基于氧化钨纳米复合材料修饰ITO电极在环境和生物基质中超灵敏安培检测环丙沙星

《Electrochemical Science Advances》：Ultra-Sensitive Amperometric Detection of Ciprofloxacin in Environmental and Biological Matrices Using an ITO Modified With Tungsten Trioxide-Based Nanocomposite

　　

尽管环丙沙星（Ciprofloxacin, CIP）的电化学传感已取得显著进展，但在复杂环境和生物基质中，仍迫切需要能够实现快速电荷转移和痕量水平准确检测的高灵敏度、高可靠性平台。本研究通过简便的水热法合成了三氧化钨（Tungsten Trioxide, WO₃）/碳化钛（Titanium Carbide, TiC）/石墨相氮化碳（Graphitic Carbon Nitride, g-C₃N₄）三元纳米复合材料，并利用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、紫外-可见光谱（UV–vis）、光致发光光谱（PL）和扫描电子显微镜（SEM）对其结构进行了表征。紫外-可见光谱分析表明，与单一组分相比，该纳米复合材料的带隙减小，表明其电子结构得到改善，光吸收增强。此外，光致发光研究表明，其发射强度显著降低，表明电荷分离有效，电子-空穴复合受到抑制。电化学研究表明，与单一组分相比，该复合材料对CIP的响应显著增强。循环伏安法（Cyclic Voltammetry, CV）显示出更高的氧化电流，而电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）则证实了电荷转移电阻的降低，证明了三元体系内存在强烈的协同相互作用。这种性能的增强归因于TiC、WO₃和g-C₃N₄的互补功能：TiC提高了导电性，WO₃提供了大量的电活性位点，而g-C₃N₄则促进了电荷转移和待测物吸附。所开发的传感器在10至200 μM的CIP浓度范围内表现出宽的线性范围，具有0.02 μM的超低检测限（Limit of Detection, LOD）和7.97 μA μM^?1 cm^?2的卓越灵敏度。此外，该传感器在实际样品（包括河水、自来水和唾液）中表现出优异的选择性和令人满意的回收率，证明了其在环境监测方面的实际应用潜力。

**研究背景与现状**
环丙沙星（Ciprofloxacin, CIP）作为一种第二代氟喹诺酮类抗生素，因其广谱抗菌作用而在人类和兽医领域广泛应用。然而，其广泛使用已造成显著的环境危害，特别是在水生系统中，因为超过70%的注射剂量会以未代谢形式排出，并通过医院和生活废水进入废水系统。其持久性会影响生态平衡、导致抗生素耐药性并带来潜在的人类健康风险。为了评估这些环境风险，通常使用预测无效应浓度（Predicted No-Effect Concentration, PNEC）等定量阈值。此外，包括唾液在内的生物体液中也被发现含有CIP残留，这表明了潜在的人类暴露途径。长期暴露与内分泌干扰、免疫毒性、超敏反应和遗传毒性有关。这些问题凸显了开发灵敏、可靠的分析技术以检测环境和生物样品中CIP的必要性。目前，CIP的检测常使用液相色谱-质谱联用（Liquid Chromatography coupled with Mass Spectrometry, LC-MS）、紫外-可见分光光度法、荧光光谱法和电致化学发光等多种分析技术。然而，尽管这些传统方法具有很高的灵敏度和可靠性，但它们受到操作成本高、过程繁琐以及设备不便携等限制。此外，温度、pH值和样品基质效应等外部条件可能会影响其性能，从而限制其实际现场应用。相比之下，电化学检测因其高灵敏度、低试剂消耗、成本效益高和仪器通用性强而成为一种特别有前景的方法。近年来，基于纳米结构材料的电化学传感器因其通过增强电子转移动力学和增加活性表面积来提高分析性能的能力而备受关注。尽管已有多种材料（如金属氧化物、金属纳米粒子、导电碳化物、碳纳米结构和杂化异质结）被成功用于检测CIP及其他生理和环境相关分析物，但大多数报道的系统基于单一材料或二元组合，这仅部分优化了关键传感参数，如导电性、催化活性和吸附能力。这些系统无法在单一平台上同时实现强吸附、高电催化活性和有效的电荷传输。此外，CIP的弱电氧化响应及其与结构相似分子的干扰也给检测带来了挑战。多组分纳米复合材料的构建被认为是克服这些限制、实现传感能力协同增强的一种有前途的途径。

**研究动机与创新点**
本研究旨在开发一种基于三氧化钨（WO₃）、碳化钛（TiC）和石墨相氮化碳（g-C₃N₄）三元纳米复合材料的新型电化学传感器，用于超灵敏、高选择性检测CIP。WO₃因其显著的氧化还原活性、稳定性和半导体特性而成为有前景的电化学传感材料。TiC具有类似贵金属的催化特性，且成本更低，具有良好的导电性和稳定性。g-C₃N₄具有大量富氮表面活性位点和对有机分子的强吸附能力，但其相对较低的电荷转移效率限制了传感应用中的电子迁移速度。通过整合这三种组分，研究人员期望构建一个多功能界面，同时优化导电性、催化活性和吸附特性，超越简单的材料组合，实现协同增强的传感性能。据研究人员所知，这是首次报道利用WO₃/TiC/g-C₃N₄三元结构检测CIP。这项研究发表在《Electrochemical Science Advances》期刊上。

**关键技术方法**
研究人员采用水热法合成了WO₃/TiC/g-C₃N₄三元纳米复合材料。首先，通过热缩聚和热剥离法制备了g-C₃N₄纳米片。然后，以Na₂WO₄·2H₂O为前驱体，在CTAB（十六烷基三甲基溴化铵）存在下，通过水热法合成WO₃纳米立方体。最后，将商业TiC粉末和制备的g-C₃N₄纳米片加入WO₃前驱体溶液中，通过相同的水热过程得到三元纳米复合材料。将该复合材料修饰在氧化铟锡（Indium Tin Oxide, ITO）电极上作为工作电极。电化学测量在标准三电极体系中进行，使用饱和Ag/AgCl参比电极和铂丝对电极，电解液为0.1 M磷酸盐缓冲溶液（Phosphate-Buffered Saline, PBS）。主要表征技术包括XRD、XPS、FTIR、UV–vis、PL和SEM，以确认材料的结构、组成、形貌和光学性质。电化学性能通过CV、EIS和安培法进行评估。实际样品测试包括从环境中采集的河水、自来水以及从健康志愿者（遵循《赫尔辛基宣言》伦理指南并获取知情同意）采集的唾液样本，样品经过过滤和稀释处理。

**研究结果**
* **3.1 结构表征**：XRD分析证实了WO₃（单斜相）、TiC（立方相）和g-C₃N₄（六方相）的成功合成。在三元复合材料的XRD图谱中，由于g-C₃N₄和TiC的含量较低，未观察到其明显的衍射峰，但WO₃的峰位向高角度发生了微小偏移，表明组分间可能存在范德华相互作用。
* **3.2 傅里叶变换红外光谱**：FTIR光谱显示了三元复合材料中各组分的特征峰，包括g-C₃N₄的C─N和triazine单元呼吸模式，TiC的Ti─C伸缩振动，以及WO₃的W─O─W和W═O振动，证实了三组分成功复合。
* **3.3 XPS分析**：XPS全谱证实了Ti、C、N、O和W元素的存在。高分辨谱分析表明W处于W⁶⁺氧化态（WO₃），Ti以Ti─C键（TiC）形式存在，N 1s谱证实了g-C₃N₄中heptazine骨架的保留。与原始组分相比，结合能存在微小差异，表明界面存在电子相互作用，促进了电荷转移。
* **3.4 光学性能分析**：UV–vis光谱和Tauc图计算表明，三元纳米复合材料（2.68 eV）的带隙小于纯WO₃（2.81 eV）和g-C₃N₄（2.75 eV），而TiC表现出接近零带隙的金属特性。带隙的减小表明组分间存在协同相互作用，有利于电荷转移。能带位置计算表明，g-C₃N₄和WO₃之间形成了有利于电荷分离的Type-II异质结。
* **3.5 光致发光光谱**：PL光谱显示，三元纳米复合材料的发射强度远低于其单一组分，表明其光生电子-空穴对分离效率最高，电荷复合被有效抑制。这归因于三元异质结内形成了有效的界面电荷转移路径，以及TiC作为电子介体的作用。
* **3.6 SEM分析**：SEM图像显示TiC呈纳米片状，WO₃呈纳米立方体状，g-C₃N₄呈二维纳米片状。三元复合材料呈现出纳米立方体、纳米片和纳米片的混合形貌，证实了三者的成功杂化。能量色散X射线光谱（Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy, EDX）进一步验证了各样品中相应元素的存在。
* **3.7 水接触角**：接触角测量表明，g-C₃N₄具有最强的亲水性（30.6°），而WO₃疏水性最强（80.7°），TiC的润湿性与ITO相近（约74°）。g-C₃N₄的亲水性有利于其与电解质的相互作用，促进CIP吸附和离子传输。
* **3.8 使用WO₃/TiC/g-C₃N₄/ITO电化学测定CIP**：CV测试表明，在75 μM CIP存在下，WO₃/TiC/g-C₃N₄/ITO电极在1.12 V处表现出最高的氧化峰电流（149 μA），远优于单一或二元组分修饰的电极，证明了显著的协同效应。EIS分析显示，该三元复合材料的电荷转移电阻（R_ct）最低（约45 Ω），表明其具有最佳的界面电荷转移效率。
* **3.8.1 pH的影响**：研究表明，在pH 7的中性条件下，CIP的氧化电流最高，峰电位最负，因此选择pH 7作为最佳检测条件。峰电位与pH呈线性关系，斜率为55 mV/pH，接近理论能斯特值，表明CIP的电化学氧化过程涉及等量的质子和电子转移。
* **3.8.2 扫描速率的影响**：氧化峰电流与扫描速率的平方根呈线性关系，表明CIP的氧化受扩散过程控制。同时，log(I_p)与log(ν)的关系表明该过程受扩散-吸附混合机制控制。Tafel图和Laviron理论分析得出电荷转移系数α为0.47，并推断反应涉及约2个电子和2个质子的转移。
* **3.8.3 CIP浓度的影响**：在0至200 μM浓度范围内，氧化峰电流随CIP浓度增加而线性增加，线性方程为I_pa = 1.91x + 4.85 (R² = 0.99)。
* **3.9 WO₃/TiC/g-C₃N₄/ITO修饰电极的安培响应**：在1.12 V恒定电位下，该传感器对CIP表现出快速的安培响应，电流随CIP浓度增加而阶跃式上升。校准曲线在0.02至100 μM范围内呈线性（y = 7.97x + 1.24, R² = 0.99），灵敏度高达7.97 μA μM^?1 cm^?2，检测限低至0.02 μM。
* **3.9.1 干扰研究**：传感器对左氧氟沙星（Levofloxacin, LEVO）、恩诺沙星（Enrofloxacin, ENRO）和洛美沙星（Lomefloxacin, LOME）等结构类似抗生素的响应可忽略不计，表现出高选择性。对抗坏血酸（Ascorbic Acid, AA）、尿酸（Uric Acid, UA）、多巴胺（Dopamine, DA）、葡萄糖以及常见无机离子（Ca²⁺, Cl^?, Mg²⁺）的干扰测试也证实了其优异的抗干扰能力。与文献报道的其他CIP电化学传感器相比，本研究开发的传感器具有更低的检测限。
* **3.9.2 重复性、重现性和长期稳定性研究**：传感器表现出良好的重复性（相对标准偏差（Relative Standard Deviation, RSD）= 3.4%）、重现性（五个独立电极的RSD = 3.2%）和长期稳定性（储存30天后保留95%的初始响应）。
* **3.9.3 使用WO₃/TiC/g-C₃N₄/ITO传感器测定实际水样中的CIP**：在加标河水（10 μM）和自来水（10 μM）样品中，传感器的回收率分别为102.1%和106.2%，表明其在复杂环境基质中检测CIP的可靠性和准确性。
* **3.9.4 使用WO₃/TiC/g-C₃N₄/ITO传感器测定唾液中的CIP**：在加标唾液样品（10、20、30 μM）中，传感器的回收率分别为101.2%、96.7%和103.8%，证实了其在复杂生物流体中检测CIP的适用性和鲁棒性。

**讨论与结论**
**讨论部分总结**：研究人员系统讨论了WO₃/TiC/g-C₃N₄三元纳米复合材料协同增强传感性能的机制。材料表征（XRD, FTIR, XPS, SEM）证实了三组分的成功复合与结构完整性。光学和电化学分析揭示了其性能提升的根源：TiC的金属特性提供了高导电性并作为电子桥；WO₃提供了丰富的电活性位点；g-C₃N₄的强吸附能力和亲水性促进了CIP的富集；三者之间形成的Type-II异质结和有效的界面电荷转移通道显著抑制了电荷复合，加速了电子传输。这种协同作用使得修饰电极具有更低的电荷转移电阻、更高的氧化电流和更快的响应。干扰研究和实际样品测试结果进一步证明了该传感器在复杂基质中选择性、准确性和稳定性的优势。与现有传感器相比，其超低的检测限和高的灵敏度凸显了该三元复合材料设计的优越性。

**研究结论翻译**：本研究成功开发了一种基于WO₃/TiC/g-C₃N₄纳米复合材料修饰ITO电极的灵敏、选择性电化学传感器，用于检测CIP。WO₃、TiC和g-C₃N₄的组合提高了传感器的电化学性能，实现了低检测限（0.02 μM）、高灵敏度（7.97 μA μM^?1 cm^?2）和良好的选择性。全面的表征验证了该复合材料的结构和功能优势。该传感器在实际样品（如环境水和生物流体）中的性能，结合其强大的抗干扰特性，突出了其实际应用潜力。基于WO₃/TiC/g-C₃N₄的传感器是一种有前途的工具，可用于环境监测和生物医学诊断，能够以高可靠性和精确度检测抗生素污染。