计算辅助设计与水相合成磁性分子印迹聚合物用于水产品中头孢菌素类药物的痕量检测

《Food Chemistry》：Computation-assisted design and aqueous synthesis of magnetic molecularly imprinted polymers for trace detection of cephalosporins in aquatic products

　　

摘要

头孢曲松（CEF）和头孢噻肟（CTX）在水产养殖中的非法使用对食品安全和环境构成威胁。传统的头孢菌素印迹磁性分子印迹聚合物（MMIP）主要在有机溶剂中合成，这限制了它们与水性食品基质的相容性，并且通常需要数分钟至数小时才能吸附平衡。本报告介绍了一种量子化学指导的水相合成头孢菌素选择性磁性分子印迹聚合物（MMIP）的方法。理论分析表明，3-氨基-1,2,4-三氮唑（ATA）通过协同双齿氢键和π-π堆积相互作用与CEF结合。以水作为唯一溶剂和致孔剂，可消除有毒有机溶剂的使用，并符合绿色化学原则。所得MMIP表现出超顺磁性、超快吸附性能（40秒内达到平衡，明显快于大多数已报道的头孢菌素MMIP）、印迹因子为2.11，并具有两种不同的结合位点群体。通过氢键破坏和静电屏蔽相结合的洗脱策略实现了定量回收（>95%）。与HPLC-MS/MS联用，基于MMIP的磁性分散固相提取法获得线性范围为1-400 ng/mL，检出限为1.3 μg/kg，回收率为71.0-93.1%。在15个市售水产品样本中，发现1个样本呈阳性，含量为18.2 μg/kg，对应海参阳性率为10%。本研究为检测海产品中违禁药物残留提供了一种理论指导、高效、灵敏的方法。

引言

随着膳食结构的持续升级和"多元化食品供给体系"的实施，对水产品的需求激增，其质量和安全问题被推到了前沿。由于具有强烈的抗菌活性，头孢菌素类抗生素有时被非法用于水产养殖病害防治；违规使用人用抗生素（如头孢曲松CEF和头孢噻肟CTX）尤为突出。此类做法加速了细菌耐药性的传播，威胁公共健康，并造成生态污染和食品安全风险（Ana等，2021；Chullasat等，2019）。尽管中国已明确禁止在水产养殖中使用人用药，但当前中国食品安全国家标准GB 31658.4-2021仅规定畜禽（如猪、牛）产品。对水产品（Arabsorkhi & Sereshti, 2018; Holstege等, 2002; Liu等, 2025）等复杂基质中头孢菌素类抗生素进行快速、灵敏、选择性检测的需求日益迫切，但目前仍受限于耗时长且复杂的样品前处理标准方案。因此，开发一种能在水产品基质中精准、灵敏检测CEF和CTX的技术已成为关键问题。针对复杂基质痕量分析因样品前处理繁琐而形成的瓶颈，磁性分散固相提取（MDSPE）凭借其操作简单和分离迅速的特点受到广泛关注（Huang等，2025）。此外，MDSPE与分子印迹技术相结合可获得磁性分子印迹聚合物（MMIPs），集高效分离与特异性识别于一体，在复杂样品中抗生素检测方面显示出广阔前景（Castell等，2024; Hao等，2024; Huang等，2023; Xie等，2014）。然而，传统MMIP的合成严重依赖非极性有机溶剂，以防止水干扰模板与功能单体间的氢键作用（Zhang等，2014）。此类有机法合成的MMIP对水性样品表面相容性差，不适用于水产品分析，同时大量使用有机溶剂也与绿色化学理念相悖（Arabi等，2021; Martín-Esteban, 2022）。这些缺陷源于传统分子印迹系统的设计：聚合反应通常在不质子化有机溶剂中进行，以保留模板与功能单体间的氢键相互作用，否则在复杂的预组织阶段会被极性溶剂（尤其是水）严重削弱。此外，这些印迹聚合物仅在非水环境中才能获得最佳识别性能。具体到头孢菌素，近年来已开发出多种MMIP，分别针对头孢噻呋、头孢哌酮、头孢氨苄、头孢呋辛和头孢克肟（Chaitong等，2021; Cheng等，2021; Eskandari等，2018; Essousi等，2026; Niu等，2020; Nurrokhimah等，2019; Xu等，2024; Zhang等，2023）。这些材料除共享上述有机溶剂依赖性问题外，还存在吸附平衡缓慢（5-180分钟）的问题，并且验证主要在牛奶、水或血清等简单基质中进行，而非复杂的水产固体基质。为克服传统MMIP对有机溶剂的依赖和缓慢的动力学问题，研究者开始探索分子印迹聚合物的水相合成。例如，已开发出基于Fe?O?（Jullakan等，2020）和GO-MWCNTs-Fe?O?（Wang等，2021）的各种MDSPE吸附剂。Bagheri等（2019）使用丙酰胺作为假模板，壳聚糖作为生物基功能单体，在水相中制备用于丙烯酰胺检测的MIPs；Ostovan等（2018）使用壳聚糖和葡萄糖在水性介质中构建了亲水多模板分子印迹生物聚合物，用于果汁中B族维生素的快速测定；Arabi等（2020）也基于绿色化学原则设计了用于罗丹明B检测的亲水MIP。这些研究为水相容性分子印迹材料的水相合成提供了有用见解。然而，头孢菌素特异性MMIP仍主要在水相之外的有机相中合成（Wang等，2021）。此外，功能单体的筛选仍主要依赖经验试错，缺乏理论指导，导致构建印迹系统时效率低、可预测性差。为解决上述问题，我们提出了一种理论指导的水相合成策略。首先，从头孢曲松的分子结构出发，我们进行了量子化学计算，合理选择在aqueous环境中能与目标分子强相互作用的功能单体。随后，以水作为绿色溶剂和致孔剂，制备了水相合成的MMIP。最后，我们研究了MMIP的吸附机制和识别性能，并建立了基于MDSPE与HPLC-MS/MS联用的分析方法，对真实水产品中CEF和CTX残留进行高度选择性和灵敏度的检测。从而为水产品中违禁抗生素残留的监测提供了一种高效灵敏的分析工具。

分节摘要

试剂与化学药品

CEF和CTX标准品（98%）购自上海源叶生物科技有限公司。3-氨基-1,2,4-三氮唑（ATA，99%）、过硫酸铵（APS，98%）、六水合硫酸亚铁铵（(NH?)?Fe(SO?)?·6H?O，99%）、六水合氯化铝（AlCl?·6H?O，99%）、亚铁氰化钾和乙酸锌（分析纯）由上海阿拉丁生化科技有限公司提供。乙二醇二甲基丙烯酸酯（EGDMA，高纯级）来自广东翁江化学。

功能单体的筛选

在B3LYP-D3(BJ)/def2-TZVP(?f)级别对CEF和代表性功能单体——3-氨基-1,2,4-三氮唑（ATA）、丙烯酰胺（ACR）和4-乙烯基吡啶（VIN）的最稳定构象进行了优化（图1A）。基于优化结构，计算了范德华表面上的静电势分布（Sobiech, 2024）。如图1B所示，CEF表面表现出明显的两性特征：羧基上的氧原子以及……

结论

本研究通过量子化学计算合理筛选了功能单体，并成功建立了理论指导的水相合成策略。理论计算和吸附实验共同证明ATA是构建水产品相容MMIP的理想功能单体。所制备的MMIP集超顺磁性、对CEF的高亲和力、对CTX的一定识别能力以及与其他MMIP相比的快速吸附动力学（40秒）于一体。

作者贡献

本稿件由全体作者共同撰写完成。所有作者均已批准稿件最终版本。

CRediT作者贡献声明

钱卓珍：写作—审阅与编辑，写作—初稿撰写，获取资金。唐淑芬：验证，方法学，形式分析。陈小梅：监督指导。刘志宇：写作—审阅与编辑。田梦梦：验证，软件，数据整理。陈思：方法学，形式分析。

未引用参考文献

中华人民共和国国家卫生健康委员会和国家市场监督管理总局，2021年Wang, 2021a

利益冲突声明

作者声明不存在已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到厦门市自然科学基金[资助编号3502Z202374095]、福建省自然科学基金[资助编号2023 J011322]、福建省公益性科研院所基础科研专项资金[资助编号2025R1013003]以及海洋渔业综合服务专项资金项目[资助编号FYZF-KTYJ-2025-11]的资助支持。Zhuozhen Qian | Shuifen Tang | Xiaomei Chen | Zhiyu Liu | Mengmeng Tian | Si Chen