基于比率转换上转换发光的纳米传感器，用于灵敏且选择性地检测抗生素马波氟沙星

《Materials Today Chemistry》：Ratiometric upconversion luminescence based nanosensor for the sensitive and selective detection of the antibiotic marbofloxacin

恩诺沙星检测中，聚乙烯亚胺修饰的上转换纳米颗粒通过比率发光实现快速（1分钟）、高灵敏度（检测限0.0084 μmol/L）和选择性检测，成功应用于牛奶和鸡肉样品分析。

　　

叶一文|高欣|吴汉香|李琪|文红丽|斯鲁什蒂·加迪亚拉姆

中国广东省广州市广东工业大学化学工程与轻工业学院，现代精细化工工程技术研究中心，广东省普通高等学校清洁化学技术重点实验室，邮编510006

摘要

动物和乳制品中的药物残留量正在以危险的速度增长，这些残留药物在人体内的积累会对人体造成严重损害。在全球范围内，检测抗生素残留物至关重要。本文开发了一种经过聚乙烯亚胺（PEI）改性的上转换纳米颗粒（UCNPs），该纳米颗粒具有良好的亲水性，可用于马波氟沙星（MAR）抗生素的比率上转换发光（UCL）传感。UCNPs@PEI在345 nm和360 nm处的UCL信号被MAR显著抑制，响应时间仅为1分钟；而450 nm处的蓝光UCL信号作为内参未发生变化。UCNPs@PEI比率纳米探针在0-80 μmol L^?1的线性范围内对MAR表现出优异的灵敏度和高选择性，检测限低至0.0084 μmol L^?1

引言

马波氟沙星（MAR，{9-氟-2,3-二氢-3-甲基-10-(4-甲基-1-哌嗪基)-7-氧-7H-吡rido[3,2,1 ij][4,1,2]苯并氧氮杂嗪-6-羧酸}（图S1）是一种第三代氟喹诺酮类药物，用作兽药。MAR以其低毒性和对多种细菌感染（如皮肤、胃肠道、呼吸道感染和骨髓炎）的有效性而闻名。然而，抗菌药物残留物的存在对公共卫生构成了重大威胁。抗菌药物残留物是指在动物源性食品（如肉类、鸡蛋和牛奶）中发现的任何抗菌药物的残留物。据报道，包括MAR在内的氟喹诺酮类药物残留物会导致诸如耐药细菌、光毒性、溶血性尿毒综合征、血栓栓塞和中枢神经系统损伤等副作用[1]。食用这些食品可能导致人体内MAR的积累，从而对健康构成风险。这些残留物会对动物造成直接毒性，并帮助微生物产生抗药性，最终导致畜牧业中药物疗效下降[2]。欧盟已制定法规，将MAR在生牛奶中的最大残留限设置为75 μg/kg，在动物组织中设置为150 μg/kg，以尽量减少健康风险[3]。因此，需要检测微量药物残留物（MAR）以进行质量控制，并保护人类和环境健康。

目前有多种传统方法可用于检测MAR，包括高效液相色谱（HPLC）[4]、质谱技术[5]、拉曼光谱[6]和其他微生物学方法[7]。尽管这些方法具有高灵敏度和选择性，但它们需要专业操作、复杂的样品制备过程、有毒试剂、昂贵的仪器，并且缺乏现场检测能力。因此，需要一种替代系统，以实现低成本、快速、灵敏且适用于现场检测MAR的方法。

纳米材料在化学生物学和医学等多个领域具有广泛的应用潜力，可以填补这些空白。由于近年来纳米技术的飞速发展，已经开发出多种类型的纳米材料（金属纳米颗粒（NPs）、石墨烯掺杂量子点、碳点等）用于检测食品污染物（如氟喹诺酮类[8]。荧光方法快速且直观，近期研究重点关注纳米材料的潜力。A. Pongprom等人[9]制备了一种分子印迹聚合物，其中含有羟基化埃洛石纳米管、磁性NPs和氮掺杂石墨烯量子点（OH-HNTs@N@GQDs@Fe₃O₄@MIP），用于通过荧光变化检测MAR。他们声称这种磁性纳米探针能够选择性地检测MAR，检测限（LOD）为0.03 μg/L（0.0828 nM），并且该方法已应用于牛奶样品的回收实验。Y. Duan等人[10]开发了掺杂Tb³⁺的LaF₃ NPs，表面涂有2,6-吡啶二甲酸（DPA）和Eu³⁺，具有双重发光特性。LaF₃:Tb@DPA-Eu NPs在MAR存在下荧光被抑制，LOD为0.085 μM，并已应用于牛奶样品的回收实验。

基于镧系元素的上转换纳米颗粒（UCNPs）因其出色的上转换发光（UCL）性能而受到广泛关注，这些性能包括较大的抗斯托克斯位移、低毒性、高穿透能力、较长的寿命和无需光漂白的化学稳定性[[11], [12], [13]]。UCNPs是一种理想的工具，可用于检测和分析MAR，因为它们能够将低能量的近红外（NIR）激发转换为高能量的紫外（UV）发射。此外，NIR激发几乎不会产生自荧光，从而提高了信噪比[13]。在本研究中，首次开发了聚乙烯亚胺（PEI）功能化的核壳壳结构NaYF₄:Gd (10 mol %)@NaYbF₄:Tm (1 mol %)@NaYF₄ UCNPs（图1），实现了快速的响应时间、高选择性和优异的灵敏度，可用于MAR的比率UCL传感。PEI功能化使UCNPs具有良好的水分散性，并促进了PEI与MAR抗生素之间的氢键形成。MAR能够选择性地抑制UCNPs@PEI在345 nm和360 nm处的UCL信号，而不影响450 nm处的发射。借助UCNPs@PEI比率UCL纳米探针，成功地对牛奶和鸡肉样品中的MAR浓度进行了定量分析，回收率良好。开发用于检测食品样品中药物残留物的UCL探针对当今社会具有重要意义，并具有潜在的应用前景。

化学物质和材料

所使用的化学物质和溶剂均从供应商处购买，无需进一步纯化处理。Y(CH₃CO₂)₃?xH₂O（99.9%）、Gd(CH₃CO₂)₃?xH₂O（99.9%）、Yb(CH₃CO₂)₃?xH₂O（99.9%）、Tm(CH₃CO₂)₃?xH₂O（99.9%）、油酸（90%）、氢氧化钠（>98%）、1-十八烯（90%）、NaOH（>98%）和NH₄F（98%）均来自Sigma-Aldrich公司。甲醇（99.5%）、乙二醇（DEG）（99%）、环己烷（99.5%）、乙腈（≥99.9%）、阿莫西林（AMX）（≥99%）和氟苯尼考（FFC）（98%）、噻吩酚（THP，99.5%）也来自相同公司。

UCNPs的制备与表征

采用共沉淀法，根据现有文献[14]对NaYF₄:Gd@NaYbF₄:Tm@NaYF₄ NPs进行了略微改进的合成。为了防止不规则的NaYbF₄:Tm (1 mol %) NPs的形成[20]，首先制备了NaYF₄:Gd (10 mol %)核纳米颗粒作为种子，引导NaYbF₄:Tm (1 mol %)壳层的生长，然后通过逐层策略依次生长最外层的NaYF₄。图S2（a, b）和图2（a）展示了TEM图像

结论

我们报道了UCNPs@PEI比率UCL纳米探针，可用于简单、快速地检测MAR抗生素，表现出优异的灵敏度和选择性。PEI修饰使UCNPs具有良好的水溶性。加入MAR抗生素后，345 nm和360 nm处的UCL信号被有效抑制，而450 nm处的蓝光UCL信号作为内参未受影响。UCNPs@PEI纳米探针实现了0-80 μmol L^?1范围内的MAR比率UCL检测，表现出

CRediT作者贡献声明

叶一文：验证、研究、数据管理。高欣：验证、研究、数据管理。吴汉香：验证、研究。李琪：验证、研究。文红丽：撰写-审稿与编辑、监督、项目管理、方法学、资金获取、概念构思。斯鲁什蒂·加迪亚拉姆：撰写-初稿、验证、研究。

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。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：22075052）和广东省基础与应用基础研究基金（编号：2023A1515012988）的支持。作者感谢广东工业大学化学工程与轻工业学院的杨旭对UCL衰减寿命的测量，以及感谢该校分析与测试中心的袁凯、李霞和庄敏对XPS测量的支持。