基于分子印迹聚合物(MIP)的电化学传感器用于生物与环境样品中头孢呋辛(CFR)的检测

《ChemElectroChem》：Electrochemical Sensor Based on Molecularly Imprinted Polymer for Cefuroxime Detection in Biological and Environmental Samples

　　

头孢呋辛(CFR)是一种广泛使用的第二代头孢菌素类抗生素，因其大量使用而日益在实际样品中被检出。其存在引发了对抗微生物耐药性和潜在健康风险的担忧，凸显了对其在药物制剂、生物和环境样品中进行灵敏、选择性检测的迫切需求。研究人员开发了一种基于分子印迹聚合物(MIP)的新型电化学传感器，用于选择性检测CFR。MIP膜通过在金纳米颗粒(AuNPs)和碳化钛MXene存在下，电聚合3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)为功能单体、CFR为模板分子制备而成，并沉积在多壁碳纳米管修饰的丝网印刷碳电极(MWCNT-SPE)上。所制传感器采用扫描电子显微镜、循环伏安法(CV)和差分脉冲伏安法(DPV)进行表征。研究人员优化了关键实验参数，包括单体与模板浓度、聚合循环数、模板洗脱和孵育时间。在优化条件下，传感器检出限达1.0×10?9mol L?1，宽线性响应范围为1.0×10?9至1.0×10?4mol L?1（对数坐标）。研究人员将该传感器成功应用于人血清和海水样品中CFR的测定，人血清加标回收率为75.45%至93.13%，海水加标回收率为87.41%至91.7%。

该研究论文发表在《ChemElectroChem》。抗生素尤其是头孢菌素类在临床和养殖中大量使用，导致其在环境与生物基质中残留，带来抗微生物耐药性和健康风险，亟需灵敏、选择性好的检测方法。传统色谱法等虽灵敏但仪器复杂、前处理繁琐，难以现场快速检测；普通电化学传感器常缺乏分子识别能力，在复杂基质中选择性不足。为此，研究人员构建了以多壁碳纳米管修饰丝网印刷碳电极(MWCNT-SPE，第一次出现专业术语：多壁碳纳米管修饰丝网印刷碳电极(MWCNT-SPE, multi-walled carbon nanotube modified screen-printed carbon electrode))为基底，通过电聚合聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT，第一次出现：聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT, poly(3,4-ethylenedioxythiophene)))形成分子印迹聚合物(MIP，第一次出现：分子印迹聚合物(MIP, molecularly imprinted polymer))膜，并引入金纳米颗粒(AuNPs, gold nanoparticles)与碳化钛MXene（第一次出现：MXene，二维过渡金属碳化物/氮化物）以增强导电与比表面的复合传感平台，用于选择性检测头孢呋辛(CFR, cefuroxime)。研究人员通过对单体浓度、模板浓度、电聚合循环数、模板洗脱时间、孵育时间等参数优化，获得最佳制备与检测条件；采用扫描电子显微镜(SEM, scanning electron microscopy)、循环伏安法(CV, cyclic voltammetry)、差分脉冲伏安法(DPV, differential pulse voltammetry)进行结构与电化学表征；在优化条件下评估了线性范围、检出限(LOD, limit of detection)、选择性（干扰物质包括扑热息痛、磺胺嘧啶、抗坏血酸、多巴胺、阿莫西林、土霉素、阿司匹林等）、重现性（相对标准偏差RSD, relative standard deviation）、长期稳定性（20天）以及在人血清（临床实验室来源，稀释10倍）和海水（地中海莫纳斯提尔海岸采集，过滤）实际样品中的加标回收性能。得出结论：该MWCNT-SPE/MIP/AuNPs/MXene传感器对CFR具有宽线性范围（1.0×10^?9~1.0×10^?4mol L^?1，对数关系）、低检出限（1.0×10^?9mol L^?1）、良好选择性（印迹因子IF=8.71）、高重现性（RSD 0.578%，n=5）与稳定性（20天后保留约85%初始信号），在实际生物与环境基质中回收率可接受，为CFR的快速、低成本、选择性电化学检测提供了新工具。

关键技术方法：研究人员采用多壁碳纳米管修饰丝网印刷碳电极(MWCNT-SPE)为基底；通过循环伏安法在含3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)单体、头孢呋辛(CFR)模板、金纳米颗粒(AuNPs)和碳化钛MXene的0.1 mol L^?1H₂SO₄溶液中电聚合PEDOT基分子印迹聚合物(MIP)膜（非印迹NIP不加模板），聚合参数：电位窗口?0.4 V至+1.1 V，速率100 mV s^?1，10圈；模板洗脱用pH 7.4的0.1 mol L^?1磷酸缓冲液(PBS)搅拌30 min；检测时传感器在CFR溶液中孵育（优化为5 min，0.1 mol L^?1H₂SO₄或PBS），后用差分脉冲伏安法(DPV)在0.1 mol L^?1H₂SO₄中记录氧化峰（约0.80~0.85 V）定量；形貌用扫描电镜(SEM)表征；电化学表征另用5 mmol L^?1[Fe(CN)₆]^3?/4?+ 0.1 mol L^?1KCl的CV测试；实际样品为人血清（本地临床实验室来源，?20°C保存，测前室温水浴解冻，10倍稀释于0.1 mol L^?1H₂SO₄）和海水（地中海莫纳斯提尔海岸采集，4°C保存，0.45 μm滤膜过滤后直接加标），均无额外前处理，采用标准孵育-DPV流程并用校准曲线定量。

3 Results and Discussion（结果与讨论）

3.1 Electropolymerization of MIP and NIP Films（MIP与NIP膜的电聚合）：研究人员通过CV监聚合过程，MIP与NIP均在约0.94 V出现EDOT氧化峰，MIP因CFR模板参与使氧化电位负移、峰电流变化，表明模板分子介入聚合、与PEDOT间存在π–π堆积和氢键等非共价作用，成功形成印迹前驱膜。

3.2 Optimization of the Experimental Conditions（实验条件优化）：研究人员系统考察了单体EDOT浓度（10^?4~1 mol L^?1），确定最优0.1 mol L^?1（响应最高）；模板CFR浓度（10^?4~0.1 mol L^?1），最优10^?3mol L^?1（过高致膜过密、传质受阻、位点不可及，响应下降）；电聚合循环数（优化为10圈，过少位点少、过多膜太厚阻碍扩散）；模板洗脱时间（PBS pH7.4搅拌，5~30 min，30 min后DPV峰电流稳定最低，表明模板充分洗脱）；孵育/积累时间（5~40 min，最优5 min，更长反而因过填充、空腔重排、聚合物溶胀等使电化学信号下降）。

3.3 Cefuroxime Electrochemical Behavior at MWCNT-SPE, MWCNT-SPE/MIP/AuNPs/MXene, and MWCNT-SPE/NIP/AuNPs/MXene（CFR在不同电极上的电化学行为）：研究人员用DPV在0.1 mol L^?1H₂SO₄中测试10^?6mol L^?1CFR：裸MWCNT-SPE响应很弱（~0.89 V）；接PEDOT MIP后略增强；再掺AuNPs(MWCNT-SPE/MIP/AuNPs)峰电流进一步增大（~0.81 V）；再加MXene(MWCNT-SPE/MIP/AuNPs/MXene)峰显著增强且电位负移至~0.80 V，归因于MXene提升界面电荷转移；洗脱模板后(MWCNT-SPE/MIP/AuNPs/MXene after extraction)响应仍高，证明印迹空穴利于CFR重结合与电信号；NIP对照（无模板制膜）响应低于MIP after extraction，说明非特异性吸附有限、印迹空穴起主要作用。

3.4 SEM Characterization of the Electrodes（电极的SEM表征）：研究人员观察各步形貌：裸MWCNT-SPE呈颗粒状（~10 nm晶粒与MWCNT隆起）；MIP聚合后（PEDOT+AuNPs+MXene+CFR模板）覆盖薄电子透膜；模板洗脱后膜变薄、底层颗粒更显露、粗糙度增加，对应印迹空穴生成；CFR重结合后形貌无明显变化；NIP聚合后形成较厚连续膜（30~40 nm尺度隆起、无底层颗粒可视），洗脱步骤不改变其形貌，区别于MIP，证实模板存在才产生空穴结构。

3.5 Electrochemical Characterization of the Electrodes（电极的电化学表征）：研究人员用5 mmol L^?1[Fe(CN)₆]^3?/4?+ 0.1 mol L^?1KCl的CV表征：裸MWCNT-SPE有可逆氧化还原峰（阳极~192 mV，阴极~47 mV）；聚合MIP/AuNPs/MXene后峰电流增大（高导电复合膜）；模板洗脱后峰电流下降，因致密PEDOT-MIP膜中空穴为“死端”孔，阻碍阴离子探针扩散、增加曲折度与界面电阻；CFR重结合后电流部分恢复（空穴被占据、界面均一化，且AuNPs/MXene助导电）；NIP电流介于聚合后与洗脱后MIP之间。该表征说明膜导电与传质特征，但分析信号主要来自CFR在印迹空穴内的直接氧化而非探针可及面积。

3.6 Analytical Performance（分析性能）：在优化条件下，DPV峰电流与log[CFR]在1.0×10^?9~1.0×10^?4mol L^?1呈线性（R²=0.991），LOD=1.0×10^?9mol L^?1（3s/m），LOQ=3.3×10^?9mol L^?1（10s/m）；NIP响应斜率远小（IF=8.71）；与文献方法比，该传感器线性范围更宽、LOD更低，且能在复杂基质中使用。

3.7 Selectivity（选择性）：研究人员测试10^?6mol L^?1CFR中加1000倍干扰（10^?3mol L^?1）：扑热息痛(PAR)、磺胺嘧啶(SDZ)引起<10%信号变化；抗坏血酸(AA)、多巴胺(DOP)造成中等降低（35%~45%）；土霉素(OXY)影响较小；阿莫西林(AMX，具β-内酰胺环类似结构）信号抑制较强（因结构相似有部分识别），但总体MIP对CFR保有优先识别，非结构类似物干扰有限。

3.8 Reproducibility and Stability Study（重现性与稳定性）：5支独立制备的传感器测10^?6mol L^?1CFR，RSD=0.578%（n=5），重现性好；20天内定期测，保留约85%初始信号，显示较好长期稳定性。

3.9 Real Samples Analysis（实际样品分析）：人血清加标10^?8、10^?7、10^?6mol L^?1，回收率分别为75.45%、87.52%、93.13%（RSD 0.127%~0.234%）；海水同浓度加标回收率87.41%、89.55%、91.7%（RSD 0.227%~0.387%）；低浓度下基质效应稍大（血清更明显），但整体可行，证明传感器适用于复杂生物与环境基质。

讨论与结论总结：研究人员在讨论中指出，该工作成功开发了MWCNT-SPE/MIP/AuNPs/MXene电化学传感器用于CFR选择性检测；PEDOT基MIP膜通过电聚合简便形成，AuNPs与MXene提升导电、比表面与电荷转移，印迹空穴提供特异性结合；优化后传感器具备低检测限（1.0×10^?9mol L^?1）、宽对数线性范围（10^?9~10^?4mol L^?1）、良好重现性(RSD 0.578%)、稳定性(20天~85%)与选择性(IF=8.71)；实际人血清和海水加标回收可接受（血清75.45%~93.13%，海水87.41%~91.7%），证明在复杂基质中可用；该平台集丝网印刷电极的低成本便携、MWCNT导电、MIP特异识别、纳米材料(AuNPs/MXene)信号放大于一体，为CFR在生物医学与环境中的快速、灵敏、选择性监测提供了新工具，论文发表于《ChemElectroChem》。结论部分原文总结：本研究成功开发了基于MWCNT-SPE/MIP/AuNPs/MXene的电化学传感器，用于灵敏、选择性测定头孢呋辛；通过在AuNPs和MXene存在下电聚合PEDOT形成分子印迹薄膜，结合了MIP的分子识别能力与纳米材料的高导电、大比表面；优化条件下传感器具低检测限、宽线性动态范围、良好重现性和满意长期稳定性；CFR选择性主要源于PEDOT基质中特定印迹空穴的形成，AuNPs和MXene显著增强电荷转移与信号放大；该传感器成功应用于人血清和海水样品，回收率和精度可接受，证实其在复杂基质中的稳健性；凭借简易制备、低成本、便携性和可靠分析性能，所开发的MIP电化学传感器是CFR在生物医学与环境应用中监测的有前景工具。