二维氮掺杂碳纳米片模板-骨架共限域热解合成技术及其在抗生素动态降解监测中的应用

本研究针对抗生素残留检测中高效淬灭剂稀缺的难题，开发了基于界面聚合制备的二维氮掺杂碳纳米片（2D-N@CNFs），通过模板-骨架共限域热解策略获得具有优异ssDNA吸附能力和荧光淬灭性能的材料。该研究构建了基于目标-适配体识别触发Exonuclease III（Exo III）介导的荧光传感器，实现了卡那霉素（Kana）的15.8 pM级高灵敏度检测，并成功应用于鱼类动态降解监测，为食品安全预警提供了创新工具。

　　

抗生素滥用导致的残留问题已成为全球公共卫生隐患。卡那霉素（Kana）等氨基糖苷类抗生素在养殖业的广泛使用，通过食物链在人体内蓄积，可能引发细菌耐药性增强、免疫系统损伤等连锁反应。传统检测方法如液相色谱需复杂前处理且耗时，而现有荧光传感器多依赖金属基淬灭剂（如AuNPs、Fe₃O₄），存在生物相容性差、操作繁琐等缺陷。更棘手的是，缺乏能同时满足高效淬灭和特异性吸附单链DNA（ssDNA）的非金属材料，制约了检测技术的实际应用。

河北大学研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表的研究中，创新性地提出"模板-骨架共限域热解"策略。该方法以界面聚合制备的片状堆叠聚吡咯（PPy）为前驱体，通过硫酸（H₂SO₄）水相与二氯甲烷（CH₂Cl₂）有机相的双相系统调控聚合过程，经高温裂解获得二维氮掺杂碳纳米片（2D-N@CNFs）。该材料展现出对羧基荧光素标记ssDNA（FAM-ssDNA）高达98.7%的淬灭效率，远超传统石墨烯氧化物（GO）。

关键技术包括：（1）双相界面聚合制备PPy前驱体；（2）高温限域热解构建二维结构；（3）基于共振能量转移（RET）的荧光淬灭体系；（4）Exo III介导的信号放大系统。实验采用市售鱼类肌肉组织作为实际样本队列。

主要研究结果

1. 材料表征：透射电镜显示2D-N@CNFs具有典型二维褶皱结构，X射线光电子能谱证实氮原子成功掺杂（含量达8.3 at%），这种结构使其对ssDNA的吸附能力较dsDNA提高6.7倍。
2. 传感机制：当存在Kana时，其适配体（ON1）构象变化触发Exo III将FAM-ssDNA消化为短链FAM-mNs，使荧光团远离2D-N@CNFs表面，荧光恢复强度与Kana浓度在0.05-100 nM范围内呈线性关系。
3. 实际应用：在鲈鱼肌肉中加标回收实验显示回收率92.3-107.8%，并首次绘制出Kana在活体鱼类中72小时动态降解曲线，发现胆汁代谢是主要清除途径。

该研究突破性地解决了非金属淬灭剂性能不足的瓶颈，2D-N@CNFs的制备成本仅为GO的1/20。其环境意义在于：为养殖业抗生素使用监管提供实时监测工具，通过精准控制用药周期可减少50%以上的药物残留。作者团队指出，该平台通过更换适配体即可扩展至其他抗生素检测，在推进智慧渔业和食品安全预警系统建设方面具有广阔前景。值得注意的是，2D-N@CNFs对四环素类抗生素的交叉反应率低于3.2%，展现出优异的选择性，这归因于氮掺杂引起的表面电荷特异性分布。未来研究将聚焦于开发便携式检测设备，推动技术从实验室走向田间应用。