《Food Chemistry: X》：High-sensitivity tetracycline detection with ring-cavity laser sensor enhanced by AgNPs@HOF-101@TC Apt/PDA functional film
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近年来，药物被广泛应用于人类医疗保健与动物疾病预防，并通过多种途径在环境中逐步蓄积。在环境中检出的各类药物化合物中，抗生素尤受关注。由于具有强效抑制细菌生长与清除病原体的能力，抗生素通过保障公共卫生与食品安全在现代社会中发挥关键作用。四环素（TC）作为一种广谱
近年来，药物被广泛应用于人类医疗保健与动物疾病预防，并通过多种途径在环境中逐步蓄积。在环境中检出的各类药物化合物中，抗生素尤受关注。由于具有强效抑制细菌生长与清除病原体的能力，抗生素通过保障公共卫生与食品安全在现代社会中发挥关键作用。四环素（TC）作为一种广谱抗生素，凭借其广谱疗效、高效力与低成本，被广泛应用于人类医学、畜牧养殖与水产养殖。然而，由于在生物体内代谢降解有限，超过75%的给药TC以原形经尿液与粪便排出。该状况导致动物源性食品与自然环境中的TC残留，其可能经食物链进入人体，影响人类健康，造成胃肠道、肝脏、肾脏等损伤，并导致中枢神经系统缺陷。鉴于TC残留引发的公共卫生与环境危害，各国政府已制定动物源性食品中TC的最大残留限量（MRLs）。例如，欧盟将食用肌肉组织中TC的MRL设定为100 μg/kg，而中国将其设定为200 μg/kg，牛奶的限量值为100 μg/kg。因此，食品与环境样品中四环素残留的准确检测对于保护生态安全与公共卫生至关重要。迄今为止，已开发出多种用于TC检测的定性与定量分析方法，包括高效液相色谱（HPLC）、酶联免疫吸附测定（ELISA）、荧光检测与电化学分析。尽管HPLC被视为TC定量的标准方法，但其操作成本高、样品前处理程序复杂且需要熟练人员。ELISA存在试剂稳定性差、易受酶活性与抗体性能干扰的问题。荧光检测通常仅能通过测量单一荧光信号的变化来检测靶标，且常受各种无关因素影响，导致灵敏度与选择性较低。电化学方法面临选择合适识别元件、纳米材料与电极基底相关挑战，阻碍了其广泛实际应用。近年来，光纤传感技术取得显著进展。光纤传感器具有成本低、体积小、抗电磁干扰、灵敏度高、耐化学腐蚀、生物相容性好与响应快速等诸多优势，使其日益适用于高特异性生物标志物检测。目前，已开发出多种基于光纤的生物传感器结构，如光纤布拉格光栅（FBG）、干涉结构与谐振结构等。微光纤干涉仪（MFI）作为一种特殊光纤结构，利用强倏逝场效应对环境折射率变化作出灵敏响应，使该传感器在生物传感应用中尤为前景广阔。同时，利用生物识别元件对光纤表面进行功能化可增强对目标分析物的特异性识别，从而提高特异性与灵敏度。例如，Mansor M.等将生物素固定在MFI表面，随后将其集成到掺铒光纤环形激光腔中，实现了对亲和素的灵敏检测。Zhang W.等将Nb2CTX MXene沉积在锥形少模光纤表面以增强光热效应，利用硫酸链霉素在405 nm激光照射下的光-热能量转换特性，建立了水环境中硫酸链霉素检测的传感方法。Qin S.等利用环形激光器结合单模-锥形七芯-单模光纤结构，实现了低浓度鼠伤寒沙门氏菌的特异性检测。Li X.等提出了一种基于局域表面等离子体共振原理、由多模光纤（MMF）-四芯光纤（FCF）-七芯光纤（SCF）-MMF组成的锥形光纤结构，将多壁碳纳米管、氧化铈纳米棒与金纳米颗粒（AuNPs）固定在探针表面，实现了阿霉素的高效检测。因此，可选择适当的TC识别元件并将其固定在MFI表面以实现TC分子的高效检测。适配体通常为单链DNA或RNA分子，通过指数富集配体系统进化（SELEX）技术筛选获得。与传统抗体相比，适配体具有更优异的灵敏度、选择性、易储存性与稳定性。凭借优异的特异性与亲和力，适配体能够特异性结合金属离子、小分子化合物、肿瘤细胞及其他分析物，已被广泛应用于生物传感器的构建。Xu Y.等利用靶标分析物对银纳米颗粒（AgNPs）的保护作用与适配体的特异性识别能力，开发了一种用于卡那霉素检测的新型比色传感器。Zhang Y.等设计了一种双三螺旋适配体探针，借助双猝灭基团建立了鱼肉与牛奶样品中氯霉素的无酶扩增检测方法。Wu Q.等通过在玻碳电极（GCE）表面原位生成聚合物[聚多巴胺-聚（磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯），PDA-PSBMA]，随后固定TC适配体（TC Apt），构建了用于牛奶样品中TC检测的电化学传感器。氢键有机框架（HOFs）是一类通过分子间氢键相互作用由有机或金属有机构筑单元自组装形成的新兴多孔晶体材料。迄今为止，HOFs已在催化、气体吸附与分离以及发光材料等领域得到应用。其可调孔径、高比表面积与生物相容性使HOFs在生物传感方面前景广阔，可增强检测灵敏度。多项研究凸显了HOFs在生物传感领域的潜力。Yang X.等制备了Au@Ag@HOF复合材料作为表面增强拉曼散射（SERS）的高性能基底，实现了食品样品中双酚A、F与S的灵敏检测。He Y.等将HOFs与AuNPs结合作为SERS基底，随后连接催化发夹组装（CHA）介导的双端DNA步行器，实现了罗红霉素（ROX）的检测。Zhu D.等将HOF与氯化血红素偶联以合成新型基于HOF的纳米酶（Hemin@HOF），随后将其掺入水凝胶基质中。通过与乙酰胆碱酯酶（AChE）相互作用，该系统实现了有机磷农药的灵敏检测，检出限（LOD）为3.04 ng/mL。因此，通过将适配体的高特异性与HOF材料的高比表面积相结合，上述两方面增强了传感特异性与灵敏度。尽管现有TC传感技术已取得一定进展，但集成简单样品前处理、高灵敏度与快速检测的传感方案仍然稀缺。为解决这一瓶颈，本研究利用AgNPs@HOF-101材料的信号增强效应，开发了一种AgNPs@HOF-101@TC Apt/PDA修饰的光纤环形激光器（AHTAP修饰FRL）传感器，用于TC的快速、高灵敏检测。该系统窄的半高全宽（FWHM）与高消光比（ER）增强了传感器的检测精度与稳定性。随后，将MFI与FBG共同嵌入系统中，通过监测输出激光波长漂移实现TC检测，同时实现温度补偿。在传感器制备过程中，TC Apt作为识别元件共价连接至AgNPs@HOF-101复合材料，而PDA用于将复合材料固定在MFI表面。实验结果表明，该系统可检测0.001 nM至1000 nM范围内的TC浓度，线性范围为0.001 nM至0.01 nM，灵敏度为219.44 nm/nM，LOD为0.52 pM。此外，利用七种干扰物质（土霉素、金霉素、链霉素、红霉素、恩诺沙星、多西环素与诺氟沙星）验证了传感器的特异性。在实际样品（自来水、河水、牛奶与蜂蜜）检测中，获得了82.16%–116.62%的回收率。所提出传感器与标准液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）检测方法的比较显示，测试结果无统计学显著差异。采用三种机器学习模型[随机向量函数链接网络（RVFL）、随机森林（RF）、支持向量回归（SVR）]预测TC浓度，其中SVR表现最佳，决定系数（R2）为0.9937，均方误差（MSE）为0.0296，均方根误差（RMSE）为0.1720，平均绝对误差（MAE）为0.1017。该传感器具有高灵敏度与优异稳定性，在实际应用中性能稳健，为食品与环境场景中的抗生素监测提供了潜在技术策略。
研究背景方面，药物在人类医疗与动物疾病预防中的广泛使用使其通过多种途径在环境中逐步蓄积，其中抗生素因能强效抑制细菌生长与清除病原体而备受关注。四环素（TC）作为广谱抗生素，因广谱、高效、低成本而被广泛用于人类医学、畜牧养殖与水产养殖。但由于在生物体内代谢降解有限，超过75%的给药TC以原形经尿液与粪便排出，造成动物源性食品与自然环境中的TC残留，可能经食物链进入人体，损伤胃肠道、肝脏、肾脏等并导致中枢神经系统缺陷。鉴于此，欧盟将食用肌肉组织中TC的最大残留限量（MRLs）设为100 μg/kg，中国设为200 μg/kg，牛奶限量100 μg/kg，因此食品与环境样品中TC残留的准确检测对保护生态安全与公共卫生至关重要。现有检测方法包括高效液相色谱（HPLC）、酶联免疫吸附测定（ELISA）、荧光检测与电化学分析，但HPLC操作成本高、前处理复杂且需熟练人员，ELISA试剂稳定性差且易受酶活性与抗体性能干扰，荧光检测多依赖单一荧光信号且易受无关因素影响，电化学方法在识别元件、纳米材料与电极基底选择上存在困难。光纤传感技术虽具成本低、体积小、抗电磁干扰、灵敏度高、耐化学腐蚀、生物相容性好与响应快等优势，微光纤干涉仪（MFI）亦能利用强倏逝场灵敏响应环境折射率变化，但集成简单样品前处理、高灵敏度与快速检测的TC传感方案仍然稀缺。为此，研究人员利用AgNPs@HOF-101材料的信号增强效应，构建了AgNPs@HOF-101@TC Apt/PDA修饰的光纤环形激光器（AHTAP修饰FRL）传感器，将TC适配体（TC Apt）共价连接于AgNPs@HOF-101复合材料，并以聚多巴胺（PDA）将复合材料固定于MFI表面，通过监测输出激光波长漂移实现TC检测，同时以级联光纤布拉格光栅（FBG）实现温度补偿，并引入支持向量回归（SVR）等机器学习模型进行浓度预测。
关键技术方法方面，研究人员以熔接机、丁烷喷灯与电控位移台制备MFI，将MFI与1550 nm FBG级联嵌入由掺铒光纤放大器（EDFA）、隔离器（ISO）、偏振控制器（PC）与80/20耦合器（OC）构成的环形腔，以光谱分析仪（OSA）采集光谱；通过原位光化学还原AgNO3制备AgNPs@HOF-101，经巯基-银键固定TC Apt，再经多巴胺室温氧化自聚合包覆PDA；利用扫描电镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见光谱（UV–vis）、Zeta电位与能谱（EDS）表征功能层；以NaCl溶液与恒温箱分别考察折射率与温度响应；实际样品为实验室自来水、汾河河水、市售牛奶与蜂蜜，并采用LC-MS/MS进行比对验证。
研究结果方面，3.1 传感器性能评估：随折射率由1.3320增至1.3355 RIU，干涉波长由1559.725 nm红移至1565.425 nm，输出激光波长折射率灵敏度为1631.31 nm/RIU，FBG为0 nm/RIU；温度由25.0 ℃升至65.0 ℃时干涉波长由1573.3 nm蓝移至1570.45 nm，输出激光波长温度灵敏度为?0.06 nm/°C，FBG为0.009 nm/°C；二者灵敏度比值不同，可经矩阵消除温度交叉敏感。3.2 AgNPs@HOF-101@TC Apt/PDA功能层表征：SEM显示AgNPs@HOF-101呈棒状且表面有沟槽与裂纹，固定TC Apt后表面粗糙度增加，包覆PDA后出现颗粒聚集；FTIR中1058 cm?1处PO2?伸缩振动峰表明TC Apt固定成功，PDA特征峰出现证明复合成功；UV–vis中274 nm吸收升高、418 nm银表面等离子体共振峰减弱，证明TC Apt修饰成功；Zeta电位由?21 mV降至?26 mV再回升至?24 mV，逐步证明功能层构建；EDS检出Si、C、O、N、Ag、P六种元素，表明PDA与AgNPs@HOF-101@TC Apt成功固定于光纤。3.3 传感器性能优化：TC Apt浓度为2.5、5、10 μM时灵敏度分别为76.13、219.44、173.33 nm/nM，5 μM最优；功能化时间20、40、60 min时灵敏度分别为87.63、219.44、145.79 nm/nM，40 min最优。3.4 PBS缓冲液中TC检测与特异性评价：传感器浸入PBS 15 min波长波动δ=0.038 nm，稳定性良好；随TC浓度由0.001 nM增至1000 nM，透射谱由1558.675 nm红移至1563.775 nm，FBG波长保持不变，前三点线性拟合灵敏度为219.44 nm/nM（R2=0.9992），据LOD=3δ/S得LOD为0.52 pM；对土霉素、金霉素、多西环素、链霉素、红霉素、恩诺沙星、诺氟沙星的波长漂移分别为0.9375、0.8125、0.9、0.825、0.6375、0.3375、0.3 nm，而TC为5.7375 nm，表明特异性良好。3.5 长期稳定性检测：室温避光储存第1、4、7天空白波动δ分别为0.041、0.038、0.049 nm，灵敏度分别为199.72、196.92、146.06 nm/nM，虽第7天有所衰减但整体有限，响应趋势一致。3.6 实际样品检测：自来水、河水、牛奶与蜂蜜中空白基质波长漂移分别为0.1125、0.7125、0.125、0.175 nm，以其为基线，灵敏度分别为208.27、213.85、213.5、217.31 nm/nM，LOD分别为0.55、0.53、0.53、0.52 pM，FBG灵敏度均为0 nm/nM；相对标准偏差（RSD）为4.87%–12.67%，回收率为82.16%–116.62%，空白样品均判定为“< LOQ”（低于定量限）；LC-MS/MS比对中牛奶样品配对t检验t=?1.29、p=0.33，蜂蜜样品t=?0.07、p=0.95，在α=0.05水平下均大于0.05，无统计学显著差异。3.7 机器学习：以16个独立制备传感器各11个浓度响应共176个观测值建模，RVFL、RF与SVR的R2分别为0.9358、0.9528与0.9937，SVR的MSE、MAE、RMSE分别为0.0296、0.1017、0.1720，均为最低，优于普通最小二乘（OLS）与二次多项式回归（QPR）等传统方法。3.8 与现有TC检测方法比较：该传感器响应范围宽、灵敏度高、LOD低、检测时间短（8 min）、仪器要求低，且可在复杂基质中保持稳定响应。
讨论部分指出本研究的创新内涵体现在三方面：其一，将AgNPs@HOF-101材料与TC Apt偶联构建传感识别系统，依托HOF的多孔结构提高识别单元负载量以增强灵敏度，同时借助TC Apt对TC的特异性识别减少非特异性吸附干扰；其二，MFI具强倏逝场并对折射率敏感，功能膜吸附TC引起界面折射率变化并诱导干涉谱红移，MFI嵌入FRL后输出谱具更窄FWHM与更高ER，FBG作为温度传感单元补偿温度漂移；其三，引入SVR机器学习模型刻画波长漂移与TC浓度的非线性关系，实现高精度定量预测。研究同时指出局限性：全部检测均在实验室条件下完成，尚未实现原位现场检测，现场温度波动与环境干扰对传感响应的影响仍需进一步验证，后续将构建便携式测试装置开展现场原位测试。结论部分译为：本研究成功构建了用于TC特异性检测的AHTAP修饰FRL传感器。FRL系统中MFI与FBG的级联配置有效减轻了温度引起的干扰，并提高了ER、收窄了FWHM，从而提高传感器的检测精度。TC Apt固定在HOF-101材料上，并进一步通过PDA锚定于MFI表面。TC Apt与目标TC的特异性结合诱导MFI表面折射率变化，进而引起输出激光波长漂移，实现TC的定量检测。实验结果验证了所提出传感器的优异检测性能，包括0.001–1000 nM的宽响应范围、219.44 nm/nM的高灵敏度（线性范围：0.001–0.01 nM）以及0.52 pM的低LOD。此外，自来水、河水、牛奶与蜂蜜样品的回收率为82.16%–116.62%。该方法与LC-MS/MS具有良好一致性，证明传感器在复杂基质中的适用性。采用RVFL、RF与SVR三种模型对TC浓度进行回归预测，其中SVR模型表现最佳，获得最高R2（0.9937）与最低MSE（0.0296）、RMSE（0.1720）和MAE（0.1017）。该传感器为TC的高效准确检测提供了一种新颖可靠的技术途径，在食品安全、环境监测及相关领域的残留抗生素检测中具有广阔的应用潜力。
