基于熵稳定化的五元硫化物纳米酶，通过电化学发光与比色检测技术实现磺胺类抗生素的互补双模式检测

《Biosensors and Bioelectronics》：Entropy-stabilized quinary sulfide nanozyme for complementary dual-mode detection of sulfonamide antibiotics via electrochemiluminescence and colorimetric sensing

　　冯大明|陈桥|周新月|周丽雪|徐旭|葛春华中国辽宁省沈阳市辽宁大学化学学院，邮编110036摘要现有的磺胺类药物检测方法在复杂食品基质中面临着灵敏度与可靠性之间的持续权衡，尤其是单模式检测容易产生假阳性结果。我们提出了一种基于五元高熵硫化物（FeCoCuCrZr）S2（F3CZ-48）的双模式传感平台，利用这种熵稳定的纳米酶实现电化学发光和比色法两种独立且互补的检测方式，用于检测磺胺嘧啶。该材料均匀的元素分布以及混合价态（Fe2+/Fe3+、Co2+/Co3+）使得它具有两种协同催化作用：一是氧还原反应催化，可生成羟基自由基，使基于鲁米诺的体系中的电化学发光强度提高3.8倍；二是具有特定动力学特性的类过氧化物酶活性。该电化学发光传感器对磺胺嘧啶的检测下限可达19.6皮摩尔，线性范围为100皮摩尔至100微摩尔，相关系数R2为0.998，且选择性优异。通过TMB氧化实现的比色检测也具有相当的定量精度，在牛奶和鸡蛋基质中的回收率为94.8%-116.0%，相对标准偏差为1.97%-4.32%。重要的是，电化学发光检测结果与比色检测结果之间的高度一致性为二者提供了相互验证，有效降低了单模式检测中常见的虚假信号风险。该平台在操作稳定性方面表现良好，10次循环后的相对标准偏差仅为4.5%，且在富含蛋白质的基质中也不易出现电极污染问题，因此是一种能够整合电化学与光学检测方式的通用平台，有望用于现场食品安全监测。引言随着兽用磺胺类抗生素的使用日益增加，一个严重的食品安全问题随之出现：动物源性产品中存在微量但难以被传统检测方法发现的残留物，这些残留物可能带来过敏、器官毒性以及加速抗菌素耐药性等健康风险（Tripathi等人，2024年；Hain等人，2021年）。全球各监管机构都制定了严格的磺胺类物质在食品中的最大残留限量，通常要求控制在亚皮克摩尔级别，以此减少消费者通过食物链接触这类物质的风险（Ning等人，2022年）。然而，要有效执行这些规定仍面临一个根本性的分析难题：即在复杂的生物基质（如牛奶、鸡蛋）中实现飞摩尔级的灵敏度，同时又不影响检测的稳定性。这些基质中的脂质小球、酪蛋白胶束和白蛋白网络会引发严重的信号干扰和电极污染，导致传统检测方法要么为了适应基质环境而牺牲灵敏度，要么相反，这种权衡使得监管要求难以完全落实（Chen等人，2019年；Li等人，2025年；Huang等人，2022年；Liu等人，2025a年）。目前的检测平台存在诸多局限性，不利于在现场进行监测。色谱技术（HPLC-MS/MS）虽然具有所需的灵敏度，但需要昂贵的仪器、专业的操作人员以及复杂的样品前处理流程，因此不适合在生产场所进行快速筛查（Piechocka和G?owacki，2024年）。免疫测定法虽然便于携带，但由于存在与结构相似的磺胺类药物（如磺胺甲噁唑、磺胺胺嗪）的交叉反应，且在富含蛋白质的环境中稳定性较差，根据FDA的报告，其在现场检测中的假阴性率高达15%-30%（Huang等人，2025年；Zhu等人，2019年；Zettler等人，2021年）。电化学传感器虽具有小型化的潜力，但在牛奶和鸡蛋基质中容易发生电极钝化，而且由于非特异性吸附，难以准确区分不同的磺胺类化合物（Farias等人，2023年；Zhu等人，2023年）。更为关键的是，所有现有的检测平台都依赖单模式检测方式，这使得它们极易受到基质干扰因素的影响而产生假阳性结果，进而可能导致不必要的产品召回，给生产商带来严重经济损失（Zettler等人，2021年；Bushira等人，2022年）。这一缺陷凸显出对互补检测方法的迫切需求：即通过不同的物理原理同时进行检测，从而消除虚假信号，同时保持极高的检测灵敏度。纳米酶技术被认为是一种潜在的解决方案，但目前仍受材料限制。大多数模拟过氧化物酶功能的纳米酶（如金属氧化物、碳点）要么在简化缓冲液中具有高活性，要么在复杂介质中具有稳定性，但很少能同时具备这两种特性，这是因为其活性位点的设计还不够完善（Zhou等人，2022年；Ruan等人，2019年；Shin等人，2025年）。最近出现的high-entropy材料理论上为解决这一问题提供了新的思路，这类材料通过熵稳定机制构建的多金属框架，能够同时实现催化功能的多样性以及结构的稳定性（Gon?alves和Ruiz-Montoya，2023年；Liang等人，2025年）。不过，目前对high-entropy材料的研发几乎都集中在金属合金和氧化物上（Amiri和Shahbazian-Yassar，2021年）。尽管有一些研究将high-entropy氧化物或合金应用于电化学发光领域（Bushira等人，2022年），但由于在多阳离子晶格中实现阴离子均匀分布存在合成上的困难，以硫化物为基础的high-entropy材料至今仍未得到充分研究。更重要的是，现有的high-entropy传感器大多仍采用单模式检测方式。目前还没有任何high-entropy纳米酶能够同时具备电化学发光和比色两种检测功能，以实现相互验证，这就使得那些能够利用电化学与光学检测方式相互印证以提高可靠性的检测平台仍然缺失——尤其是在磺胺类药物检测领域，假阳性结果会给生产商带来巨大的经济损失（Zettler等人，2021年；Situ等人，2002年）。这一缺陷进一步凸显出对互补检测方法的迫切需求，这种互补并非指必须具有完全相同的性能指标，而是指在不同检测场景下能够发挥协同作用。本研究通过设计五元高熵硫化物（FeCoCuCrZr）S2（F3CZ-48），将其作为一种集成双模式传感平台，将该平台与电化学发光和比色检测方式结合在同一个由熵稳定机制构成的框架内，从而实现了通过不同检测途径进行灵活且相互验证的检测。通过配置熵稳定机制（ΔSmix > 1.5 R），我们将五种金属阳离子均匀分布在硫化物晶格中（Chen等人，2025年；Tian等人，2024年），从而形成了具有协同作用的活性位点，这些活性位点既可以实现氧还原反应催化，增强电化学发光信号，又可以表现出类过氧化物酶活性，用于比色检测（Liu等人，2025b年；Dou等人，2025年；Dou和Xiao，2025年）。这种熵稳定机制还提升了催化功能的多样性：混合价态的金属中心（Fe2+/Fe3+、Co2+/Co3+）能够生成羟基自由基，而这些自由基对磺胺嘧啶有较强的亲和力；同时，结晶状的硫化物结构则有助于防止在牛奶和鸡蛋基质中发生电极污染（Pittet等人，2019年）。在本研究中，电化学发光检测可以实现实验室级别的超低浓度检测，检出限约为皮摩尔级，而比色检测则无需电源，可在现场快速进行筛查，检出限约为纳摩尔级。值得注意的是，在0.05-5微摩尔的重叠线性范围内，两种检测方法都可以用于相互校验，从而及时发现可能的基质干扰因素。这种将熵工程原理与多模式检测相结合的方法，使得该平台能够实现低于100皮摩尔的检测精度（19.6皮摩尔），并且在复杂基质中仍能保持良好的检测性能，从而解决了此前阻碍纳米酶在食品安全检测中应用的诸多问题（Liu等人，2025a年；Chi等人，2025年）。部分内容摘录化学品所有化学品和试剂均为分析级，按其原始状态直接使用。硫代乙酰胺（C2H5NS）、异丙醇（C3H8O）、乙醇（C2H6O）、鲁米诺、1重量%的Nafion溶液、氢氧化钠（NaOH）、氰化铁钾（K3[Fe(CN)6]）、磺胺嘧啶均购自天津永达化学试剂有限公司；硝酸铁（Fe(NO3)3·9H2O）、硝酸钴（Co(NO3)2·6H2O）、硝酸铜（Cu(NO3)2·3H2O）、硝酸铬（Cr(NO3)3·9H2O）、硝酸锆（Zr(NO3)4·5H2O）则由其他供应商提供。F3CZ高熵硫化物的合成与表征按照2.3节中详述的合成方案（图1a），对所获得的F3CZ系列材料的结构性质进行了分析。经过多次测试不同硫化时间（8小时、24小时和72小时）后，最终选择48小时的反应时间作为最佳条件，该条件下材料的结晶度最高。配置熵值ΔSmix是依据以下热力学公式计算得出的：‐ΔSmix=‐R∑(xilnxi)，其中R为气体常数，xi为各种元素的原子分数。结论本研究证实，五元高熵硫化物（FeCoCuCrZr）S2（F3CZ-48）的配置熵值接近1.5R，是一种功能多样的催化平台，可用于实现磺胺类药物的电化学发光和比色检测。该材料具有均匀的元素分布以及混合价态的金属中心（Fe2+/Fe3+、Co2+/Co3+），因此具备双重催化功能：一是能够高效地催化氧还原反应，生成羟基自由基，从而显著增强电化学发光信号；二是具有类过氧化物酶活性。CRediT作者贡献说明冯大明：概念设计、验证、初稿撰写、审稿与修改。陈桥：数据整理、定量分析、实验研究、初稿撰写。周新月：数据整理、定量分析、实验研究。周丽雪：实验研究、验证、结果可视化。徐旭：资金筹集、项目管理、总体监督。葛春华：资金筹集、项目管理、资源协调、总体监督。利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。致谢本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号32102086）、辽宁省普通高校科研启动基金（LJ232410140033；LJ212510140013）以及辽宁省科技计划联合项目（国家自然科学基金-面上项目：2025-MSLH-293；2026-MS-117）的支持。作者还要感谢Scientific Compass网站（www.shiyanjia.com）在XRD和XPS测试方面提供的帮助。