具有紫外诱导荧光增强的双发射碳点：用于区分和检测抗生素的荧光传感器阵列及比率探针的构建

《Analytica Chimica Acta》：Dual-emission carbon dots with UV-induced fluorescence enhancement: Construction of fluorescence sensor array and ratiometric probe for discrimination and detection of antibiotics

荧光传感器阵列与比率探针的构建基于双发射碳点（D-CDs），实现五种硝基咪唑类抗生素的区分与定量检测，智能手机集成快速比色平台验证了其实际应用效果。

　　

贾艳婷|王永波|王文才|王少杰|杨金轩

陕西科技大学生物与药学学院，中国西安，710021

摘要：

背景

多种抗生素的过度使用导致了多重抗生素残留的问题，这对食品安全和生态安全构成了严重威胁。然而，目前多重抗生素的同时检测主要依赖于传统的仪器分析方法，这严重限制了检测效率并缩小了其应用范围。尽管基于阵列的传感方法可以实现多目标检测，但它们存在阵列构建复杂和定量能力不足的缺点。因此，开发用于区分和定量多种抗生素残留的简单传感器阵列对于确保食品安全和环境健康具有重要意义。

结果

本文基于双发射碳点（D-CDs）开发了一种荧光传感器阵列和一种比率荧光探针，用于五种硝基咪唑类抗生素（NIIMs）的区分和定量。通过水热法合成的D-CDs在430 nm和600 nm处表现出双发射特性。NIIMs对430 nm处的荧光影响很小，但会增强600 nm处的荧光，并使颜色从蓝色变为橙色，形成独特的“指纹”。因此，开发了一种单组分双通道传感器阵列，能够以96–100%的准确率区分五种NIIMs。为了弥补阵列在定量方面的不足，还开发了一种基于D-CDs的比率荧光探针，用于五种NIIMs（MNZ、ONZ、SNZ、TNZ和RNZ）的定量检测，其检测限分别为0.52、0.58、0.19、0.49和0.23 μM。此外，还建立了一个与智能手机集成的快速比色平台，用于现场NIIMs的定量检测。在实际样品中验证了其实用性，平均回收率为110.90%，RSD为0.86-8.57%。

意义

基于D-CDs构建的传感器阵列和比率荧光探针不仅能够同时区分多种抗生素，还能实现单个抗生素的定量检测。这种简单有效的传感器阵列和比率荧光探针制造策略，为复杂食品和环境基质中多种污染物的快速现场检测提供了可靠的技术。

引言

多种抗生素在医疗保健、畜牧业和水产养殖中的广泛使用有效降低了病原体感染的风险[1]、[2]、[3]、[4]。然而，过度或不当的使用导致了食品和环境中多重抗生素残留问题的日益严重[5]、[6]。硝基咪唑类抗生素（NIIMs）由于其广谱抗菌活性而被广泛使用，但它们具有固有的毒性和环境持久性[7]、[8]、[9]。各种NIIMs的广泛应用导致了多重NIIM残留的共存[10]。这些残留物可能在食物链中积累并进入人体，从而可能引发不良反应，如过敏反应、肠道菌群失调，最重要的是加速抗生素抗性基因的传播——对生态平衡和公共卫生构成严重威胁[11]。传统的检测技术如高效液相色谱（HPLC）、液相色谱-质谱（LC-MS）和酶联免疫吸附测定（ELISA）用于NIIMs的检测，具有高灵敏度和准确性[1]、[12]。然而，这些技术通常存在仪器昂贵、操作复杂、分析周期长以及依赖专业人员的局限性，难以满足现场筛查和高通量监测的需求[13]。此外，由于结构和化学性质的相似性，同时区分和检测多种NIIMs仍然是一个重大挑战[14]、[15]、[16]。

荧光分析因其高灵敏度、快速响应以及易于微型化和集成而成为现场应用的理想选择[17]、[18]。传统的荧光传感器或探针主要基于“锁钥”机制，使用适配体、酶和分子印迹聚合物（MIPs）等识别元件来识别目标分子[13]、[19]。尽管基于这些识别元件的方法具有高选择性，但它们存在制造复杂、成本高和多目标识别能力有限的问题。此外，大多数荧光传感器和探针依赖于单波长发射作为信号输出[3]、[20]、[21]。这些方法容易受到环境因素、探针浓度变化和激发光波动的干扰，从而显著影响检测结果的准确性。

受哺乳动物嗅觉和味觉系统的启发，传感器阵列可以通过构建多个交叉响应的传感器单元来生成“分析物指纹”，从而实现多种分析物的并行检测[22]。这种基于阵列的方法不依赖于特定的识别元件，能够区分结构相似的目标[18]。然而，当前传感器阵列的区分能力主要通过增加传感器单元的数量来提高[24]、[25]。虽然更多的单元可以提高区分能力，但也增加了阵列制造的复杂性。同时，基于阵列的传感方法最显著的挑战是它们的定量能力不足[24]。比率荧光探针利用荧光强度比作为检测信号，不仅可以实现准确定量，还能有效消除干扰[26]、[27]、[28]。然而，大多数比率荧光探针主要依赖于两种荧光团的组合来产生双波长荧光信号，这也增加了探针制造的复杂性。因此，如果一种荧光团能够在多个波长下发光，它可以作为传感器单元，无需增加额外的传感器单元，从而大大简化阵列制造。另一方面，它可以直接用于构建比率荧光探针，无需使用荧光复合材料[29]。

本文中，合成了具有蓝色发射中心（430 nm）和红色发射中心（600 nm）的双发射碳点（D-CDs）（方案1a）。430 nm的发射来自D-CDs的碳核，而600 nm的发射与D-CDs的表面状态有关。D-CDs对不同抗生素的荧光响应表明，D-CDs对NIIMs表现出明显的荧光响应，在紫外光照射下荧光颜色从蓝色变为橙色。基于D-CDs，构建了一种单组分双通道传感器阵列，用于区分不同的NIIMs。结果表明，该传感器阵列能够有效区分不同的NIIMs、相同NIIMs的不同浓度以及NIIMs混合物（方案1b）。此外，还基于D-CDs构建了一种比率荧光探针，其荧光强度比（I₆₀₀/I₄₃₀）与抗生素浓度呈良好线性关系，从而实现了NIIMs的定量检测。同时，使用智能手机捕获了荧光图像，并提取了RGB值，实现了NIIMs的快速比色检测（方案1c）。这种策略成本低廉且易于操作，适用于资源有限或现场紧急情况。因此，本研究的方法简单易行，为传感阵列和比率荧光探针的构建提供了新的策略，同时也为食品和环境样品中多种污染物的检测提供了新方法。

材料与仪器

所有试剂均为分析级，无需进一步纯化即可直接使用。所使用的五种硝基咪唑类抗生素（NIIMs）包括甲硝唑（MNZ，99%）、奥尼唑（ONZ，≥98%）、替硝唑（TNZ，>98%）、塞尼唑（SNZ，99%）和罗尼唑（RNZ，99%）。其他干扰抗生素包括诺氟沙星（NOR，98%）、红霉素（ERY，≥98%）、硫酸粘菌素（CS，≥19000IU/mg）、磺胺嘧啶（SD，98%）、万古霉素（VCM，98%）和硫酸庆大霉素（GM，≥590U/mg）。柠檬酸一水合物

D-CDs的结构和光学性质

透射电子显微镜（TEM）图像显示，所得D-CDs具有均匀的球形形态，平均粒径为1.496 ± 0.008 nm。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像清晰地显示出0.22 nm的晶格条纹，与平面石墨烯的特征晶面（图1a）一致。X射线衍射（XRD）图谱在21°（2θ）处显示出宽而模糊的衍射峰，对应于石墨碳的（002）晶面（图1b），表明其具有非晶碳结构[31]。

结论

总之，通过一步水热法合成了双发射碳点（D-CDs），在430 nm和600 nm处表现出两个荧光发射峰。430 nm的发射主要来源于碳核的π–π*跃迁，而600 nm的发射与表面含氧基团形成的局域能级有关。NIIMs对430 nm处的荧光影响很小，但在600 nm处显著增强了荧光

CRediT作者贡献声明

王文才：验证、正式分析。王少杰：可视化、软件。杨金轩：方法学、正式分析。贾艳婷：撰写——原始草稿、方法学、正式分析、数据管理。王永波：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法学、资金获取、概念构思

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工作。

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我们声明提交本手稿时不存在利益冲突，所有作者均同意发表该手稿。我代表我的合作者声明，所描述的工作是原创研究，之前未在其他地方发表，也未被考虑用于其他地方的发表。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（32001783）、中医药科技创新项目（2025-CXTD-07）以及陕西省科学技术厅的关键研发计划（2024SF-GJHX-12）的支持。