利用方形片状 Cu2TBAPy MOF 作为有效预浓缩平台实现四环素的快速灵敏电化学检测

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Rapid and sensitive electrochemical detection of tetracycline using square sheet-like Cu 2TBAPy MOF as an effective pre-concentration platform

　　

•采用 Cu 活性位点和 H4TBAPy 配体用于高效四环素传感。
•通过简单且可扩展的方法成功构建了二维方片状 MOF 结构。
•该传感器在宽线性范围（0.5–300?μM）内实现了四环素检测，且检出限（LOD）低（0.25?μM）。
•该传感器在自来水和河水中测试成功。

引言
作为重要的生物活性剂，抗生素被广泛应用于临床医学、畜牧业和农业生产中，以预防和治疗细菌感染，保障公共健康和工业发展。然而，全球范围内抗生素的广泛滥用导致环境抗生素残留污染和耐药基因的水平传播，严重破坏生态微生物平衡，并引发难治性耐药细菌感染和多重人类健康风险。作为一种典型的广谱抗生素，四环素（TC）由于其广谱抗菌特性和低成本 [1], [2]，在牲畜和水产养殖行业被广泛使用。然而，TC 的滥用加上其在生物体内较低的代谢率，导致大量未代谢的药物和代谢物排放到水生环境中，造成严重的生态污染 [3]。长期暴露于低浓度的 TC 不仅会诱导细菌耐药性并破坏水生环境中的微生物平衡，还会通过食物链的生物富集对人类健康构成致癌、致畸和致变的潜在威胁 [4], [5]。因此，开发快速、灵敏和准确的方法来检测水中 TC 残留已成为环境工程领域的迫切需求。

之前的研究采用了各种标准方法来确定 TC，包括高效液相色谱（HPLC）、液相色谱 - 质谱联用（LC-MS）、毛细管电泳和电化学技术 [6], [7], [8]。其中，电化学检测凭借其快速响应、操作简单、成本低廉和易于小型化的特点，在抗生素残留分析领域展现出巨大的潜力 [9], [10]。电化学传感器的核心在于电极修饰材料的选择，因为其性能直接决定了检测的灵敏度和选择性 [11], [12]。Chen 和 Li 等人 [12] 开发了一种基于双原子纳米酶（Fe/Co-NC）的新型柔性传感材料，用于多路复用表皮传感。通过对双金属活性位点的精确调控，该材料实现了对过氧化氢（H2O2）和多巴胺（DA）的同时和高选择性电化学检测。基于该材料，构建了一个全印刷柔性传感器阵列，它不仅具有优异的机械柔性，还能实时监测人体生理信号，为下一代可穿戴健康监测设备提供了创新的材料解决方案。Han 等人 [13] 通过可控硒化策略在 V2CTx MXene 上构建了 VSe2@V2O3@V2CTx 多相异质结构，有效缓解了 MXene 纳米片的重新堆叠，并显著提升了电催化活性。基于该材料，开发了一种电化学传感器，用于同时检测饮用水和饮料中的对苯二酚和儿茶酚，分别实现了 0.144?μM 和 0.131?μM 的低 LOD。Selvance 和 Manikandan [9] 通过原位生长构建了 ZIF-8/g-C3N4 异质结构，其中多孔 ZIF-8 提供丰富的吸附位点，而导电的 g-C3N4 骨架加速电子转移，在环境水中对 TC 的 LOD 达到 0.22 pM。Du 等人 [14] 将 Ni 引入基于 Fe 的 MIL-88B 中，工程化了一种双金属 MOF 纳米酶（MIL(Fe3Ni)-88B），其增强的过氧化物酶样活性——由 Ni 掺入和 TC 结合协同增强——实现了水样中 TC 的均相电化学/比色双模式检测，代表了一种有前景的无需电极修饰的传感策略。He 等人 [15] 开发了一种基于双金属 AuCu 纳米粒子修饰的 Zr-MOF（AuCu@Zr-MOF）的复合纳米材料。通过协同效应，该材料实现了对诺氟沙星、环丙沙星和氧氟沙星的有效吸附和超灵敏电化学检测。通过整合多壁碳纳米管（MWCNTs）和机器学习算法，传感器不仅将 LOD 降低到 0.113?nM，还能准确区分结构相似的氟喹诺酮类抗生素，证明了基于 MOF 的多功能复合材料在复杂样本分析中的巨大潜力。Xu 等人 [16] 开发了一种原位集成的 Ce-MOF-808@CeO2 纳米复合材料，其中 CeO2 的协同催化效应显著增强了 Ce-MOF-808 的纳米酶活性。随后基于该材料构建了一种无标记电化学适配体传感器，利用 Ce3+ 与磷酸基团之间的强配位来固定适配体。该传感器实现了对虾中 TC 的高灵敏度和特异性检测，LOD 低至 0.21 pM。

在这些材料中，金属有机框架（MOFs）是一类由金属节点和有机配体自组装形成的多孔晶体，在吸附和催化领域受到了广泛关注 [17]。这归功于其超高比表面积、可调的孔结构和丰富的活性位点。金属节点和有机配体的多样性使得 MOF 在 TC 检测中展现出丰富的结构 - 活性关系 [18]。通过改变金属节点和有机配体，可以显著增强 MOF 对 TC 的特异性识别和富集能力 [19]。这种相互作用通常涉及多种机制的协同效应，包括π-π堆积（TC 的芳香环与 MOF 配体的共轭系统之间）、氢键（TC 中的-OH 和-NH2 等功能基团与 MOF 的金属节点或配体之间）以及静电相互作用 [20]。合理设计 MOF 中的金属节点和有机配体可以显著增强这些相互作用，从而提高传感器的灵敏度和选择性。

其中，金属节点的选择是传感器性能的核心决定因素。不同类型的金属节点赋予 MOF 不同的功能特性：高氧化态金属节点（如 Zr4+, Ce4+, Fe3+），其特征是极高的配位键能 [21], [22], [23]。它们赋予材料优异的热稳定性和耐酸性，确保在复杂环境中的结构完整性。过渡金属节点（如 Cu2+, Co2+, Ni2+），由于其部分填充的 d 轨道和开放金属位点，表现出出色的氧化还原活性和路易斯酸性 [24], [25], [26]。它们经常作为“电化学活性中心”或“特异性吸附位点”，通过强配位相互作用实现对目标分子的高效富集和催化。同时，稀土金属节点（如 Eu3+, Tb3+）利用其独特的“天线效应”和长寿命发光形成高灵敏度“光学探针”，通过 FRET 或电子转移机制将分子识别转化为可视化光信号 [27], [28]。

有机配体既决定了 MOF 的骨架，也决定了 TC 的直接相互作用位点。研究涵盖了从简单的羧酸盐（如对苯二甲酸和三苯甲酸）到复杂的 N-杂环（如咪唑）[29], [30]。对苯二甲酸和二苯二甲酸被广泛用于构建稳定骨架，通过官能团长度和位置调节孔环境。富含氮的咪唑衍生物与 Cu(I) 离子形成热和化学稳定性极高的 MOF。此外，酞菁和卟啉配体具有高度共轭的金属 -N4 基序，促进高效的电子转移 [31], [32]。

本研究开发了一种电化学传感器，用于对 TC 进行灵敏和快速检测，该方法是通过在玻碳电极上修饰 Cu2TBAPy MOF 来实现的（方案 1），该 MOF 是利用铜节点和 H4TBAPy 配体构建的。MOF 的铜桨轮结构提供了作为路易斯酸的开放金属位点，与 TC 的羰基氧或酚羟基强烈配位 [33]。此外，Cu(II)/Cu(I) 氧化还原电对促进电极界面的电子转移，增强电化学传感器的响应速度。H4TBAPy 配体具有大的平面芘核，促进了与 TC 的π–π堆积相互作用，这种作用比典型的基于苯的配体强得多 [34]。铜节点和 H4TBAPy 的协同效应——结合路易斯酸碱配位、强π–π堆积、氢键和静电相互作用——实现了对水中痕量 TC 的高效富集，为高灵敏度检测铺平了道路。此外，之前的研究表明 Cu2TBAPy MOF 表现出优异的酸性和碱性稳定性（pH 0–13）[35]。这防止了由配体水解或金属浸出引起的结构降解，确保在连续操作期间具有优异的再现性和长期耐久性。通过对实验条件的系统优化，在复杂水样中评估了传感器的检出限（LOD）、线性范围和抗干扰能力。它成功应用于测定实际样品中的 TC 浓度，为环境监测提供了一种新颖高效的分析工具。

章节片段
材料
硝酸铜 (Cu(NO3)2·3H2O, >99%)，N, N-二甲基甲酰胺 (DMF, >99.5%)。4,4′,4″,4″‘-(1,9-二氢芘 -1,3,6,8-四基)四苯甲酸 (H4TBAPy, >97%)，无水乙醇 (EtOH, >99.7%)，磷酸氢二钠 (Na2HPO4, ≥99%)，磷酸二氢钠 (NaH2PO4, ≥99%)，氯化钾 (KCl, ≥99%)，亚铁氰化钾 (K4[Fe(CN)6], ≥99%)，铁氰化钾 (K3[Fe(CN)6], ≥99%)，呋喃唑酮 (FZD, >98%)，呋喃妥因 (NFT, >98%)，甲硝唑 (MTZ, >99%)，四环素 (TC，

形貌表征
使用扫描电子显微镜对材料的微观结构和形貌进行表征。如图 1a 和 b 所示，Cu2TBAPy 呈现出规则的方形纳米片结构，表面光滑平坦。即使反应物浓度从 1×变化到 15×，材料尺寸仅表现出可忽略的变化，横向尺寸始终保持在 6–9?μM 范围内（图 S1）。从边缘的缺陷可以看出，这表明材料是

结论
总之，这项工作开发了一种基于 Cu2TBAPy MOF 的电化学传感器，用于在水中高效检测 TC。Cu2TBAPy 纳米片通过水浴回流法合成，并经 SEM、XRD 和 XPS 表征，确认了其成功制备和结构完整性。该传感器利用 Cu2TBAPy 的开放金属位点和芘来增强 TC 的预浓缩，从而导致电化学信号显著放大。优化后的

CRediT 作者贡献声明
张天一：写作 – 初稿，方法论，调查，形式分析，概念化。潘友恒：验证，调查，形式分析。金燕云：写作 – 审阅与编辑，监督。胡建东：资源，项目管理。王凌：写作 – 审阅与编辑，监督。李兰兰：写作 – 审阅与编辑，资源，项目管理，资金获取。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本论文报告的工作。

致谢
作者衷心感谢“十四五”国家重点研发计划项目（2021YFD1700904-04）和河南农业大学顶尖人才计划的资助。

张天一 | 潘友恒 | 金燕云 | 胡建东 | 王凌 | 李兰兰