用于牛奶中庆大霉素快速检测的荧光分子印迹传感器

《Food Chemistry》：Fluorescent molecularly imprinted sensor for rapid detection of gentamicin in Milk

荧光分子印迹聚合物与磁性纳米复合材料的协同策略成功用于链霉素在牛奶中的高灵敏度检测，线性范围3-900nM，检测限0.274nM，回收率94.0-103.3%，RSD<2.2%。

　　

郭慧|丁静|李佳欣|赵胜兰|邓一婷|马佩龙|王龙腾

浙江工业大学药学院，中国杭州310014

摘要

庆大霉素是一种在畜牧业中广泛使用的兽用抗生素，由于其在畜产品、土壤和水系统中的持久性，对食品安全构成了重大风险。长期接触庆大霉素残留物与严重的健康影响有关，包括耳毒性、肾毒性和神经肌肉毒性。为了解决这一挑战，我们开发了一种荧光传感策略，合成了一种核壳纳米复合材料Fe?O?@SiO?@N-GQDs@MIPs（称为MIPs探针）。该探针通过将氮掺杂石墨烯量子点（N-GQDs）与磁性Fe?O?纳米粒子结合而成，整个检测平台被称为MIP传感器。该传感器通过静态猝灭机制工作，能够特异性且灵敏地检测庆大霉素，线性范围为3–900 nM，检测限为0.274 nM。该传感器成功应用于牛奶样品中的庆大霉素检测，显示出优异的回收率（94.0–103.3%）和精度（RSD < 2.2%）。这项工作提供了一个稳健、高效且可现场部署的平台，用于监测食品中的抗生素残留物，相比传统的色谱和免疫学方法有显著改进。

引言

庆大霉素（GM）是一种广谱氨基糖苷类抗生素，在家禽养殖中广泛用于疾病治疗和促进生长，因此受到农民的青睐。然而，为了增加体重或加速疾病恢复，一些农民可能会过度使用或滥用抗生素。由于其较长的代谢半衰期，庆大霉素容易在畜产品、水和土壤中积累，随后进入食物链，对人类健康构成风险。庆大霉素残留物可能导致耳毒性、肾毒性和神经肌肉阻断等危害。在奶牛生产中，过度使用抗生素会导致药物在体内积累[Xia等人，2017]。残留的庆大霉素会排入牛奶中，从而进入乳制品供应链，为消费者提供持续的低剂量暴露途径[Bacanl? & Sadrolhosseini，2019]。流行病学研究证实，长期食用受抗生素污染的乳制品不仅会促进抗菌素耐药性的产生，还可能通过生物富集引起慢性毒性效应[Sadrolhosseini等人，2025；Yan等人，2018]。为了降低这些风险，国家食品安全标准规定了牛奶中庆大霉素的最大残留限量（MRL）为200 μg/kg。因此，开发快速、灵敏和选择性的检测方法对于确保食品安全至关重要。

已经有多种方法用于检测庆大霉素。色谱技术，如高效液相色谱（HPLC）[Manyanga等人，2008]和液相色谱-质谱（LC-MS）[Guironnet等人，2021]，具有高分辨率、选择性和灵敏度。然而，它们复杂的样品制备流程可能会影响重复性和准确性。免疫测定法因其高灵敏度和低检测限（LOD）而受到认可，但也可能导致假阳性和结果不一致[Ghosh & Lai，2023；Ghosh等人，2024]。此外，其固有的变异性通常需要使用液相色谱进行确认分析，从而增加了分析的复杂性。色谱和免疫测定方法通常需要昂贵的仪器和训练有素的操作人员。这些限制凸显了需要一种既能保持高灵敏度和选择性又能显著简化操作的检测策略。虽然分光光度法较为简单，但由于缺乏固有的选择性，通常需要衍生化处理才能直接检测庆大霉素。相比之下，基于荧光的传感方法由于其操作简便、成本效益以及具有竞争力的灵敏度和选择性而成为一种有前景的替代方案。纳米材料，特别是量子点（QDs），由于其强烈的荧光强度和优异的光稳定性，在此应用中具有很大优势[Ghosh等人，2025；Unnikrishnan等人，2025；Anand等人，2024]。与传统有机荧光团相比，基于QD的传感器提供更高的亮度、抗光漂白性和分析物依赖的荧光调制，使其特别适合生物分析应用。因此，基于QD的平台最近成为快速灵敏检测抗生素的有吸引力的工具[Sefid-Sefidehkhan等人，2022]，这种对灵敏度的追求也体现在其他光学策略中，如AIE和FRET[Cyniak等人，2025；Wang等人，2017]。

然而，对于任何应用于复杂样品（如牛奶）的光学传感器来说，整合特定的识别元件是至关重要的。赋予特异性这一挑战对于基于QD的传感器来说尤为关键。为了克服这一难题并利用QDs的优势，本研究开发了一种新型的荧光分子印迹传感器，用于选择性检测牛奶中的庆大霉素。创新之处在于一种合理设计的核壳纳米复合材料，它将氮掺杂石墨烯量子点（N-GQDs）作为稳定的荧光核心，与磁性载体和基于庆大霉素的模板表面印迹聚合物结合在一起。这种设计在一个平台上协同结合了高效的磁分离、高荧光灵敏度和特定的目标识别。

在这种设计中，MIPs被精确集成，以解决QDs的一个根本局限性——它们缺乏分子识别能力——通过提供特定的识别位点。MIPs被合成以在模板分子周围形成三维空腔，在大小、形状和官能团上与其互补，从而赋予其高选择性。特别是表面分子印迹技术[Ertürk & Mattiasson，2016]，其中识别位点主要位于聚合物表面，显著提高了模板分子的结合效率和传质速率。

因此，将QDs的荧光特性与MIPs的选择性识别相结合，构建荧光MIP传感器，被认为是实现高灵敏度和选择性检测庆大霉素的有效策略。MIP技术的多功能性已在各个领域得到验证。例如，基于激光刻蚀石墨烯和MIPs的传感器成功用于检测癌症生物标志物Her-2，表现出高灵敏度和选择性[Ait Lahcen等人，2021]。该平台有效结合了金纳米结构和MIPs的优势，同时克服了各自的局限性。此外，一个研究团队开发了一种表面活性剂介导的溶胶-凝胶系统，用于在水环境中合成针对蛋白质的MIPs[Guoning等人，2020]。实施了一种阻断策略以最小化非特异性结合并提高选择性。这些成功应用为将这项技术应用于开发基于荧光MIP的庆大霉素检测传感器提供了宝贵的见解和坚实的基础。受这些工作的启发，本研究将这种协同的QD-MIP策略具体应用于牛奶中庆大霉素的检测，详细内容见所提出的核壳纳米复合材料设计。

材料

所有实验均使用了超纯水。柠檬酸（CA）、尿素、FeCl?、FeSO?•7H?O、四乙基正硅酸盐（TEOS）、甲醇、冰醋酸、(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷（APTES）和无水乙醇均购自上海赛诺菲化学试剂有限公司（中国）。妥布霉素（TOB）、卡那霉素（KAN）、阿米卡星（AMK）、链霉素（STR）、红霉素（ERY）和氯霉素（CHL）的纯度均≥98%，购自Aladdin有限公司。

N-GQDs的合成与表征

TEM图像（图1A）显示N-GQDs为分散的、近似球形的纳米颗粒，具有均匀的尺寸分布。它们不聚集，表明具有良好的水溶性。图1（B）展示了N-GQDs的吸收、激发和发射光谱。N-GQDs的吸收峰是一个宽吸收带，中心位于353 nm，对应于-C=C-团的π-π*跃迁以及-C=O、-NH?和-COOH团的n-π*跃迁。在不同激发下的发射光谱

结论

本研究成功开发了一种基于核壳MIP探针的荧光MIP传感器。该传感器的关键优势在于N-GQDs的荧光、分子印迹的特异性识别以及纳米颗粒的便捷磁分离功能的协同集成，这些共同实现了宽线性范围（3–900 nM）、低检测限（0.274 nM）、高选择性和快速响应（<2分钟）。在牛奶中可靠地检测到庆大霉素证实了

CRediT作者贡献声明

郭慧：项目管理、调查、资金获取、概念化。丁静：写作——审稿与编辑、资源协调、调查、数据管理。李佳欣：写作——初稿撰写、验证、软件使用。赵胜兰：可视化、方法学设计。邓一婷：监督、调查。马佩龙：可视化、验证、软件使用。王龙腾：资源协调、数据分析。

伦理批准

无需伦理批准。

资助

本研究得到了中国“十三五”国家重点研发计划（2016YFD0400803）的支持。

未引用的参考文献

Khaled, Khalil和El Aziz, 2017a

Khaled, Khalil和El Aziz, 2017b

Ma等人，2018

Yifei和Jason, 2017

Zhang, Geng, Ye和Xiang, 2020

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。