氧化物阴离子位于四面体位点。由于Zn和Mn是地球上丰富的无毒金属，这种材料被认为对环境友好，是Cd、Pb或Hg等有害金属的安全替代品。多项研究表明，基于ZnMn₂O₄的纳米材料在传感和催化应用中具有低毒性和生物相容性[18],[19],[3],[4],[7]。然而，ZnMn₂O₄的长期环境行为和积累特性尚未得到充分评估，以全面评估其可持续性[18],[19],[3],[4],[7]。这些问题，如结构不稳定性和制备复杂性，可能会影响其性能。

为克服这些限制，研究人员探索了二维材料（如石墨碳氮化物（g-C₃N₄）作为纳米复合材料的有效载体。g-C₃N₄由通过平面NH位点连接的三-triazine单元组成，具有高表面积、热稳定性和半导体行为等优良特性[26]。尽管具有这些优势，原始g-C₃N₄的电荷迁移率和导电性较低。用杂原子（如B、P、S）掺杂可显著提升其电化学性能[1]。特别是B（硼）掺杂通过生成路易斯酸位点和改变π-共轭体系来改善电荷转移和表面反应性[11],[37]。

在本研究中，我们合成了ZnMn₂O₄纳米颗粒，并通过超声处理将其与B-GCN结合，制备了混合纳米复合材料。通过多种技术对其结构和形态进行了表征。所开发的ZnMn₂O₄/B-GCN修饰电极对SFXZ的检测表现出高灵敏度和选择性。重要的是，该传感器已成功应用于实际样品（牛奶和酸奶）的分析，体现了其在食品安全和环境监测中的潜在应用价值。

实验方法

本节描述了本研究中使用的材料、合成程序、表征技术和电化学测量方法。

结果与讨论

以下小节介绍了ZnMn₂O₄/B-GCN纳米复合材料的结构、形态和电化学性质及其对SFXZ的检测性能。

结论

本研究成功合成了具有优异电化学性能的ZnMn₂O₄/硼掺杂石墨碳氮化物（B-GCN）混合纳米复合材料，可用于灵敏检测磺胺异噁唑（SFXZ）。全面的结构、化学和形态分析证实了尖晶石ZnMn₂O₄与B-GCN的均匀结合，从而增强了电荷转移动力学和电活性表面积。

未引用参考文献

[5]

CRediT作者贡献声明

廖英志（Ying-Chih Liao）： 监督、研究、数据分析。 弗朗西斯·帕基亚拉杰·唐·迪苏扎（Francis Packiaraj Don Disouza）： 研究、数据分析。 萨兰维格内什·阿拉加萨米（Saranvignesh Alagarsamy）： 文章撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、概念构思。 安东尼·贾斯敏·文森特·约翰（Antony Jasmine Vincent John）： 文章撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、概念构思。 陈深明（Chen Shen-ming）： 资金获取、数据分析。 曾伟晨（Tse-Wei Chen）： 研究、数据分析。 西瓦普拉卡什·森戈丹（Sivaprakash Sengodan）： 研究、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢台湾国家科学技术委员会（NSTC）在项目编号NSTC 113-2113-M-027-003、NSTC 113-2811-E-002-085、NSTC 114-2637-E-027-004和NSTC 114-2113-M-027-008下的资助。

利益冲突声明

不存在需要声明的利益冲突。