《Analytica Chimica Acta》：Development of a portable electrochemical sensor based on STAB-GN for simultaneous detection of chloramphenicol and enrofloxacin in foods
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氯霉素（CAP）和恩诺沙星（ENR）双目标检测的便携式石墨烯基电化学传感器开发成功，采用STAB修饰石墨烯（STAB-GN）通过静电吸附增强电极表面电荷，结合超声法一锅合成，实现0.14-0.15 μM超低检测限，在烤鸡腿和炸鱼等复杂基质中与HPLC结果吻合（P>0.05），验证了高灵敏度和现场检测实用性。
高瑞|陈永峰|苏宇|杰弗里·I·N·沃特豪斯|乔旭光|孙玉峰|徐志翔
中国山东省农业大学食品科学与工程学院食品加工技术与质量控制重点实验室，泰安271018
摘要
氯霉素（CAP）和恩诺氟沙星（ENR）是广泛用于畜牧业的广谱抗生素。它们在食品中的潜在残留物对健康构成重大风险，因此迫切需要快速可靠的检测方法。电化学传感器因其快速、现场筛查和高灵敏度的固有优势而成为一种有前景的解决方案。通过一步超声法合成了硬脂基三甲基溴化铵功能化石墨烯（STAB-GN），并将其应用于玻璃碳电极（GCE）上，制备出用于检测CAP和ENR的电化学传感器（STAB-GN/GCE）。得益于STAB-GN良好的导电性和正电荷特性，这种便携式的STAB-GN/GCE传感器在同时检测CAP和ENR时表现出宽线性范围（0.20-100.00 μM），且检测限较低（CAP为0.14 μM，ENR为0.15 μM）。此外，该传感器具有优异的重复性、再现性和稳定性，这对于可靠定量至关重要，并且具备出色的抗干扰能力，确保在复杂样品基质中仍能保持高性能。在添加了目标物质的牛奶和鸡蛋样品中的回收测试均取得了成功（94.00%-103.90%），证实了传感器的可靠性。此外，该传感器还成功应用于烤鸡腿和炸鱼样品中CAP和ENR的定量，其结果与高效液相色谱法（HPLC）测得的结果高度一致（P > 0.05）。本研究开发了一种高灵敏度、便携式的电化学传感器，可用于同时检测CAP和ENR。其在复杂食品基质中的成功应用表明了其在现场监测抗生素残留方面的巨大实际潜力。这种开发的传感器为确保食品安全和保护消费者健康提供了有力工具，是传统实验室方法的快速替代方案。
引言
氯霉素（CAP）是一种广谱合成抗生素，由于其价格合理和稳定性高，曾广泛用于畜牧业和水产养殖业[1]。CAP具有抗降解性，吸收后容易在人体内积累。因此，长期食用含有超过规定限量的CAP残留物的食品可能导致不良健康影响，包括胃肠道疾病[2]、[3]。恩诺氟沙星（ENR）是一种氟喹诺酮类广谱抗生素，由于在治疗细菌感染方面效果显著，也被广泛用于畜牧业和水产养殖业[4]。然而，ENR的不当使用或滥用会导致动物源性食品中残留过多，从而对人类健康构成威胁[5]。中国已明确禁止将CAP作为兽药使用，并将鱼和禽肉中ENR的允许残留量定为100.00 μg kg-1。由于CAP和ENR在畜牧业和水产养殖业中普遍使用，它们在动物和水产品中也很常见。因此，开发能够同时检测这两种抗生素的高灵敏度检测技术对于监测食品安全至关重要。
历史上报道了多种用于检测ENR和CAP的分析平台，包括视觉蛋白微阵列芯片[6]、液相色谱-质谱[7]和高性能液相色谱[8]。尽管这些方法具有很高的准确性，但它们需要昂贵的设备、专业操作人员以及较长的检测时间[9]、[11]。目前的快速检测技术包括微流控免疫测定[12]、AIE荧光微球免疫层析检测[13]、比色/SERS双模式检测[14]、单价抗原诱导聚集生物传感器[15]和比色-光热侧向流动测定[16]。然而，由于操作复杂、成本高昂和便携性有限，这些方法仍不适合现场检测。便携式电化学传感器（如PalmSens4）具有快速响应时间、操作简便和低成本等优点，适用于现场检测食品中的有害物质[17]、[18]。目前，已开发了许多纳米材料电化学传感平台用于定量ENR或CAP，包括Sn/rGO/SPCE[19]、GO@MWCNTs/SPC[20]、MIP/CS/N-CDs/MWCNTs/GCE[21]和TAPB-PDA-COFs/AuNPs/GCE[22]，但它们无法同时检测CAP和ENR。因此，开发适当的电极材料和修饰策略以实现这两种抗生素的同时检测至关重要。
石墨烯（GN）是一种具有二维纳米片结构、高比表面积、优异导电性、出色的化学和热稳定性以及易于改性的碳材料，已广泛应用于电容器[23]、能量存储与转换[24]和电池[25]领域。然而，纳米片结构和强烈的π-π相互作用使得GN容易聚集，从而显著降低其有效表面积和导电性，限制了其在电化学传感器中的应用[23]。因此，通过适当的表面修饰策略对GN进行改性至关重要。硬脂基三甲基溴化铵（STAB）是一种阳离子表面活性剂，具有亲水头部和疏水尾部[26]。郑等人的研究（2020年）表明，STAB修饰能有效降低表面能并赋予吸附剂正电荷。受这种界面控制能力的启发，我们提出了STAB在电化学传感中的新应用。基于GN表面丰富的负电荷[27]和STAB上的大量正电荷[28]，我们通过静电作用制备了STAB-GN复合材料。这一策略旨在实现两个协同目标：首先抑制GN聚集，从而提高材料稳定性；其次创建一个带正电荷的界面，以增强电极表面负电荷抗生素分子的富集。然而，STAB-GN在电化学检测过程中容易脱落。壳聚糖是一种由几丁质脱乙酰化得到的聚合物，其大分子链上含有许多反应基团，这种结构赋予了其出色的成膜能力和强吸附能力[29]。利用这些特性，壳聚糖有助于在玻璃碳电极（GCE）表面形成均匀稳定的STAB-GN薄膜，防止STAB-GN在电化学测量过程中脱落，从而优化传感器的检测性能[30]。基于这种方法，我们假设STAB-GN复合材料应是有用的材料，可用于构建同时检测食品中CAP和ENR的电化学检测系统，这激发了本研究的开展。
在本研究中，采用一步超声法制备了新型STAB-GN纳米复合材料，并将合成的STAB-GN沉积在GCE上，用于同时检测CAP和ENR。研究了STAB修饰对GN性能和结构的影响，并分析了STAB-GN与CAP和ENR之间的相互作用。为了评估STAB-GN/GCE传感器的电化学行为，使用了差分脉冲伏安法（DPV）和循环伏安法（CV）。结果表明，STAB-GN/GCE传感器表现出优异的信号再现性、重复性和稳定性，以及良好的抗干扰能力。据我们所知，本研究开发了一种便携式电化学传感器，利用STAB-GN增强了CAP和ENR的同时定量信号响应，同时避免了贵金属的使用，并且易于制备。
材料与试剂
样品来源为中国泰安地区的市场，包括牛奶、鸡蛋以及两种食品（烤鸡腿和炸鱼）。
所有实验均使用双蒸馏水（DDW，18.2 MΩ cm-1），购自成都的爱克超纯水设备公司。CAP、STAB、四环素（TC）、氧氟沙星（OFL）、加替氟沙星（GAT）和环丙沙星（CIP）由上海麦克林生化科技有限公司提供。ENR和甲氧苄啶（TMP）则由其他供应商提供。
GN和STAB-GN的表征
为了确认石墨烯（GN）与STAB的成功表面修饰，使用能量分散光谱（EDS）和透射电子显微镜（TEM）对STAB-GN复合材料进行了表征。如图1a所示，EDS光谱显示了C、N和Br的峰值（N和Br的存在表明STAB的存在），证实了STAB-GN纳米复合材料的成功形成。图1b和图1c分别展示了GN和STAB-GN的TEM图像。
结论
本研究开发了一种高灵敏度的便携式传感器，STAB-GN作为信号放大材料，可用于同时定量食品中的CAP和ENR。该传感器对CAP和ENR均表现出宽线性范围和低检测限。此外，所构建的传感器具有优异的灵敏度、稳定性、再现性和重复性，适用于实际样品（如添加了目标物质的牛奶和鸡蛋，以及未添加目标物质的烤鸡腿）中的CAP和ENR定量。
CRediT作者贡献声明
高瑞：撰写——原始草案。
陈永峰：验证、方法学。
苏宇：软件开发。
杰弗里·I·N·沃特豪斯：指导。
乔旭光：指导。
孙玉峰：项目管理。
徐志翔：资金筹集
未引用参考文献
[10], [36]。
利益冲突声明
我们声明与可能不恰当地影响我们工作的其他个人或组织没有财务和个人关系，对于任何可能影响本文立场或审稿过程的产品、服务或公司，我们没有任何专业或其他形式的个人利益。
致谢
本工作得到了中国山东省重点研发计划（2023CXGC010712）的财政支持。GINW感谢麦克迪亚米德先进材料与纳米技术研究所的资助。
