一种基于NCDs@NH2-MIL-88B@rMIP的便携式比色-荧光双模式纸基传感器，用于检测水中的土霉素

《Talanta》：A Portable Colorimetric-fluorometric Dual-Mode Paper-Based Sensor Based on NCDs@NH2-MIL-88B@rMIP for the Detection of Oxytetracycline in Water

　　

牛启健|王学静|季冠雅|王静|卢宇豪|朱一华|史俊|董秀秀|段宏伟|郭梅|刘倩

中国江苏省镇江市江苏大学农业工程学院现代农业装备与技术重点实验室，邮编212013

摘要：

本文采用双溶剂法制备了一种具有酶模拟活性和荧光特性的新型双功能纳米酶复合材料。首先将氮掺杂碳点（NCDs）原位限制在NH₂-MIL-88B的孔隙中（形成NCDs@NH₂-MIL-88B），然后在NCDs@NH₂-MIL-88B表面合成了氧四环素（OTC）分子印迹聚合物薄膜，其中3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）作为功能单体，四乙基正硅酸盐（TEOS）作为交联剂。由于分子内运动限制（RIM）效应和荧光共振能量转移（FRET）的作用，NCDs@NH₂-MIL-88B的荧光强度得到增强。此外，OTC与Fe³⁺在NCDs@NH₂-MIL-88B@rMIP上的络合反应促进了电子转移速率，提高了酶模拟活性，从而实现了双信号的增强。进一步地，通过将这种复合材料与纸质设备结合，构建了一种便携式双模式比色-荧光传感器，用于现场检测OTC。使用比色计和智能手机作为信号输出设备，可实现水中OTC的便携式检测。比色模式的检测范围为1.00 × 10^-9 mol L^-1至1.00 × 10^-5 mol L^-1，荧光模式的检测范围更广，为1.00 × 10^-10 mol L^-1至1.00 × 10^-5 mol L^-1。使用双模式传感器和LC-MS方法对同一样品的检测结果证实了该方法的准确性。这项工作为满足现场分析的需求提供了潜在的可能性。

引言

氧四环素（OTC）是一种常用的四环素类抗生素，广泛应用于临床治疗和畜牧业。然而，大量未被吸收的OTC药物通过尿液和粪便直接排入水生生态系统，对生态平衡和人类健康构成严重威胁[1]、[2]、[3]。因此，检测水中的OTC残留物对于确保生态安全和人类健康至关重要。目前，已有几种高精度的传统仪器分析技术用于OTC的检测，如液相色谱-质谱（LC-MS）[4]、高效液相色谱-紫外光谱（HPLC-UV）[5]和毛细管电泳-紫外光谱（CE-UV）[6]等。然而，这些分析方法通常需要昂贵的设备、较长的样品预处理时间以及熟练的操作人员[7]、[8]。近年来，研究人员开发了多种新的OTC检测方法，包括表面增强拉曼散射（SERS）[9]、[10]、电化学方法（EC）[11]、[12]、光电化学方法（PEC）[13]、[14]、荧光（FL）[15]、[16]和比色方法（CL）[17]、[18]。其中，结合比色信号可视化和荧光信号灵敏度的双模式传感器可以提供更多信息并减少环境干扰，同时结果可以相互验证，从而大大提高可靠性。

然而，液相比色-荧光双模式传感器仍需要复杂的检测过程[19]、[20]、[21]、[22]。因此，迫切需要构建一种灵敏、可视化且便携的传感设备来实现OTC的检测。近年来，基于纸张的传感器因其便携性、低成本和紧凑体积而受到广泛关注[23]。Neda等人使用氧化钴（CoOOH）纳米片建立了基于智能手机的双荧光和比色方法来检测异烟肼[24]。Zhang等人使用吲哚酚-葡萄糖苷作为底物，开发了一种经济实惠的纸质分析设备，通过智能手机实现β-葡萄糖苷酶活性的荧光和比色双模式检测[25]。Chi等人用MOFs修饰了纤维素纸的表面，成功构建了一种便携式比色-荧光双模式纸质传感器，用于精氨酸的可视化分析和检测[26]。然而，与液态环境相比，固态纸质传感器往往会降低信号探针的灵敏度[27]、[28]。因此，为了构建一种集成比色和荧光检测的便携式双模式纸质传感器，亟需进一步提高传感器的过氧化物酶类似催化活性和荧光特性[29]、[30]。近年来，纳米酶因其多种酶模拟活性[31]、[32]、[33]、[34]（包括过氧化物酶[35]、氧化酶[36]、磷酸酶[37]和超氧化物歧化酶[38]）而受到广泛关注。作为一类重要的纳米酶，碳点（CDs）通过杂原子掺杂和表面功能化，能够同时实现优异的过氧化物酶类似催化活性和荧光特性[39]、[40]、[41]。研究表明，氮掺杂可以为CDs提供孤对电子，中和电荷分布并调整其电子结构，从而加速电子转移速率并提供丰富的活性位点。此外，氮掺杂还可以改变CDs的表面状态，为其提供电子能量陷阱，从而增强其荧光[42]。Luo等人将NCDs负载到PCN-222上，制备出具有高过氧化物酶类似活性和荧光特性的NCDs@PCN-222，并将其与便携设备结合，实现了农药的便携式检测[43]。因此，将NCDs限制在NH₂-MIL-88B的孔隙中，有望进一步提高其酶类似活性和荧光性能；结合分子印迹和纸质传感技术，可以构建出一种比色-荧光双模式便携式纸质传感器，实现水中OTC的灵敏、可视和便携检测。

在本研究中，采用双溶剂法将氮掺杂碳点（NCDs）原位限制在NH₂-MIL-88B的孔隙中，制备出具有更强酶模拟活性和荧光特性的NCDs@NH₂-MIL-88B。结合分子印迹技术，建立了集成比色和荧光的双信号激活双模式传感器，并检测了其在液相系统中的分析性能。在此基础上，将NCDs@NH₂-MIL-88B@rMIP与纸质传感技术结合，构建了一种灵敏、可视、便携的比色-荧光双模式纸质传感器。此外，使用便携式色差计和智能手机作为信号输出设备，实现了水中OTC的灵敏、可视和便携检测（方案1）。

章节摘录

实验部分

相关详细信息见补充材料：化学品和仪器、NCDs@NH₂-MIL-88B的合成、便携式纸质传感器的构建、双模式传感器在液相环境中的OTC检测、便携式纸质传感器对OTC的检测、便携式纸质传感器对实际样品的检测。

NCDs@NH₂-MIL-88B@rMIP的表征

使用SEM和TEM对NH₂-MIL-88B、NCDs@NH₂-MIL-88B和NCDs@NH₂-MIL-88B@rMIP的表面形态和微观结构进行了表征。如图1A和图1D所示，NH₂-MIL-88B具有八面体晶体结构，表面较为粗糙，内部没有明显的颗粒物质。通过双溶剂法将碳点限制后，NCDs@NH₂-MIL-88B的表面变得更加光滑，颗粒尺寸略有减小（图1B）。

结论

本研究提出了一种双溶剂方法，用于将氮掺杂碳点原位封装到氨基功能化的铁基MOFs（NH₂-MIL-88B）中。基于RIM效应和FRET机制，NCDs@NH₂-MIL-88B的荧光性能得到增强。同时，OTC与Fe³⁺在复合材料表面的络合反应加速了电子转移，从而提高了材料的过氧化物酶类似活性。

CRediT作者贡献声明

史俊：研究工作、数据管理。董秀秀：方法设计、研究工作、资金申请。段宏伟：写作 – 审稿与编辑、监督。郭梅：研究工作、数据管理。刘倩：写作 – 审稿与编辑、监督、资金申请。牛启健：写作 – 审稿与编辑、监督、资金申请、概念构思。王学静：写作 – 初稿撰写、软件开发、研究工作、数据分析。季冠雅：资金申请、概念构思。王静：研究工作，

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：62565015、62101216、62201230、32301723）、江苏省自然科学基金（编号：BK20220546）以及中国博士后科学基金（编号：2020M671359、2022T150275、2020M671367）和江苏省高等教育机构重点学术发展计划（编号：PAPD-2023-87）的支持。