電化學傳感器在抗生素檢測中的應用

朱 鳴

(揚州大學 環境科學與工程學院 江蘇省環境材料與環境工程重點實驗室，江蘇 揚州 225127)

隨著抗生素在全球的普遍使用，環境中普遍存在人為產生的各種抗生素，且含量有持續增高之趨勢。這些藥物很少被完全代謝，并被身體排出體外。即使濃度非常低，這些藥物也會對人類造成巨大危險，而且還會影響當地的生態環境。在中國，從受納排水的局部水體中，每升水中的抗生素含量可能達到數百、數萬納克甚至更高，在水源地含量一般在1～50 ng/L的范圍內。這個問題說明了對一項可靠檢測技術的重大需求，該技術可以在將水分配給環境和個人消費之前持續快速地檢測這些有害難降解的有機物[1-2]。

用于分析水中污染物的最廣泛使用的方法存在許多缺點。比如用固相萃取技術分離藥物，然后用液相色譜或氣相色譜結合質譜鑒定和定量。這種技術非常靈敏(定量限為0.1×10-12)并且準確，但是該技術需要體積龐大的昂貴設備、培訓過的人員以及漫長的實驗和準備時間。為了緩解該問題，需要一種傳感器，它相對于現有方法的檢測可靠性高，并且成本顯著降低，易用性高，便攜性好以及更快速的分析方法[3]。電化學傳感器越來越多地應用于工業，醫學和農業領域，因為它們的穩定性好且敏感，經濟效益高以及快速的分子檢測形式。這種轉換機制允許通過測量系統內電荷轉移的變化來檢測氣體、生物分子、殺蟲劑和其他化學品[4]。

1 納米電化學傳感器

納米材料是一種尺寸通常在1～100 nm之間的材料，包括機械阻抗、良好的導電和導熱性，良好的生物相容性等一系列特性，并且它們的表面可以通過化學程序輕松修改。

1.1 碳納米材料電化學傳感器

碳納米材料比表面積大、導電率高、電催化性能好，已被廣泛應用于電化學傳感器材料的基底構建。其中，石墨烯、碳黑(CB)、碳納米管和納米金剛石(ND)等碳納米材料在不同的應用領域已經成功地進行了探索。

Simioni[5]等人通過探索修飾納米金剛石于玻碳電極(GCE)用來測定抗結核藥物吡嗪酰胺，研究了裸GCE和ND修飾GCE的形態和電化學特性，觀察到ND-GCE上電活性表面積和電子轉移能力的顯著增強。在最佳實驗條件下，用SWV構建的PZA曲線的線性范圍為7.9×10-7～4.9×10-5mol/L，檢測限為2.2×10-7mol/L。提出的伏安法成功應用于生物樣品中PZA的測定，且回收率優異。Manel[6]等制備了硼摻雜金剛石電極檢測左氧氟沙星，并使用循環伏安法和方波伏安法進行電化學研究，該傳感器的LOD和LOQ分別是2.88和9.60 μmol/L，且制備簡單、分析時間短。

Zhang[7]等通過在室溫下誘導氧化石墨烯(RGO)經鋅箔自組裝制備三維簡化的氧化石墨烯(3DRGO)，并用于氯霉素(CAP)的檢測。在pH值為7.4時，電活性表面積大大增加，電轉移電阻降低，對CAP檢測靈敏度提高。此外，該傳感器具有良好的抗干擾能力，重現性，穩定性和較寬的線性檢測范圍，檢測限低，樣品分析結果令人滿意。3DRGO傳感器制備簡單，快速而且對CAP檢測有效，有助于開發先進的基于石墨烯的界面電極材料進行電化學傳感檢測。

Patricia[8]等提出了一種同時測定重要抗生素(阿莫西林- AMX)和抗炎藥(尼美舒利-NIM)的電分析方法，可以廣泛使用。在這種方法中，使用固定在磷酸二(十六烷基酯)(DHP)膜中的炭黑(CB)修飾的玻璃碳(GC)底物用作電化學傳感器(CB-DHP/GC)。使用方波伏安法和0.2 mol/L磷酸鹽緩沖液(pH值7.0)作為支持電解質，用新型CB-DHP/GC傳感器獲得了AMX和NIM氧化峰電位之間的180 mV，AMX和NIM的檢測限分別為0.12 μmol/L和0.016 μmol/L。這種新的電分析方法已成功用于同時測定生物尿液和環境樣品中的AMX和NIM。

1.2 金屬納米顆粒電化學傳感器

金屬納米顆粒的比表面積大，提高其活性催化能力，并增強待測分子與電極之間的電子轉移能力；同時，金屬納米顆粒能為生物活性分子提供適宜的環境，從而有效放大電化學傳感器的分析脈沖信號。

Gan[9]等通過對鐵/鋅陽離子交換蒙脫土(Fe/Zn-MMT)催化劑進行改性，開發了一種簡單新穎的電化學傳感器，用于測定四環素(TC)，一種可誘導食物鏈中殘留的抗生素。電化學實驗結果表明，該傳感器在十二烷基硫酸鈉存在下對TC的氧化具有良好的電催化活性。該傳感器通過使用微分差分脈沖伏安法顯示0.30～52.0 μmol/L的寬線性范圍和0.10 μmol/L的低檢測限。此外，電化學傳感器可應用于飼料和肉類樣品中TC的檢測。

謝少文[10]等研究了納米多孔級Pd-HSiO1.5/Ni-Co復合電極應用于土霉素及強力霉素的檢測，使用電沉積的方法將Pd-HSiO1.5修飾于電極表面，并得出最佳實驗溫度為25℃，催化反應受擴散控制。其中，土霉素的檢測線性范圍是4.0×10-4～4.9×10-8mol/L，檢測限為1.0×10-8mol/L；強力霉素的檢測線性范圍是4.0×10-4～5.0×10-8mol/L，檢測限為5.0×10-8mol/L；四環素的檢測線性范圍是4.0×10-4～5.0×10-8mol/L，檢測限為5.0×10-8mol/L。該傳感器重現性較好，精確度高，對氨芐青霉素鈉和利福平等抗生素的抗干擾性強。

1.3 金屬納米氧化物電化學傳感器

納米金屬氧化物通常具有化學惰性、熱穩定性好、毒性低等優點，利用其大的比表面積與良好的生物相容性，可以作為優異的電極基底材料。常見的金屬氧化物納米材料有 Fe3O4、ZnO、TiO2等Petr Jakubec[11]等開發了一種用于檢測抗生素氯霉素(CAP)的新型簡單電化學傳感器。該傳感器的擴增策略是基于用羧甲基纖維素(CMC)穩定的磁性納米結構和金納米顆粒(Au NPs)修飾的磁性納米結構的應用。在這種情況下，CMC起到穩定劑的作用，防止Fe3O4納米粒子的聚集，從而使電子傳輸的動力學障礙得以克服，并且Au納米粒子作為電子傳導隧道用于更好的電子傳輸。電化學測量證實了CMC和Au NPs的協同作用，兩者都顯著提高了Fe3O4-CMC @ Au納米復合材料的電導率，從而為CAP電化學傳感提供了更高的靈敏度，重復性和選擇性，線性范圍(2.5～25 μmol/L)，檢測限(0.066 μmol/L)。此外，這里描述的傳感器具有許多有吸引力的特征，例如簡單性，快速性，低成本，并且不需要特定標簽。Sara[12]等開發了一種簡單靈敏的傳感器用于環丙沙星(CF)的電化學測定。 所提出的傳感器是通過摻入碳糊電極(CPE)中的殼聚糖涂覆的Fe3O4磁性納米粒子設計的，其為CF的電化學測定提供顯著改進的靈敏度。在最佳條件下，該傳感器提供了兩個線性差分脈沖伏安響應范圍為0.05～6 μmol/L，CF為6～75 μmol/L，檢測限為0.01 μmol/L。該傳感器表現出高靈敏度和良好的選擇性，并成功地應用于血清和尿液樣品中的CF測定。

2 電化學免疫傳感器

電化學免疫傳感器是一種將免疫反應和傳感技術相結合的一種新型電化學生物傳感器，通過固定化抗原(抗體)，與分析物發生特異性反應，從而發生電信號的改變。該傳感器可以實現在體檢測、不受樣品性質的干擾、設備相對簡單，性能優異。

鄭舒[13]等將高溫煅燒過的Nb2O5及GCE作為工作電極，修飾殼聚糖和特異性抗體，分別構建Ab-MNPs-CS/GCE及Ab-MNPs-CS/Nb2O5兩種免疫傳感器，利用循環伏安法和電化學阻抗譜對四環素進行檢測，在0.04～1 ng/mL的線性范圍內線性關系較好，最低檢測限達到0.0224 ng/mL。該傳感器抗干擾能力強，選擇性好，回收率高，能保存長達一個月，穩定性很好。

闕小華[14]等在氧化石墨烯基底上原位生成Pt-石墨烯復合物，構建競爭性免疫傳感器，利用LSV檢測抗生素。在優化條件下，該傳感器電信號對四環素濃度呈反比，線性范圍0.05～100 ng/mL，檢測限為6.0 pg/mL；對氯霉素的響應線性范圍是0.1～100 ng/mL，檢測限為0.03 ng/mL。

3 電化學適配體傳感器

電化學適配體傳感器是利用導電性能良好的基底材料修飾相應抗生素的核酸適配體的一種傳感器，該類傳感器特異性較好、線性范圍大、檢出限較低，已成為抗生素檢測領域的熱門。

馮榮榮[15]等構建了兩種核酸適配體電化學傳感器，先將石墨烯和金納米顆粒通過電沉積修飾到玻碳電極表面，以作為適配體的載體。所制備的適配體傳感器可以對卡那霉素和鏈霉素進行定量測定，利用循環伏安法、電化學阻抗譜、微分脈沖伏安法，卡那霉素和鏈霉素的檢測限分別為0.03 pmol/L和0.3 pmol/L。該傳感器重現性良好、靈敏度高、選擇性好、較為穩定。

劉順[16]等構建了石墨烯-銀納米粒子復合物修飾電極(rGO/Ag NPs)，在其表面組裝氯霉素(CAP)核酸適配體，即可得到電化學適配體傳感器。該傳感器在對溶液中的CAP識別分析后，CAP在材料的催化作用下產生電化學信號。基于靶向識別作用和電信號檢測機制，該傳感器成功用于牛奶中氯霉素殘留的選擇性檢測。

4 分子印跡電化學傳感器

MIP通常通過將聚合物通過特定分子壓印在基底上來獲得。該特定分子是分析物，稱為模板。模板分子產生特異性的空腔以便在散裝溶液中進行檢測。去除模板留下結構中的空腔，其大小，形狀和相互作用模式與模板分子互補。然后聚合物可以以非常高的親和力和特異性重新結合模板分子。以低成本的人造受體以及良好的機械、熱和化學性質使得這些合成材料可以選擇性地靶向來自化學物質混合物的分子。

Yang[17]等通過一種簡便的方法用于制備MWCNTs @ MIP用于CAP的電化學測定。 C16VimCl不僅起到了新型功能單體的作用，而且促進了MWCNT在MWCNT表面上的分散。同時應用三維P-r-GO和CKM-3修飾GCE增強應答信號。所得到的傳感器表現出對CAP的敏感和選擇性反應，并被應用于實際樣品中CAP的檢測。這項工作為MWCNTs @ MIP傳感器的制備提供了一個有用的平臺。

Bagheri[18]等成功地制造了Fe3O4-MWCNTs-MIP / CPE作為高選擇性和靈敏的電化學傳感器。由于Fe3O4-MWCNTs的協同作用(例如良好的電化學性質和大的表面積)和MIP(例如作為識別元件的高親和力)，發現Fe3O4-MWCNTs-MIP修飾的CPE具有線性響應對于CF的范圍為0.005～0.850 mmol/L，具有0.0017 mmol/L的低檢測限，這意味著合成的納米復合材料是用于電化學測定CF的優異的傳感材料。此外，CF的定量檢測可以使用電化學傳感器以比臨床實踐中的大多數可用的CF測定方法更容易的方式進行，且可用于制藥工業中的質量控制。

5 電化學阻抗傳感器

Michael[19]等表明納米多孔膜與EIS結合，是一種有效的識別水中紅霉素濃度范圍的策略。由傳感器上紅霉素結合產生的測量阻抗變化表明樣品濃度與產生的電信號之間存在非線性關系。與目前的分析方法相比，該傳感器具有相似的靈敏度，但顯著降低了色譜和質譜技術相關的時間，成本和復雜性。這里介紹的傳感器有可能發展成一個多元化裝置，用于水樣的高靈敏度和選擇性檢測。