《Talanta》：Regulatory-compliant detection of tetracycline food contaminants: A polyindole-based chemosensoric approach for food safety monitoring and toxicological risk mitigation
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开发了基于polyindole（PIN）的荧光传感器用于高选择性四环素（TC）检测，检测限达2.3nM，在复杂基质中表现优异，并验证了其生物相容性和实际应用价值。
苏巴什·雅各布（Subash Jacob）| 米尔·萨哈努尔·阿里（Mir Sahanur Ali）| 布胡曼·甘戈帕德亚伊（Bhuman Gangopadhyay）| 索尔娜·拉克希米·安布（Sorna Lakshmi Anbu）| 阿玛雅·希瓦（Amaya Siva）| 卡尔蒂克·维卢（Karthick Velu）| 索维克·帕尔（Souvik Pal）| 莎米玛·侯赛因（Shamima Hussain）| 萨西库马尔·耶苏达斯（Sasikumar Yesudass）| 苏布亨吉特·哈兹拉（Subhenjit Hazra）| 阿姆里塔·帕尔（Amrita Pal）| 迪潘卡尔·查托帕德亚伊（Dipankar Chattopadhyay）
印度泰米尔纳德邦金奈萨蒂亚巴玛科学技术学院（Sathyabama Institute of Science and Technology）纳米科学与纳米技术中心，邮编600119
摘要
四环素（TC）在水生环境和食物链中的广泛污染对人类健康和生态系统可持续性构成了重大威胁，因此需要开发快速、灵敏的检测方法。本文报道了一种基于多吲哚（PIN）的荧光传感器，用于高选择性检测TC。PIN在乙醇中的量子产率为0.27，当受到350纳米激发时，会在428纳米处发出特征蓝光。在优化条件下（H?O/EtOH = 1:1，pH 7），PIN通过荧光淬灭效应对TC表现出极高的选择性和灵敏度，能够区分多种干扰抗生素和金属离子。该传感器的检测范围为0.05–7.3微摩尔，检测限低至2.3纳摩尔，与TC的结合常数为1.08 × 10? M?1。时间相关单光子计数分析表明PIN-TC相互作用遵循静态淬灭机制，同时PIN和PIN-TC复合物均表现出优异的光稳定性。密度泛函理论计算结果与实验观察结果高度一致。使用Epinephelus coioides眼肌细胞进行的全面生物学评估显示其无细胞毒性；针对Klebsiella pneumoniae和Staphylococcus aureus的抗菌测试也证明了其抗菌效果。通过Daphnia pulex模型生物验证了该传感器的生物成像能力。在实际应用中，该传感器在包括环境水、生物液体、食品饮料和组织样本在内的十二种不同基质中的回收率在97.0–102.5%之间，经HPLC分析验证。这项工作为复杂实际样品中的TC监测提供了一个多功能、成本效益高的平台。
引言
弗莱明在20世纪20年代发现抗生素，彻底改变了对抗细菌病原体的治疗方法，使这些化合物成为医疗、兽医和农业领域不可或缺的药物[1]。全球每年抗生素消耗量达到1–2 × 10?吨，其中四环素（TCs）自20世纪40年代以来一直是主要的广谱抗菌剂[2,3]。TCs在临床医学、畜牧业、水产养殖和家禽管理中的广泛应用得益于其卓越的抗菌效果、良好的口服生物利用度和成本效益以及安全特性[4,5]。然而，无节制的TC使用引发了严重的公共卫生问题，因为它们具有难以降解的特性，并在环境基质和食品（包括肉类、乳制品和水产品）中积累[6,7]。在发达国家，四环素、多西环素、氧四环素和氯四环素占总TC消耗量的约90%[2]。TCs在牲畜体内的生物吸收效率低（仅20–30%），导致大量通过代谢排泄进入地表水、地下水、土壤生态系统和沉积物[8][9][10]，从而加剧了抗菌耐药性的演变，提高了治疗成本，并带来了严重的生态风险[11]。长期摄入TC残留物会导致多种健康问题，包括肝毒性、肾毒性、胃肠道功能障碍、牙齿变色、过敏反应，以及多重耐药菌株的滋生[12,13]。流行病学数据显示，美国每年约有200万人受到抗生素耐药性感染的困扰，导致超过23,000人死亡[7]。世界卫生组织（WHO）和食品法典委员会（Codex Alimentarius Commission）制定了严格的最大残留限量（MRLs）：中国为100微克/千克，欧盟为0.225微摩尔，美国FDA为0.676微摩尔，但TC污染经常超过这些阈值[14]。因此，开发快速、灵敏且选择性的TC检测方法对于保障食品安全和减少抗菌耐药性带来的公共卫生风险至关重要。
目前用于TC定量的分析方法包括液相色谱-质谱（LC-MS）、高效液相色谱-紫外检测（HPLC-UV）、电化学分析、毛细管电泳（CE）、化学发光测定、酶联免疫吸附测定（ELISA）、离子色谱、表面等离子体共振（SPR）和基质辅助激光解吸/飞行时间质谱（MALDI-TOF-MS）[15][16][17]。尽管这些方法具有极高的精确度和纳克级检测限，但存在成本高昂、需要专用基础设施、样品制备复杂、分析时间较长以及便携性受限等局限性[18]。这些限制阻碍了大规模筛查、实时监测和分散式监控的应用，从而在食品安全体系中留下了关键缺口。
荧光传感技术凭借其固有的操作优势成为解决这些问题的创新平台。基于荧光的传感器具有超低检测限、快速响应、样品制备简单、非破坏性分析以及通过分子识别实现的高选择性等优点，适用于便携式设备进行实时现场检测，扩展了应用范围，包括活细胞生物成像、细胞摄取研究、亚细胞定位、环境监测、即时诊断和多重检测平台[19][20][21][22]。因此，荧光化学传感器代表了向可获取、低成本、高灵敏度解决方案的转变，同时保持了严格的性能标准。
近期荧光传感平台的发展涵盖了多种基于纳米材料的架构，如量子点[23]、碳点[24]、金属有机框架[25]、共价有机框架[26]、分子印迹聚合物[27]、贵金属纳米簇（Au, Ag）[28]、镧系掺杂材料[29,30]、上转换纳米颗粒[31]、肽/DNA适配体[32]、酶介导的生物传感器[33]、荧光染料探针[34]和多功能纳米复合系统[35]。尽管取得了进展，现有方法仍存在局限性：对类似抗生素的选择性不足、灵敏度不满足监管标准、水溶性差、光稳定性和化学稳定性不足、生物相容性问题、环境安全性风险、量子产率低、可扩展性有限以及重复性差。这些缺陷表明了一个关键问题：目前还没有一种传感器同时具备出色的选择性、超灵敏检测、良好的水溶性、环境安全性、低细胞毒性、优异的稳定性、高量子产率、合成便捷性和广泛的基质适用性。
多吲哚（PIN）是一种具有优异光电特性的导电聚合物。与传统共轭聚合物不同，PIN由于吡咯和苯环系统之间的独特电子耦合而表现出优越的光物理性质[36]。这种结构赋予了其可调的发射波长、出色的量子产率和光稳定性[37]。PIN的优势还包括优异的氧化还原可逆性、出色的热稳定性、增强的电荷存储能力以及几乎无细胞毒性。虽然之前的研究主要集中在电致变色器件[38]、超级电容器[39]和电催化应用[40]以及电化学传感器[41]上，但PIN的荧光特性尚未在分子识别应用中得到充分利用。
据我们所知，这是首次全面研究PIN作为TC传感器的应用，建立了一个超越传统电化学策略的开创性框架。PIN富含氮的杂芳香结构使其能够与TC的羟基功能团发生选择性氢键作用，形成稳定的非荧光复合物，并产生高度灵敏的荧光淬灭效应。通过Epinephelus coioides眼肌细胞的细胞毒性评估、对病原菌Klebsiella pneumoniae和Staphylococcus aureus的抗菌测试，以及在Daphnia pulex中的荧光生物成像研究，验证了其生物相关性，证明了PIN作为环境监测、毒理学评估、生物成像和食品安全监测的多功能分析平台的潜力。
材料与仪器
所有化学试剂和溶剂（纯度≥99.9%，ACS试剂级）均从Sigma-Aldrich Corporation和Sisco Research Laboratory（SRL，印度）购买，无需进一步纯化即可使用。所用材料包括吲哚（C?H?N）单体、氯化铁（FeCl?）氧化剂、药物化合物（阿莫西林（AMO）、克林霉素（CLI）、对乙酰氨基酚（PCM）、红霉素（ERY）、环丙沙星（CIP）、甲硝唑（MET）、阿奇霉素（AZI）、阿莫西林-克拉维酸钾（AMC）、卡那霉素（KM）等。
FTIR分析
通过FT-IR光谱（图1（a）阐明了合成PIN的结构完整性。3404厘米?1处的谱带归因于N-H伸缩振动，证实了聚合物主要通过碳原子2和3位点聚合，氮原子未发生变化。1617和1568厘米?1处的特征峰分别对应于苯环结构的C=C伸缩振动，进一步证实了其芳香性。
结论
本研究确立了PIN作为一种变革性的荧光传感平台，在食品安全和环境监测中的TC检测方面填补了关键空白。这种与水兼容的传感器具有前所未有的灵敏度（检测限：2.3纳摩尔），远超WHO、USEPA和FDA的监管要求，同时对复杂基质中的干扰化合物具有出色的选择性。PIN表现出优异的稳定性、强结合亲和力和可重复性。
CRediT作者贡献声明
米尔·萨哈努尔·阿里（Mir Sahanur Ali）：验证、方法学、数据管理。索尔娜·拉克希米·安布（Sorna Lakshmi Anbu）：撰写初稿、方法学、实验研究。阿玛雅·希瓦（Amaya Siva）：实验研究、数据分析。萨西库马尔·耶苏达斯（Sasikumar Yesudass）：数据可视化、数据分析。苏布亨吉特·哈兹拉（Subhenjit Hazra）：撰写、审稿与编辑、项目监督、资金筹集、概念构思。阿姆里塔·帕尔（Amrita Pal）：撰写初稿、软件开发、方法学、数据管理。迪潘卡尔·查托帕德亚伊（Dipankar Chattopadhyay）：撰写、审稿与编辑、项目监督。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
SJ和SH感谢印度政府提供的财政支持（项目编号：CRS/2021-22/04/617）。SP感谢ICAR-国家农业科学基金（NASF/PA-10016/2023-24）的资助。作者还感谢萨蒂亚巴玛科学技术学院化学系提供的DFT计算支持。
