基于DFT引导分子印迹策略的MOF@MIP电化学传感器单滴检测牛奶中磺胺甲噁唑

《Food Chemistry》：Single-drop detection of sulfamethoxazole in milk using MOF@MIP electrochemical sensor with DFT-guided imprinting strategy

　　

本研究提出了一种基于MIP@MOF的电化学平台，用于通过单滴法检测SMX。La-BTB MOF与oPD基MIP的结合被选择以协同提高传感器性能：MOF提供多孔基底，改善分析物可及性并促进高效识别界面的形成，而MIP层则确保SMX的选择性再结合。La-BTB MOF结构以镧为中心金属、以H?BTB为连接配体合成。丝网印刷金电极（SPGE）修饰La-BTB后，利用CV和EIS考察了SPGE/La-BTB电极的催化和电荷转移电阻特性。此外，从理论上评估了三种FM用于SMX印迹的适用性，并在六种溶剂中考察了对应PPC的稳定性。以oPD为FM，通过CV电聚合在SPGE/La-BTB表面形成了MIP层。这种实验-理论相结合的策略增强了可解释性，强化了结构-性能关系，并支持高性能电化学传感平台的理性优化。作为开发SMX检测方法分析方法的模型体系，使用了含有5 mmol/L [Fe(CN)?]3?/??氧化还原探针的0.1 mol/L KCl溶液。各种实验参数经优化，以达到单滴SMX分析的最佳条件。采用DPV检测SMX。所开发的SPGE/La-BTB@MIP传感器用于测定牛奶和自来水样品中的SMX含量，展示了该平台在即时检测应用中的潜力。

**试剂与化学品**

所用化学品均为分析纯级别。磺胺甲噁唑（VETRANAL?，分析标准品）、乙酸（冰醋酸，≥99.99%痕量金属基准）、邻苯二胺（片状，99.5%）、1,3,5-三溴苯（98%）、4-甲氧羰基苯硼酸（≥95%）、醋酸钯（98%，试剂级，粉末）、聚乙二醇（绿色替代品400，用于合成；PEG-400）、四氢呋喃（≥99.9%）、碳酸钾（ACS试剂，≥99.0%）、氢氧化钠（片状）、盐酸（37%，微晶级）。

**La-BTB-MOF材料的微观结构与形貌表征**

图1a展示了以H?BTB配体合成的镧基MOF（La-BTB-MOF）的PXRD图谱。La-BTB的PXRD图谱显示一系列尖锐且定义明确的布拉格反射峰，表明该材料具有高度结晶性和有序的长程结构。最显著的特征是在2θ为6.14°处的一个强主峰，这是具有大单胞和显著内部孔隙率的MOF材料的特征。通过对辐射源应用布拉格定律，该峰——

**结论**

本研究描述了一种用于检测兽药SMX的一次性MIP@MOF电化学传感器的设计。该传感器基于用La-BTB-MOF修饰SPGE，随后以邻苯二胺为单体通过电聚合在电极表面形成MIP层。用La-BTB修饰SPGE显著提高了传感器的电化学性能，特别是在接触表面积和催化活性方面。理论模型研究表明，oPD——

**作者贡献声明**

Sla?ana ?ur?i?：撰写—初稿、可视化、验证、方法论、调查研究、概念化。Filip Vlahovi?：撰写—初稿、可视化、软件、方法论、调查研究、数据管理、概念化。Nata?a Terzi? Jovanovi?：撰写—初稿、调查研究。Pavle Stojkovi?：撰写—初稿、调查研究。Milo? Ognjanovi?：撰写—初稿、调查研究。Marian Vojs：撰写—初稿、调查研究。Dalibor Stankovi?——

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

本研究得到了塞尔维亚共和国科学基金会的资助，项目编号为11077，"食品安全监测用MIP功能化MOF基电化学传感器的开发——MiMoSenSa"。本研究还得到了塞尔维亚共和国科学、技术发展和创新部的支持（合同编号：451-03-33/2026-03/200026和451-03-33/2026-03/200168）。Marian Vojs感谢教育、研究和发展部。Sla?ana ?ur?i? | Filip Vlahovi? | Nata?a Terzi? Jovanovi? | Pavle Stojkovi? | Milo? Ognjanovi? | Marian Vojs | Dalibor Stankovi? | Vesna Stankovi?

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磺胺甲噁唑（SMX）是一种磺胺类抗生素，至今仍广泛应用于人类治疗和兽医实践中。在食源性动物中的使用为残留物进入人类食物链创造了明确的途径，并使母药及其代谢物进入更广泛的环境（Prasannamedha & Kumar, 2020）。在此背景下，SMX被反复报告为水环境中较常遇到的抗菌药物之一，特别是在污水处理厂进/出水及受纳水体中，反映了其高消费量和常规处理工艺的移除不完全性（Pereira等, 2026）。对于牛奶或肉类等食品基质，法规框架明确规定了允许的动物药残留限量，这强化了监测方法在蛋白质和脂肪含量丰富、基质效应可能掩盖痕量分析物的复杂样品中保持可靠性的需求。牛奶是监测兽药抗生素残留的重要基质，因为磺胺类药物在畜牧业中被广泛使用（Samanidou & Nisyriou, 2008）。欧盟规定牛奶中SMX残留的最大残留限量（MRL）为100 μg/kg（European Commission, 2010）。已有的法规限制强调了在食品基质中准确监测SMX残留的重要性。此外，SMX残留在水体环境中可能存在的情况强调了需要灵敏、可靠的分析方法在水样品中测定SMX（Straub, 2016）。

SMX的常规测定主要使用高效液相色谱（HPLC）和液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS），这些方法被广泛认为是环境和食品基质中抗生素残留分析的参考方法。由于具有内在的灵敏度、操作简便性以及与微型化设备架构的兼容性，电化学传感已成为传统分析平台的有力替代方案。将电化学检测与丝网印刷电极（SPEs）相结合，实现了便携式、一次性、低成本传感设备的开发，适用于分布式或现场应用。丝网印刷技术能够在保持分析稳健性的同时实现可重复电极平台的大规模生产（Honeychurch & Hart, 2003）。这些特征共同使电化学传感成为一种多功能、可扩展的策略，用于开发灵敏、快速、可现场部署的SMX检测系统。

金属有机框架（MOFs）因其高比表面积、结构可调性和定义明确的孔隙架构而在电化学传感领域引起了极大关注，这些特性共同为分析物相互作用提供了丰富的活性位点。MOFs由金属节点通过有机配体相互连接组成，提供了可调节的孔径、拓扑结构和化学官能团，能够合理设计以实现选择性吸附和信号放大（Qian等, 2021）。尽管纯MOFs通常表现出有限的本征导电性，将其集成到电极表面可以显著增强界面性能，通过增加有效表面积、促进分析物预富集以及改善分析物可及性和界面相互作用来实现。镧系MOFs（Ln-MOFs）因其独特的电子构型、灵活的配位环境以及赋予框架氧化还原活性或催化行为的潜力而成为一个特别有趣的亚类。本工作中选择La3?和1,3,5-三(4-羧基苯基)苯（H?BTB）进行MOF构建，受到结构稳健性和配位多样性的双重指导。镧(III)离子具有高配位数和灵活几何构型的特点，能与多齿羧酸配体轻易形成稳定的配位网络，从而有利于生成延伸的三维多孔结构（Cotton, 2007）。虽然La3?在温和的电化学条件下通常不表现出氧化还原活性，但其显著的Lewis酸性和可适应的配位环境可以增强主客体相互作用并影响框架内的局部电子分布。H?BTB因其三重对称性和π共轭芳香核心而促进高连接度框架的形成，通常产生具有显著比表面积和可及孔道的材料（Eddaoudi等, 2001）。因此，将La3?节点与H?BTB配体相结合，提供了一个结构稳定、具有多孔性的MOF平台，非常适合于分析物吸附以及在电化学传感应用中促进界面电子转移过程。特别地，Ln-MOFs在电化学和电化学生物质发光传感平台中展现了优异的性能，而基于La的MOFs也已成功用于电化学检测，凸显了其作为多孔平台增强所开发电化学传感界面性能的潜力（Fu等, 2024; Rajaitha等, 2023）。

在高选择性方面，实现高选择性仍然是电化学传感中的一个核心挑战，特别是在针对环境和食品基质中痕量分析物如SMX时。分子印迹聚合物（MIPs）作为强大的合成识别元件已应运而生，通过引入在尺寸、形状和官能团取向上与目标分子互补的定制结合位点来解决这一局限（Komiyama等, 2003）。分子印迹过程通常涉及在模板分子存在下进行聚合，随后去除模板分子以在交联聚合物基质中生成特定的识别空腔（Wulff, 1995）。在电化学传感器制备中，电聚合在MIP形成方面已被证明具有特别的优势，因为它能够精确控制膜厚度和形貌，并直接在导电基底上沉积。诸如邻苯二胺（oPD）之类的单体经常被使用，因为它们能在温和的电化学条件下形成均匀、粘附和具有渗透选择性的聚合物膜（Malitesta等, 1999）。最后，MIPs与MOFs的集成已被证明是提高传感器性能的有效策略，因为多孔MOF结构为MIP形成提供了大面积支撑，改善了分子识别位点的可及性，并促进了分析物向电极表面的传输（Lahcen等, 2022）。

将理论和计算方法集成到传感器开发中，提供了分子水平的视角，补充了实验观察并支持合理的材料设计。量子化学计算，最常见的是基于密度泛函理论（DFT）（Koch & Holthausen, 2015; Parr & Weitao, 1994），能够评估前线分子轨道、静电势图和结合能，从而阐明分析物与功能材料之间的电荷转移特性和优先相互作用位点（Jensen, 2007）。在SMX传感的背景下，计算建模可以阐明非共价相互作用（NCIs）的本质（Hobza & Müller-Dethlefs, 2010），如SMX与分子印迹中使用的功能单体（FMs）之间的氢键、π-π堆积和配位效应。这些分析为聚合合成之前形成的预反应复合物（PPCs）中电子重分布和单体-模板相互作用能的强度提供了定量见解，从而指导功能单体的选择和优化印迹效率（Freitas等, 2023; Jelvehzadeh等, 2025; Vlahovi?, 2026）。

在本工作中，提出了一种基于MIP@MOF的电化学平台用于通过单滴法检测SMX。La-BTB MOF与oPD基MIP的结合被选择以协同提高传感器性能：MOF提供多孔基底，改善分析物可及性并促进高效识别界面的形成，而MIP层则确保SMX的选择性再结合。La-BTB MOF结构以镧为中心金属、以H?BTB为连接配体合成。丝网印刷金电极（SPGE）修饰La-BTB后，利用CV和EIS考察了SPGE/La-BTB电极的催化和电荷转移电阻特性。此外，从理论上评估了三种FM用于SMX印迹的适用性，并在六种溶剂中考察了对应PPC的稳定性。以oPD为FM，通过CV电聚合在SPGE/La-BTB表面形成了MIP层。这种实验-理论相结合的策略增强了可解释性，强化了结构-性能关系，并支持高性能电化学传感平台的理性优化。作为开发SMX检测方法分析方法的模型体系，使用了含有5 mmol/L [Fe(CN)?]3?/??氧化还原探针的0.1 mol/L KCl溶液。各种实验参数经优化，以达到单滴SMX分析的最佳条件。采用DPV检测SMX。所开发的SPGE/La-BTB@MIP传感器用于测定牛奶和自来水样品中的SMX含量，展示了该平台在即时检测应用中的潜力。

**主要贡献亮点**

• 开发了一种MIP包覆的MOF平台，通过单滴法检测SMX。
• 镧系MOF增强了SMX传感的灵敏度。
• DFT确定了最适合用于印迹的功能单体。
• 传感器的检测限达到皮摩尔级别。
• MOF@MIP传感器能够在牛奶和自来水样品中可靠地检测SMX。