基于分子印迹技术的“开-关”比率荧光纸传感器，用于快速可视化检测磺胺甲噁唑

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Molecularly imprinted “on-off” ratiometric fluorescence paper-based sensor for rapid and visual detection of sulfamethoxazole

磺胺甲噁唑分子印迹比色荧光传感器研究及其在动物源性食品检测中的应用，通过制备BCP-Eu/BCP-Tb@羧基修饰纸张实现“on-off”荧光检测，检测限67.9 nM，线性范围0.01-20.00 μM，与智能手机联用可快速可视化分析，验证了该技术的高灵敏度、抗干扰性和便携性优势。

　　

苏梦宇|刘正|景龙|卢启荣|孔向飞|罗晓玲|韩国成

桂林理工大学化学与生物工程学院，广西电化学与磁化学功能材料重点实验室，中国广西桂林541004

摘要

磺胺类药物的过度使用导致了严重的生态问题。本研究基于分子印迹聚合物（MIPs）开发了一种“开-关”比率荧光纸质传感器。该传感器结合了MIPs的高特异性以及比率荧光的高灵敏度和视觉检测能力，在检测动物源性食品中的磺胺甲噁唑（SMZ）残留方面具有显著的优势，特别是在检测限和抗干扰能力方面。通过将传感器与智能手机连接，建立了一个视觉检测系统。实验结果表明，在0.01–20.00 μM的浓度范围内，SMZ浓度与荧光强度比（F₆₃₀/F₅₅₀）之间存在线性关系（R² = 0.9970）。检测限为67.9 nM。加标回收率在94.30%到101.06%之间，相对标准偏差小于3.02%。所开发的方法操作简单、成本低廉，为快速检测磺胺类药物残留提供了可行的解决方案，具有广阔的应用前景。

引言

磺胺类药物在畜牧业中被广泛使用[1]。SMZ的抗菌机制是抑制叶酸的合成并干扰细菌的生长和繁殖，从而导致细菌死亡。这一机制使SMZ在预防和治疗动物传染病方面发挥着重要作用[2]。因此，食品中存在SMZ残留所带来的食品安全问题受到了广泛关注[3]。作为一种具有显著抗菌活性的药物，SMZ对多种细菌具有很强的杀菌效果，并且在预防和治疗动物细菌感染方面表现良好。此外，该药物还能减少动物的炎症反应，有助于炎症区域的修复和恢复。因此，它在养猪业中被广泛应用。然而，长期摄入含有过量磺胺类药物残留的动物源性食品可能会影响造血功能、损害肝脏[4]，引发过敏反应，甚至存在潜在的致癌风险。磺胺类药物的不当使用导致的兽药残留问题已成为环境污染的重要因素，对人类健康构成威胁。这一问题亟需得到有效解决。

目前，检测SMZ的方法包括质谱法[5]、高效液相色谱法[6]、液相色谱-质谱联用法[7]、固相萃取-串联质谱法[8]和酶联免疫吸附测定法[9]。尽管这些方法可以准确检测SMZ的浓度，但所需仪器价格昂贵，检测成本高，且预处理复杂耗时，难以在食品安全监督现场进行快速分析[10]。因此，开发低成本、快速、可视化且便携的检测方法具有重要的实际意义。

分子印迹技术（MIT）可用于识别特定分子[11]。Pualing首次提出了空间位点结合的概念[12]，为MIT的发展奠定了基础。MIT通过使用目标分子作为模板分子，通过共价或非共价键合方法制备对目标分子具有选择性的聚合物，从而形成MIPs，即利用模板分子制备结合位点的过程[13]、[14]、[15]。近年来，分子印迹传感器在快速检测领域取得了显著进展。例如，Cai团队[16]、[17]开发了一种多功能荧光传感器，通过量子点和金属螯合策略实现了病毒的可视化检测，展示了分子印迹在高选择性检测中的潜力。2023年，他们进一步开发了一种纸质传感器，利用持久发光纳米粒子避免了自发荧光干扰，实现了超灵敏的病毒检测，突出了纸质平台在便携式检测中的优势。

基于MIPs的比率荧光传感器具有高特异性、强抗干扰能力和高灵敏度，能够有效解决由于各种非目标因素（如荧光背景[18]和仪器波动[19]）导致的荧光传感器不稳定问题，并提供双重或多重发射峰，直接指示荧光颜色的变化，从而实现目标分析物的可视化检测[11]。这种可视化快速检测技术直观、快速、便携且灵敏[20]、[21]、[22]，在大量样品的现场检测中发挥着重要作用，在食品安全领域占据重要地位。在食品分析中，常见的可视化快速检测技术包括颜色快速测试、试纸条和视觉荧光检测[23]、[24]。其中，纸质可视化快速检测技术在食品安全监督中发挥着越来越重要的作用，其核心技术优势在于能够在公共卫生和紧急事件中实现快速简便的现场检测。

由于食品样本的复杂性和多样性，基于比率荧光的现场快速检测的灵敏度和准确性往往难以满足要求。文献表明，分子印迹技术在解决食品样本中的高干扰问题方面具有独特优势[25]。因此，在食品安全可视化监测和检测技术领域，研究分子印迹技术与比率荧光纸质传感器传感器的结合对于实现动物源性食品样本中微量有害物质的准确快速检测具有重要意义，并受到了研究人员的广泛关注。Cai等人[26]基于氮掺杂碳量子点（N-BCDs）和生物质碳量子点（RCDs）构建了一种比率荧光传感器，结合MIPs和微流控纸质芯片，实现了牛奶中磺胺二甲嗪（SDZ）的快速高灵敏度检测，检测限低至10.41 nM，回收率在98.70%到108.70%之间；Wang等人[27]制备了一种三比率荧光分子印迹传感器（MIP-TRF），结合了纸质微流控装置，用于检测水产品中的恩诺沙星（ENX），检测限为0.008 mg/L，回收率在98.88%到102.76%之间，表现出优异的抗干扰性和稳定性。然而，针对动物源性食品样本的分子印迹比率荧光纸质传感器仍存在亟待解决的问题：（1）比率荧光探针的检测效果取决于两种荧光材料的选择。稀土复合体是一种重要的荧光材料类型，但将其制备成分子印迹比率荧光纸质传感器仍然较为罕见；与荧光量子点相比，稀土荧光复合体具有以下优势：它们的背景光较低，这与较大的斯托克斯位移和较长的荧光寿命有关；它们的准确性更高，因为两种不同稀土复合体的发射光谱几乎不重叠，使得信号分离非常清晰；它们的生物安全性更好，这归因于稀土复合体结构稳定，通常不会分解。（2）虽然有多种类型的纸质材料，但缺乏适合分子印迹技术的纸质材料；（3）如何将分子印迹聚合物与比率荧光探针结合在纸质基底上，以构建分子印迹比率荧光纸质传感器，这与该传感器在可视化检测中的应用推广密切相关。

本研究介绍了一种基于吡啶羧酸稀土复合体（BCP-Eu和BCP-Tb）的分子印迹比率荧光传感器，创新地将稀土复合体应用于MIP比率荧光纸质传感器。纸质基底经过羧基化溶剂修饰，富含-COOH基团，可以与模板分子中的-NH₂基团通过氢键相互作用，从而提高选择性并便于制备，适用于现场快速检测。基于SMZ会减弱BCP-Tb发出的绿色荧光（“关闭”状态）并增强BCP-Eu发出的红色荧光（“开启”状态），本文提出了一种原位制备的“开-关”SMZ分子印迹比率荧光纸质传感器（MIPs-SMZ@BCP-Tb/BCP-Eu@-COOH纸），用于检测动物源性食品中的SMZ残留浓度。使用XRD、SEM、EDS、UV–Vis、FL和XPS对MIPs-SMZ@BCP-Tb/BCP-Eu@-COOH纸传感器进行了表征，并结合智能手机确定了传感器的RGB值，建立了SMZ浓度的可视化检测方法，并将其应用于动物源性食品中SMZ兽药残留的检测。

材料与试剂

[2,2′-联吡啶]-6,6′-二羧酸（H₂L）购自吉林中科信科技有限公司。六水合硝酸铕(III)、六水合硝酸铽(III)、甲酸（HCOOH）、磺胺甲噁唑（SMZ）、对氨基水杨酰铵（PST）、磺胺二甲嘧啶（SMD）、三甲氧嘧啶（TMP）、γ-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）购自上海麦克林生化科技有限公司。N,N-二甲酰胺（DMF）、氨水（NH₃·H₂O）、盐酸

光学性能分析

为了获得合成荧光材料的最佳检测条件，使用UV–Vis光谱研究了BCP-Eu和BCP-Tb的光学性质，包括激发光谱和发射光谱。结果如图1所示。在图1(a)和(b)的UV–Vis光谱中，BCP-Eu和BCP-Tb在278 nm和266 nm处的吸收峰对应于不饱和键的π→π*跃迁，属于B吸收带。而在320 nm处的吸收峰

结论

总之，本研究制备了一种“开-关”SMZ分子印迹比率荧光纸质传感器（MIPs-SMZ@BCP-Tb/BCP-Eu@-COOH纸），与非印迹比率荧光纸质传感器（NIPs-SMZ@BCP-Tb/BCP-Eu@-COOH纸）相比，该分子印迹比率荧光纸质传感器在检测限和抗干扰能力等分析性能方面具有显著优势。将其与智能手机结合，可实现现场快速可视化检测

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们衷心感谢桂林市科学技术发展项目（编号2022118-1）和广西自然科学基金（编号2020GXNSFAA297054）的支持。