基于量子点的分子印迹荧光传感器通过荧光光谱和智能手机可视化实现诺氟沙星双模式检测

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Quantum dot-based molecularly imprinted fluorescent sensor for dual-mode norfloxacin detection via fluorescence spectroscopy and smartphone visualization

　　

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  制备了诺氟沙星印迹量子点。
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  构建了用于诺氟沙星检测的双模态荧光传感器。
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  该纳米传感器表现出高灵敏度和抗干扰能力。
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  该纳米传感器成功应用于猪肉、鱼类和牛奶样品。
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  该传感器具有宽线性检测范围和低检测限。

引言

近年来，环境抗生素污染已成为一个广泛的生态问题，在水体、土壤和沉积物中经常检测到相当数量的抗生素残留 [1]。环境基质中持续存在的抗生素即使在痕量浓度（从ppb到ppt水平）下也可能对非目标生物产生潜在的毒性风险 [2]。诺氟沙星（NOR）属于第三代喹诺酮类抗菌剂。凭借其广谱杀菌性能，NOR可以通过抑制细菌DNA旋转酶的活性来抑制病原菌的DNA复制过程，因此被广泛应用于兽医疾病治疗 [3]。然而，体内代谢不完全导致NOR残留物持续存在于动物可食用组织和商业食品产品中。此外，NOR的不合理滥用诱导了细菌抗生素耐药性的产生和传播 [4]，对公共健康构成隐患。考虑到这些负面影响，已建立了NOR的最大残留限量（MRLs）。在中国，包括牛奶在内的动物源食品中NOR的总残留水平被规定在30–100?μg/kg范围内 [5]。作为全球检测频率最高的氟喹诺酮类污染物之一，NOR的环境残留水平一般在0.8–45.6?μg/L范围内 [6]，[7]，[8]。NOR在食品中过量积累会引发一系列不良反应，包括头晕、呕吐和精神抑郁。因此，准确高效地监测NOR残留对于人类健康保护和食品安全监督至关重要。迄今为止，已建立了多种分析技术用于NOR检测，如薄层色谱法 [9]、微生物测定法 [10]、高效液相色谱法（HPLC）[11]、毛细管电泳 [12]和分光光度法 [13]。然而，这些传统方法的大规模实际应用受到繁琐的样品前处理程序、昂贵的仪器成本和对专业操作人员的依赖等严重限制。相比之下，荧光分析技术作为一种简便、快速和高灵敏度的方法，在有机和无机污染物的检测中表现突出。荧光纳米材料，包括碳点、量子点（QDs）和金纳米团簇，由于其优异的发光性能而被广泛用作理想的荧光探针。荧光传感平台具有高灵敏度、快速响应、操作简单和成本低廉等显著优势，在污染物检测领域显示出巨大的应用潜力 [14]，[15]。基于多种功能材料，已开发了各种用于NOR检测的荧光传感系统，如Y修饰的量子点 [16]、碳点 [17]、有机荧光小分子 [18]、金属有机框架 [19]、ZnS纳米颗粒 [20]、纳米纤维膜 [21]、共价有机框架 [22]和银纳米颗粒 [23]。在各种荧光材料中，半导体量子点（SQDs）与传统有机荧光团相比具有独特的优势，包括卓越的抗光漂白性、高发光强度和持久的激发耐受性 [24]，[25]。作为SQDs的典型代表，CdTe量子点表现出优异的光学性能，如良好的光稳定性和窄发射峰。此外，CdTe量子点在365?nm紫外照射下显示出明显的荧光颜色变化，有利于目视定性分析。目前，以纯CdTe量子点作为荧光探针进行NOR传感的研究仍然有限。因此，开发和扩展基于CdTe量子点的荧光传感平台用于NOR残留检测具有重要意义。

然而，在复杂生物基质中实现精确的目标识别仍然是准确荧光检测的关键挑战。作为一种新兴且通用的制备策略，分子印迹技术可以在刚性聚合物网络内部构建具有定制特异性腔体的人工识别受体，定义为分子印迹聚合物（MIPs）[26]，[27]。印迹腔体在空间结构、粒径和功能基团分布方面与目标分析物完全匹配，赋予MIPs优越的特异性识别性能。与自然生物受体（如抗体和适配体）相比，MIPs具有独特的分子识别能力、优异的化学和热稳定性以及低制备成本等明显优点 [28]，[29]。将MIPs与荧光传感技术相结合，可以有效地整合MIPs的特异性识别和荧光分析的高灵敏度，在现场抗生素监测领域展现出广阔的应用前景 [30]，[31]，[32]。迄今为止，已成功开发了一系列基于MIPs的荧光传感平台用于NOR残留检测 [33]，[34]，[35]，[36]，[37]，[38]。将量子点与分子印迹技术相结合，使所构建的MIP-QDs荧光传感器能够同时实现高检测灵敏度、优异的荧光稳定性和快速响应速度。更重要的是，独特的印迹腔体可以有效地排除结构类似物和复杂基质组分的干扰，从而获得超高的检测选择性。在MIPs制备方面，溶胶-凝胶法是一种在温和反应条件下合成硅基MIP涂层的稳健而简便的策略 [39]。硅化修饰具有多种技术优势，包括简单可控的制备过程、优异的热和化学惰性，以及出色的耐久性，大大改善了印迹传感材料的实用性和使用寿命 [40]。

此外，荧光纳米传感器产生浓度依赖的颜色梯度，可量化为RGB信号，当与便携式智能设备结合时，能够实现直观的目视和数字化分析物检测。便携式智能传感系统在现场快速检测中极具价值。智能手机配备高分辨率摄像头和微处理器，可作为高效的光学信号读取器：其内置摄像头捕获实时荧光图像，专业的图像处理软件将颜色变化转化为精确的数字信号以实现目标物定量。凭借低成本、便携性以及强大的数据存储、计算和共享能力，配备先进成像和数据处理模块的智能手机已被广泛用作便携式比色平台 [41]，[42]。因此，将MIPs基荧光传感器与智能手机目视检测相结合已成为智能集成分析设备的热门方向 [43]，[44]。已有几项研究报告了基于荧光和智能手机目视读取的诺氟沙星检测双模态策略 [36]，[45]，[46]，[47]，[48]，[49]，[50]。然而，分子印迹CdTe量子点探针在该双模态传感系统中的应用尚未被充分探索。此外，传统双模态传感系统的选择性、灵敏度和检测速度仍需进一步改善。

在此背景下，我们构建了一个创新的双模态纳米传感平台，结合了常规荧光光谱和基于智能手机的目视定量，用于高效检测NOR残留。图1描绘了MIPs修饰的CdTe量子点复合物的合成过程。简要而言，CdTe量子点通过静电吸引与NOR模板自组装形成初始复合物。随后，APTES单体通过非共价相互作用与这些复合物结合，然后以TEOS作为交联剂进行溶胶-凝胶聚合形成印迹二氧化硅壳，产生MIPs-QDs复合物。在这一设计中，CdTe量子点被稳定地嵌入二氧化硅网络中作为荧光信号报告器。所得MIPs-QDs对NOR表现出显著的荧光猝灭，印迹因子为9.09，表明具有出色的特异性识别能力。该传感器在复杂基质中实现了NOR的灵敏选择性检测，并在实际样品加标试验中获得了令人满意的回收率。为实现现场快速定量，使用MIPs-QDs探针、365?nm紫外灯和智能手机组装了一个便携式智能检测系统。在紫外照射下，随着NOR浓度的增加，溶液显示出可见的荧光颜色渐变。智能手机软件提取RGB参数以实现NOR的目视定量，适用于现场分析。与传统分析方法相比，该双模态传感器表现出综合优势：宽线性范围、超快响应、低检测限和良好的抗干扰选择性。

章节摘要

试剂与材料

氢氧化钠、四乙基正硅酸酯（TEOS）、氨水（NH₃·H₂O）、亚碲酸钠（Na₂TeO₃）、氯化镉二水合物（CdCl₂. 2.5H₂O）、硫代乙醇酸（TGA）、硼氢化钠（NaBH₄）、无水乙醇、3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）和四乙基正硅酸酯（TEOS）均购自能源化学（上海，中国）。诺氟沙星（NOR）、鲁氟沙星（RFX）、加替沙星（GAT）、阿莫西林（AMX）、L-抗坏血酸（LAA）、环丙沙星（CIP）、氧氟沙星（OFL）、左氧氟沙星

MIPs-QDs和NIPs-QDs的荧光发射光谱

采用荧光发射光谱学验证了NOR印迹CdTe量子点（MIPs-QDs）的成功制备。图1?A显示了模板嵌入的MIPs-QDs、模板洗脱的MIPs-QDs和非印迹CdTe量子点（NIPs-QDs）的光谱轮廓。结果表明，负载NOR模板分子的原始MIPs-QDs表现出明显被抑制的荧光强度。在模板NOR分子从印迹识别腔体中被提取后，

结论

在此，我们合成了高性能CdTe量子点，构建了一种新型分子印迹荧光平台，通过荧光光谱法和智能手机目视成像进行食品中NOR的双模态定量检测。机理研究验证了NOR诱导的荧光猝灭主要遵循静态光致电子转移（PET）机制。NOR浓度的增加触发了从淡蓝色到深黄色的可见荧光颜色转变。得益于

CRediT作者贡献声明

张琪涵：撰写——审阅与编辑，项目管理。张靖：撰写——审阅与编辑，资源提供。刘新瑞：项目管理。王双双：撰写——审阅与编辑，方法论。李道金：撰写——初稿，指导，方法论，调查研究，正式分析。杨阳：撰写——审阅与编辑，方法论，数据整理。刘海汐：验证，概念化。

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经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：21904003）、安徽省高校科研项目（2022AH050296）以及广西农业资源化学与生物技术研究重点实验室开放基金项目（2025KF02）的资助。

利益冲突声明

作者声明不存在竞争经济利益。

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