3D FeMoO?/Fe?S?纳米片花状复合材料作为高效过氧化物酶类似纳米酶，用于环境水样中恩诺氟沙星的比色检测

基于三维纳米复合材料的过氧化氢模拟酶快速检测技术及环境应用研究。

　　

李彦彦|李亮晨|周正明|熊晓杰|黄丽英|顾晶晶|高晨|刘婷婷|王学东|董国忠

广州体育大学运动与健康学院，中国广州，510500

摘要

背景

新兴污染物如恩诺沙星（ENR）由于具有抗降解性和在环境中积累的倾向，对生态系统和公共卫生构成了严重威胁。尽管现有的抗生素检测技术具有相当的应用价值，但它们存在成本高、操作程序复杂或灵敏度不足的问题。因此，迫切需要开发一种新的检测方法，该方法应简单、快速、低成本且环保，以便有效监测环境水体中的抗生素污染并保护公共卫生。

结果

在这项研究中，受到三维（3D）复合纳米材料优异催化活性的启发，我们合理设计并合成了FeMoO₄/Fe₇S₈纳米片状复合体（3D FeMoO₄/Fe₇S₈ NSFs），作为一种新型的过氧化物酶模拟纳米酶，用于敏感地比色检测ENR。合成的NSFs表现出出色的过氧化物酶样活性，使其可以直接集成到比色传感平台中。关键的是，Mo⁶⁺/Mo⁴⁺与Fe²⁺/Fe³⁺之间的协同氧化还原耦合促进了电子的快速转移，从而有效地激活了过一硫酸盐（PMS），生成了包括羟基自由基（·OH）、硫酸根自由基（·SO₄^?）、单线态氧（¹O₂）和超氧阴离子（·O₂^?）在内的活性氧物种，这些活性氧共同驱动了显色底物的氧化，而无需外部酶或化学引发剂。这种机制支持了一种稳健的单步比色测定方法，克服了传统方法的关键限制，如严格的温度控制、较长的反应时间和狭窄的pH操作窗口，从而实现了快速可靠的ENR定量。优化的传感平台具有宽线性范围（0.500–70.0 μM）、低检测限（LOD）0.150 μM（信噪比=3）以及仅5分钟的总体测定时间。

意义

该系统突破了传统方法在温度、时间和pH条件方面的限制，通过激活PMS成功生成了自由基和非自由基活性物质，从而实现了抗生素的快速高效检测。这一创新为氟喹诺酮类（FQs）抗生素的鉴定提供了非常有前景的新策略，并在环境污染物检测和监测领域展现了广泛的应用前景。

引言

作为第三代喹诺酮类抗生素，ENR具有广谱抗菌作用和显著的治疗效果，因此被广泛用于人类和动物疾病的治疗[1]。然而，ENR的不合理使用和过度使用导致其在食品产品和环境中残留严重。由于其高伪持久性和代谢稳定性，ENR残留对生态环境和公共卫生安全构成了巨大挑战[2]。这些污染物在环境基质中的持续存在和生物累积不仅会破坏生态系统结构，还可能通过食物链的生物放大作用危及人类健康[3]。 作为ENR的主要生产和使用国，中国和印度面临严重的污染问题。在印度，由于制药业的集中和污水处理能力薄弱，恒河等河流中的ENR浓度通常高达50.0-800 ng/L，在制药工业园区附近甚至可达μg/L水平。在中国，地表水中的浓度通常在1.00至500 ng/L之间；然而，在人口密集的水产养殖区或城市污水排放口下游，浓度可达到μg/L水平，这凸显了集约化农业和快速城市化带来的压力[4,5]。ENR污染与人类活动的强度和环境管理的效果密切相关。因此，研究应重点关注高灵敏度的检测方法，并根据不同的社会经济背景制定差异化的控制策略。目前，检测ENR的主要方法依赖于高效液相色谱（HPLC）、液相色谱-质谱（HPLC-MS）、化学发光和荧光光谱等技术[6],[7],[8]。然而，这些传统方法常常受到各种限制，包括高设备投资要求、复杂的样品预处理程序、分析周期长，以及在某些情况下灵敏度有限。因此，开发操作简便、响应速度快、环保且成本效益高的新型检测技术具有重要的科学意义和实际应用价值。这类技术对于环境水体中ENR的现场监测和风险管理至关重要。 纳米酶是一类具有酶样催化活性的功能性纳米材料，代表了下一代人工酶。这些纳米材料具有多种优势，包括高稳定性、独特的化学性质、易于表面修饰以及良好的生物相容性，有效克服了天然酶的局限性，如制备过程复杂、成本高和易失活[9,10]。基于纳米酶催化底物颜色变化的比色传感方法结合紫外-可见光谱技术，具有显著的应用潜力。越来越多的研究人员利用纳米材料的酶模拟特性来开发用于检测环境污染物的比色传感策略，包括重金属离子、酚类、儿茶酚、链霉素、卡那霉素、异烟肼和ENR[11],[12],[13],[14]。在各种纳米酶中，3D花状结构因其独特的辐射或花朵形态而脱颖而出，这提供了更大的比表面积并暴露了更多的催化活性位点。此外，3D互连网络不仅促进了底物扩散和电子转移，加速了级联催化反应，还通过空间限制效应稳定了活性中心，使在极端条件下保持高活性成为可能[15]。在环境污染物监测和去除方面，基于铁的催化剂（如Fe₃O₄、Fe₃S₄）表现出高效的过硫酸盐激活作用，并通过表面Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原循环促进自由基的生成，显示出其应用前景[16]。然而，这些单一金属系统的催化性能受到固有电子结构限制的影响。为了解决这个问题，引入异质结构成分可以创建多个电子转移通道，Fe²⁺/Fe³⁺（E⁰ = 0.77 V）与其他金属离子（如Cu²⁺、Co²⁺、Mn⁴⁺）之间的协同相互作用可以有效降低活化能障碍，从而提高催化效率[17,18]。这种策略为设计和合成高效复合氧化物/过氧化物纳米酶材料提供了新的途径。 在基于H₂O₂和纳米酶的比色传感系统构建过程中，加热过程可能导致H₂O₂分解，从而影响比色反应的稳定性。为了克服这一限制，本研究利用了常用于环境修复的基于硫酸根自由基的系统的优势，提出了一种使用PMS作为氧化剂的更稳定的比色系统。在高级氧化工艺（AOPs）中，PMS作为氧化剂表现出优异的特性，包括更高的氧化还原电位（E⁰ = 2.5-3.1 V）、更宽的操作pH范围（pH 2-9）以及寿命较长的活性氧（ROS），其自由基半衰期为30-40 μs[19]。值得注意的是，PMS（HSO₅^?）具有不对称分子结构，是一种有效的自由基前体，其活化效率对ROS（如硫酸根自由基（·SO₄^?）、羟基自由基（·OH，E⁰ = 1.8-2.7 V）和超氧阴离子（·O₂^?）的生成动力学有重要影响[20]。用PMS替代H₂O₂有望同时提高比色系统的稳定性和灵敏度，并降低环境污染物的检测限。此外，均匀活化系统面临催化剂回收和金属渗入反应介质的风险。相比之下，异质Fenton类技术（如异质结催化剂的设计）不仅促进了PMS的有效活化，还显著拓宽了适用的pH范围并防止了二次污染[21]。这种界面电子转移机制为开发新型环境可持续催化系统提供了重要的理论基础。 基于上述考虑，本文采用溶热法制备了具有丰富活性位点的3D FeMoO₄/Fe₇S₈ NSFs，使用FeCl₃·6H₂O、Na₂MoO₄·2H₂O、硫脲、NaAc和聚乙二醇（PEG）作为前体，乙二醇作为溶剂。利用纳米复合材料完全暴露的活性位点和优异的酶模拟活性，首次开发了一种基于“FeMoO₄/Fe₇S₈+TMB + PMS”的新型比色传感系统。该系统通过PMS活化同时生成了自由基和非自由基活性物种，从而克服了传统检测方法在温度和pH方面的限制。值得注意的是，该方法允许在环境水样中的常温条件下快速检测ENR，显示出其在实际应用中的巨大潜力。

试剂和仪器

FeCl₃·6H₂O、Na₂MoO₄·2H₂O、硫脲（TH）、乙二醇（C₂H₆O₂、EG）、CH₃COOH（HAc）和CH₃COONa（NaAc）购自上海阿拉丁试剂有限公司。3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）、2,2′-偶氮双（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）二铵盐（ABTS）、o-苯二胺（OPD）、乙二胺四乙酸（EDTA）、p-苯醌（PBQ）和异丙醇（IPA）购自Adamas试剂有限公司。过一硫酸钾（PMS）、过碳酸钠（SPC）

3D FeMoO₄/Fe₇S₈ NSFs的形态和结构表征

通过比较纯Fe₇S₈（图1A）、纯FeMoO₄（图1B）和3D FeMoO₄/Fe₇S₈ NSFs（图1C）的SEM图像，可以观察到纯Fe₇S₈由规则排列的纳米片堆叠成层状结构，纯FeMoO₄呈现粗糙的纳米棒形态，而FeMoO₄/Fe₇S₈复合材料则显示由许多薄纳米片组成的三维花状结构，表面粗糙。TEM图像（图1D–F）进一步验证了这种独特的三维花状结构

结论

对于难以降解且容易积累的新兴污染物ENR，本研究创新性地构建了一种“3D FeMoO₄/Fe₇S₈ NSFs + PMS + TMB”比色传感系统，使用PMS作为氧化剂。该系统利用3D结构复合材料的优异POD样活性和Mo⁶⁺介导的电子转移特性，有效激活PMS生成ROS，显著提高了TMB的催化氧化效率。

CRediT作者贡献声明

李彦彦：撰写——原始草稿、项目管理、方法论、概念化。 李亮晨：研究。 周正明：数据管理。 熊晓杰：形式分析。 黄丽英：资源提供。 顾晶晶：数据管理。 高晨：形式分析。 刘婷婷：验证。 王学东：撰写——审阅与编辑。 董国忠：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文所述的工作。

致谢

本研究得到了广州体育大学2024青年博士资助项目（B类）（编号5240180584）、广东省哲学与社会科学规划项目（编号GD24CTY17）、广州体育大学2023青年博士资助项目（C类）（编号5240180575）、国家自然科学基金（编号22576147）和江苏省重点研发项目（编号BE2022733）的共同支持。