一种生物相容性的双聚合物静电纺丝传感器，该传感器结合了铜金属有机框架，能够实现对禽类产品中四环素的高灵敏度比色检测

《Applied Food Research》：A Biocompatible Dual-Polymer Electrospun Sensor Incorporating Copper Metal-Organic Framework for Sensitive Colorimetric Detection of Tetracycline in Poultry Products

　　尤瑟夫·卡勒迪安 | 莫尔特扎·法蒂 | 穆罕默德雷扎·帕乔希-阿拉莫蒂
伊朗德黑兰巴基亚塔拉医院医学科学大学生活方式研究所健康研究中心

**摘要**
抗生素的过度使用会导致动物源性产品（如鸡肉）中残留抗生素，因此需要快速、准确且成本低廉的检测方法来确保食品安全。本研究报道了一种新型传感器——Cu-MOF/PCL/PVA纳米纤维膜（NFM），该传感器通过电纺技术制备，将铜-有机框架封装在聚己内酯/聚乙烯醇聚合物中。该传感器利用Cu-MOF的过氧化物酶样活性对鸡肉中的四环素（TC）进行比色检测。当传感器与TC相互作用时，会观察到可见的颜色变化（从深蓝色变为浅蓝白色），这一变化与图像处理软件（Image J）分析观察到的灰度强度线性增加（0–250 μg/kg）相关。该传感器在检测TC时表现出高灵敏度和选择性。其检测限（LOD）约为82 μg/kg，肉眼可见的检测阈值为85 μg/kg，均低于欧盟和粮农组织规定的鸡肉中抗生素最大残留限（MRL）100 μg/kg。在鸡肉样本中的定量检测结果显示回收率为99.40–101.77%，并通过高效液相色谱法（HPLC）进行了验证。虽然使用HEK293细胞的初步生物相容性评估表明细胞存活率较高（500 μg/mL时约为90%），但仍需进一步研究以全面评估其在不同生物环境中的应用潜力。

**1. 引言**
抗生素对人类健康的深远影响，尤其是在治疗感染方面，是无可否认的。然而，其广泛且常常不受监管的使用导致了一个严重问题：食品和环境中积累了抗生素残留物。四环素是一种广谱抗生素，因其有效性、低毒性和低成本而受到广泛应用（Zheng等人，2020；Rong等人，2024）。畜牧业，尤其是家禽生产，是四环素残留的主要来源，这往往是由于在宰杀前未遵守停药期所致。这些残留物对人类健康构成风险，会促进抗生素耐药性的产生，并可能降低治疗效果。为降低这些风险，粮农组织和世界卫生组织等监管机构制定了最大残留限（MRL），例如鸡肉中四环素的MRL为100 μg/kg（Ahmad等人，2021；Pattanayak等人，2023；Xiong等人，2018）。检测这些残留物对食品安全至关重要。尽管HPLC、ELISA和SPR传感器等先进方法具有高灵敏度和精度，但它们的应用通常仅限于设备齐全的实验室，并且需要专业人员进行操作（Alizadeh Sani等人，2023；Yue等人，2022；Raykova等人，2021；Fu等人，2022；Cao等人，2023）。这一限制凸显了寻找替代检测策略的必要性。比色传感器因其操作简便、成本低廉以及能够肉眼观察结果而成为有前景的选项（Guo等人，2022；Nehra等人，2023；Yukhajon等人，2023）。在比色传感领域，纳米酶因稳定性高、成本低廉而受到关注，因为天然酶通常稳定性差且成本较高（Anh等人，2022；Ivanova等人，2019；Dewi等人，2023）。金属有机框架（MOFs）作为纳米酶的一种，具有优异的催化活性，具有可调孔径、高表面积和热稳定性等独特结构特征，使其成为化学传感应用的理想候选材料（Yue等人，2022；Xu等人，2022）。特别是Cu-MOF表现出过氧化物酶样活性，能够催化产生可检测的颜色变化（Wang等人，2022）。研究表明，Cu-MOF和Fe-MOF在H?O?存在下可分别催化TMB和OPDA的氧化，产生蓝色和橙色反应（Wang等人，2016；Jesuraj等人，2023）。这一特性被用于四环素的比色检测。其原理基于四环素与Cu-MOF的相互作用，后者会抑制其过氧化物酶样活性，从而阻止颜色变化，实现选择性检测。研究探索了多种MOFs（包括Cu-MOF）在这些应用中的潜力（Ye等人，2025），例如MIL-53（Ai等人，2013）、MIL-88（Liu等人，2013）、MIL-100（Jing等人，2017）、Cu-MOF（Xu等人，2022）、Co-MOF（Ma等人，2022）和Fe-MOF（Sun等人，2023）用于H?O?、抗坏血酸、谷胱甘肽、半胱氨酸、Cr?、葡萄糖和四环素的比色检测。进一步优化传感器性能的方法是将MOFs与电纺技术结合，这种组合具有协同效应。电纺技术可制备出高表面积和可控孔隙率的纳米纤维，可能提高MOF分散性和传感器灵敏度（Mercante等人，2017）。含有MOFs的电纺纤维已在催化、超级电容器、药物递送等领域得到广泛应用（Lu等人，2022；Liu等人，2022）。有报告指出，MOFs可通过电纺成功整合到生物聚合物 matrix 中，如聚乳酸（PLA）（Liu等人，2021a）、聚己内酯（PCL）（Bahramian等人，2025）、苯乙烯-丙烯腈共聚物（SAN）（Jin等人，2024）和聚乙烯醇（PVA）（Alatawi，2025）。由于纳米结构特性，这些MOFs能够均匀分布。虽然之前的研究已报道了基于Cu-MOF的四环素比色检测方法，但本研究将Cu-MOF纳米颗粒独特地整合到由疏水性PCL和亲水性PVA聚合物组成的双层电纺纳米纤维中，显著提高了MOF分散性和传感器灵敏度。疏水性PCL层为嵌入的Cu-MOF纳米颗粒提供机械强度和稳定性，防止其聚集和机械降解；亲水性PVA外层则便于与水基四环素样品高效接触，从而改善质量传递和传感器灵敏度。这种双层结构有效平衡了机械完整性和样品可及性，提高了MOF颗粒的分散性和催化活性，这一点得到了相关研究的支持。

**2. 材料与方法**
2.1 **材料**
Cu(NO3)2·3H2O、三聚酸（1,3,5-三羧酸）、四环素、红霉素、环丙沙星、青霉素、多西环素、N,N-二甲甲酰胺（DMF）、纯度为99%的四甲基联苯胺（TMB）、分析级Dulbecco改良Eagle培养基（DMEM）、磷酸盐缓冲盐水（PBS）、二甲基亚砜（DMSO）、Na2-EDTA、Ilavaine缓冲液、三氯乙酸、氯仿、醋酸缓冲液、聚己内酯和聚乙烯醇均购自Sigma Aldrich。工业级过氧化氢（H2O2，纯度50%）由土耳其的Pasha公司提供。蒸馏水（DI water）在实验室中使用蒸馏装置制备。人胚肾293（HEK293）细胞系购自国家细胞科学中心（NCCS）。
2.2 **仪器**
本研究使用的仪器包括恒温磁力搅拌器（IKA，德国）、电纺设备（Nanoris，伊朗）、傅里叶变换红外光谱仪（IRPrestige-21，Shimadzu，日本）、日立扫描电子显微镜（FESEM，型号S-4700）、1200高效液相色谱系统（Agilent，美国）、超声波处理器、紫外-可见光分光光度计、BOSCH SAE200电子天平（BOSCH-W?gesysteme GmbH，Jungingen，德国）、离心机（Sigma，德国）和万能测试机（Santam，伊朗）。
2.3 **Cu-MOF的合成**
首先，制备18 mL浓度为2 g的Cu(NO3)2·3H2O溶液（用DI water配制）。将三聚酸（1 g）溶解在DMF和乙醇的1:1混合物中。两种混合物分别进行5分钟超声处理以获得澄清溶液。然后将三聚酸溶液逐滴滴加到含铜的混合物中（在超声条件下）。最终溶液在装有松帽的试剂瓶中，在100°C下使用磁力搅拌器反应35小时。所得溶液在10,000 RPM下离心15分钟以收集形成的蓝色晶体，随后用DMF和甲醇多次冲洗。将晶体浸入二氯甲烷中2天，最后在75°C下干燥24小时备用（Nehra等人，2023）。
2.4 **过氧化物酶样活性**
使用Cu-MOF作为催化剂，在醋酸缓冲液（pH 4.74，由醋酸钠和醋酸组成）中通过H2O2氧化四甲基联苯胺（TMB）。具体操作为：向2 mL浓度为0.2 mg/mL的Cu-MOF（溶解在醋酸缓冲液中）溶液中加入300 μL TMB（10 mM in DMF）和300 μL H2O2（12 mM），在25°C下反应15分钟。通过紫外-可见光分光光度法在654 nm波长处确认TMB的氧化产物（Zhou等人，2022）。
2.5 **细胞毒性**
采用3-(4,5-二甲基噻唑-2基)-2,5-二苯基四氮唑溴化物（MTT）检测法研究Cu-MOF对HEK293细胞的细胞毒性并评估细胞活力（Nehra等人，2020）。HEK293细胞系在添加1%抗生素和10%胎牛血清（FBS）的Dulbecco改良Eagle培养基（DMEM）中于37°C、CO2存在下培养，湿度比为19%。确认细胞在96孔板中生长24小时后，将不同浓度的样品溶解在二甲基亚砜（DMSO）中加入细胞。24小时后，用磷酸盐缓冲盐水（PBS）洗涤细胞。向每个孔中加入10 μL MTT试剂和100 μL新鲜培养基，再培养4小时。最后去除培养基后，利用100 μL DMSO溶解由活细胞还原形成的不溶性甲基蓝晶体。在570 nm波长下测量溶液吸光度以评估细胞毒性。细胞毒性通过计算细胞活力百分比来评估。计算公式为：
**细胞毒性%=（未处理样本的OD ? 处理样本的OD）/ 未处理样本的OD × 100**
该计算提供了细胞死亡的定量指标。为了更清晰地解释细胞健康状况，结果以细胞活力百分比表示：
**细胞活力（%）= 100 ? 细胞毒性（%）**
较高的活力百分比表明细胞在测试物质存在下具有更强的存活能力和代谢活性，从而反映细胞毒性的逆向指标。
2.6 **电纺传感器的制备**
将1 g聚己内酯溶解在25 mL氯仿-乙醇（1:4 v/v）混合物中，然后使用精确至0.00001 g的分析天平称取0.4 mg Cu-MOF加入聚己内酯溶液中。所得溶液在12,000 RPM下混合均匀，并在50°C下保持24小时。将1 g聚乙烯醇溶解在25 mL蒸馏水中。最终使用电纺设备制备纳米纤维。电纺参数设置为电压15 kV、流速1 mL/h和温度25°C。收集纤维后，将其放在铝箔上进行干燥，用于后续测试（Bahramian等人，2025）。
2.7 **纳米纤维性质**
在样品表面涂覆10 nm厚的金层后，使用扫描电子显微镜（加速电压15 kV、工作距离10 mm）观察Cu-MOF/PCL/PVA NFM的形态。通过ImageJ软件确定纳米纤维的平均直径。将样品与溴化钾（样品：溴化钾 2:100，w/w）混合，在400-4000 cm-1波长范围内进行傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，研究双层纳米纤维的功能基团和分子相互作用。使用万能测试仪以5 mm/min的速度和52 mm的夹距固定样品，评估其拉伸强度（TS）和断裂伸长率（EAB）。
2.8 **比色传感过程**
将Cu-MOF/PCL/PVA NFM传感器切割成直径15 mm的圆片，浸入不同浓度的TC溶液中5分钟。然后加入TMB和H2O2进行比色反应。15分钟后，用肉眼直接观察Cu-MOF/PCL/PVA NFM的颜色变化以进行定性分析。为了定量研究浓度依赖性的颜色变化，使用智能手机相机拍摄图像，并使用Image J软件分析图像的灰度强度。为了确定所设计传感器的选择性，使用前述技术分析了各种抗生素溶液，包括红霉素、环丙沙星、青霉素和多西环素，浓度为150 μg/kg。2.9. 鸡肉样品的制备从当地商店购买了有机和传统鸡肉样品。去除了胸部、翅膀和大腿部分的骨头，然后使用研磨机将所有样品彻底研磨并混合均匀。样品与Na2 EDTAMcIlavaine缓冲液（15g二水合磷酸氢二钠、13g一水合柠檬酸和3.72g EDTA溶解在1升蒸馏水中）混合，并在室温下 vortexed 10分钟。随后，以10,000 RPM（11180 g）离心20分钟。最后，收集上清液，并与含有30 ml 7.5%三氯乙酸和10 ml氯仿的溶液混合以去除脂肪和大分子。根据上述条件混合后的溶液再次离心，然后使用Whatman Grade 4纸过滤器过滤上清液，用于测试（Barros et al. 2023, Hasani et al. 2024）。2.10. 使用Cu-MOF/PCL/PVA NFM在鸡肉中定色检测四环素（TC）通过检查不同TC浓度对灰度强度值的影响来评估Cu-MOF/PCL/PVA NFM检测TC的灵敏度。根据2.9节描述的方法准备了含有不同TC浓度（0、40、85、100、150、200、250 μg/kg）的5克有机鸡肉样品。将Cu-MOF/PCL/PVA NFM传感器浸入含有不同TC浓度的提取鸡肉溶液中，然后用TMB和H2O2（类似过氧化酶的过程）处理后进行定色反应。然后使用Image J软件确定灰度强度指数，并绘制校准图和标准曲线。在本研究中，检测限（LOD）根据以下公式计算：LOD = 3 σ / S（σ是空白样品的标准偏差（n = 10），S是校准曲线的斜率），并将其与可引起传感器肉眼可见颜色变化的鸡肉样品中的四环素最小浓度进行比较（Hasani et al. 2024）。为了评估所设计的定色传感器的检测准确性，使用定色法评估了添加了3种TC浓度（85、150、250 μg/kg）的鸡肉样品。确定了每种TC浓度的回收率。为了进一步验证准确性，在以下条件下使用HPLC分析了添加了相同三种抗生素浓度的鸡肉样品：C18柱，UV检测器，柱温25°C，UV检测器波长=355 nm，流动相由水/乙腈组成，体积比为65.35 v/v，流速=1 mL/min，进样量=20 μL。使用定色法获得的检测结果与HPLC方法获得的结果进行了比较（Hasani et al. 2024）。此外，通过一天内对鸡肉（TC浓度为85 μg/kg）进行五次重复分析来确定日内精确度（重复性），并通过连续三天对同一鸡肉样品进行重复分析来确定日间精确度（再现性）。2.11. 统计分析实验数据以至少三次重复实验的平均值±标准偏差（SD）表示。使用SPSS软件进行统计分析。组间差异通过单因素方差分析（ANOVA）和Tukey的后续检验进行分析。p值小于0.05被认为具有统计学意义。3. 结果与讨论3.1. Cu-MOF的类过氧化物酶活性在各种研究中已经研究了Cu-MOF的类过氧化物酶活性（Li et al. 2024）。通常，在基于类过氧化物酶活性的定色生物传感器设计中，使用如TMB、偶氮双（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）（ABTS）和氧苯二胺（OPD）等显色底物来显示对光学条件的响应变化。多项研究表明，TMB底物在氧化具有内在类过氧化物酶活性的纳米材料方面表现良好。与其他底物相比，使用TMB底物进行过氧化物酶活性检测具有多个优点。例如，阳离子自由基ABTS具有显色性但稳定性较低，大多数研究的底物具有致突变性和致癌性。然而，TMB是非致突变的，尽管它可能是致癌的。尽管如此，TMB方法也有局限性，包括水溶性低，这需要使用特定的有机溶剂来提高溶解度（Elkomy et al. 2024）。在本研究中，选择TMB作为底物来研究Cu-MOF的伪过氧化物酶活性，它在H2O2存在下被氧化，在类过氧化物酶活性过程中形成蓝色化合物。如图1所示，TMB+H2O2混合物是无色的，没有UV-vis吸收。然而，加入Cu-MOF后，无色混合物迅速变为蓝色，5分钟后，氧化产物在可见光区域显示了654 nm的宽吸收带。结果表明，蓝色的形成是由于Cu-MOF催化的TMB底物氧化，形成了TMB氧化物。相应反应的结果是H2O2也同时还原为H2O。TMB氧化产物的吸收谱中的654 nm带是由一个胺（TMB）作为供体和另一个胺（TMB2+）作为受体组成的电荷转移层（Yu et al. 2021）。Cu-MOF的类过氧化物酶活性归因于铜离子的独特氧化还原性质及其在金属-有机框架结构中的特定配位环境。该机制主要涉及铜离子在Cu(II)和Cu(I)状态之间的有效氧化还原循环。在H2O2存在下，Cu(II)中心作为电子受体，引发H2O2分解为活性氧物种。这些高氧化性物种随后容易从显色底物TMB中夺取电子，导致其氧化并产生特征性的蓝色产物。随后，铜物种被再生，完成催化循环（Bahramnejad et al. 2025）。活性位点和配位化学起着关键作用。MOF结构中的可访问铜离子作为活性位点，它们周围的有机配体调节其氧化还原电位和稳定性。MOF的多孔性质确保H2O2和TMB有效扩散到这些活性位点，从而最大化催化效率。这种行为密切模仿了天然过氧化物酶的功能，其中金属中心（在这种情况下是铜）激活H2O2（Sha et al. 2023）。在几项研究中，研究了各种类型的MOF作为类过氧化物酶催化剂。例如，Wu等人（2017）使用Fe3O4@MIL-100(Fe)作为TMB氧化反应的催化剂。此外，Deng等人（2022）探索了Co-MOF的类过氧化物酶活性（Deng et al. 2022）。然而，考虑到铜离子的独特氧化还原性质，本研究中使用Cu-MOF可能具有优势。下载：下载高分辨率图像（176KB）下载：下载全尺寸图像图1. 不同反应涉及TMB + H2O2的UV-Vis光谱，分别称为对照组（1），TMB + H2O2 + Cu-MOF（2）。插图：相应样品的照片。3.2. Cu-MOF的细胞毒性在生物医学应用中使用MOFs可能带来潜在的健康风险。因此，在将其用于生物医学应用之前评估MOFs的兼容性是至关重要的。每种细胞类型在其器官内具有特定功能。因此，细胞对其环境的反应不同。研究表明，金属类型、MOFs的化学组成变化、金属簇和有机配体的多样性以及表面内外的功能修饰可以改变材料或细胞的化学和物理性质。另一方面，诸如细胞毒性范围、疏水/亲水性平衡、与宿主的相互作用、在体内的分布、可生物降解性以及MOFs的毒性排泄等因素在确定其可用性或不可用性方面起着重要作用。因此，在任何MOF的实际应用之前，评估其毒性和生物相容性是必不可少的。通常，MOFs应对宿主细胞造成的伤害最小。因此，研究它们的潜在毒性效应是重要的（Salehipour et al. 2023, Chen et al. 2019）。我们使用MTT检测法研究了Cu-MOF对HEK293细胞的细胞毒性。HEK293细胞是一种源自人类肾细胞的特殊细胞系，通常在实验室中使用。除了肾脏作为身体的毒素过滤器功能外，选择HEK293细胞还因为它们生长最佳且对变化（如氧化应激）有高度反应性（Perumal et al. 2019）。MTT测试测量活细胞的线粒体还原MTT并将其转化为甲斑蓝的能力（由于细胞质膜和线粒体还原酶的作用）。MTT还原为甲斑蓝反映了细胞的线粒体代谢活性。因此，甲斑蓝的吸收直接与细胞数量相关（Oh and Hong 2022）。如图2所示，研究了不同浓度的Cu-MOF对HEK293细胞的影响。与对照组相比，随着Cu-MOF浓度的增加，HEK293细胞的存活率下降。下载：下载高分辨率图像（116KB）下载：下载全尺寸图像图2. Cu-MOF浓度对HEK293细胞系的细胞毒性。Cu-MOF对HEK293细胞的细胞毒性评估显示细胞存活率呈剂量依赖性下降。值得注意的是，在500 μg/mL的浓度下，细胞存活率约为90.16%。虽然这表明较高浓度可能引起更大的细胞毒性效应，但观察到的存活率非常令人鼓舞，特别是考虑到其作为传感材料的预期应用。对于传感应用，材料通常在特定浓度下使用，以最大化信号响应同时最小化脱靶生物效应。在这种情况下，即使在超出典型操作范围（例如，400 μg/mL用于传感）的浓度下，Cu-MOF也表现出低细胞毒性，表明其具有良好的生物相容性。这种观察到的低水平毒性支持Cu-MOF在开发敏感和安全的生物传感平台中的潜在效用，其中对细胞环境的最小干扰至关重要。这一过程与先前的研究结果一致，这些研究报道了Cu-MOF对HEK293细胞、ATCC HTB-22细胞和MTS细胞的细胞毒性是剂量依赖性的，并且随着Cu-MOF浓度的增加而增加（Nehra et al. 2023, Asiri et al. 2023, Gwon et al. 2021）。将我们的Cu-MOF与其他MOFs进行比较是有指导意义的。虽然许多MOFs被探索用于生物医学应用，但它们的生物相容性各不相同。例如，含有有毒金属（如镉）的MOFs通常即使在小剂量下也具有过高的细胞毒性。相反，使用较不具毒性的金属（如某些铁基MOFs）的MOFs往往更具生物相容性，尽管它们仍可能显示出剂量依赖性效应。即使在铜基MOFs中，结果也可能有所不同。一些研究报道Cu-MOF具有显著的细胞毒性，可能是由于颗粒大小或合成方法的差异，导致铜离子释放率不同（Farasati Far et al. 2024）。基于Cu MOF纳米酶开发的分析方法是非破坏性的；这确保了检测后原始家禽样品保持完整。此外，对Cu MOF纳米颗粒进行的毒性研究具有双重目的：不仅验证了传感平台在实验条件下的稳定性，还确认了直接接触传感器及其组件的操作人员的安全性。这些评估保证了活性纳米酶的生物特性不会对实验室人员造成任何显著的生物风险，并且所有测量结果仅归因于传感器检测四环素的有效性。3.3. Cu-MOF和静电纺丝传感器的鉴定与表征3.3.1. FE-SEM图中展示了含铜MOF纳米结构和包含Cu-MOF/PCL/PVA NFM的静电纺丝传感器的SEM图像（图3A、B、C）。图像清楚地显示Cu-MOF的形态由多面体晶体组成，平均粒径为325纳米。此外，还观察到样品表面有一些不规则颗粒。获得的结果与其他研究中报道的Cu-MOF的晶体形态一致（Yu et al. 2021, Nivetha et al. 2020, Lee et al. 2022）。Cu-MOF在静电纺纳米纤维中的分布导致了珠状纳米纤维的形成，这一现象在FE-SEM图像中清晰可见（图3D，E,F）。含有MOF的纳米纤维的平均直径为213纳米。此外，MOFs在纳米纤维中分布均匀，没有出现聚集或形成大结的情况。Cu-MOF/PCL/PVA纳米纤维的成功合成以及其适宜的纤维直径，与优化的静电纺丝条件和最终产品的键合特性密切相关。静电纺丝溶液的制备温度会改变聚合物溶液的粘度，同时溶液中自由离子的增加也会提高溶液的电导率。这些因素都会影响聚合物分子的拉伸情况，从而影响纳米纤维的均匀性和直径（Asiri等人，2023年；Kiadeh等人，2021年）。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像 图3. Cu-MOFs（A，B，C）和Cu-MOF/PCL/PVA纳米纤维（D，E，F）的SEM图像。

3.3.2 傅里叶变换红外光谱（FTIR）
为了确保Cu-MOF被封装在静电纺纳米纤维结构中，测量了纯PCL和PVA静电纺纳米纤维、Cu-MOF以及Cu-MOF/PCL/PVA纳米纤维传感器的FTIR光谱，以监测IR光谱的变化，如图4所示。纯聚合物的光谱在1731、2866、2948、3442 cm?1以及1045至1296 cm?1范围内显示出特征峰。这些峰分别对应于PCL和PVA结构中的OH基团、C-H的弯曲和拉伸振动、C=O基团的拉伸振动以及酯C-O基团的拉伸振动（Bahramian等人，2025年；Khaleel等人，2024年）。在FTIR光谱中，Cu-MOF的所有IR带与先前的研究结果一致（Liu等人，2021b年；Rani等人，2019年）。该光谱主要包含苯键的振动。3442 cm?1处的峰是由于样品中存在O-H键，表明合成样品中含有一定量的水分。下载：下载高分辨率图像（375KB）下载：下载全尺寸图像 图4. Cu-MOFs、PCL和PVA静电纺纳米纤维以及Cu-MOF/PCL/PVA纳米纤维的FT-IR光谱。2933 cm?1处的峰对应于芳香族C-H基团。与先前的研究一致，1200至1700 cm?1范围内的峰归因于羧酸盐基团的存在。1373 cm?1和1639 cm?1处最强烈的带分别对应于羧酸盐基团的COO不对称拉伸模式和对称拉伸模式。1100 cm?1以下的波数与苯环（C-C）的振动模式相关。1103 cm?1、761 cm?1和728 cm?1处的峰可能是由于苯环的平面内和平面外弯曲振动引起的。488 cm?1处的特定峰对应于O-Cu振动，表明铜与有机配体之间的键合（Nivetha等人，2020年；Neisi等人，2019年）。Cu-MOF/PCL/PVA纳米纤维与纯PCL和PVA的光谱表现出相同的峰。加入Cu-MOF后，Cu-MOF/PCL/PVA纳米纤维的主峰强度略有增加，这可能与Cu-MOF峰在纳米纤维上的重叠以及Cu-MOF与PCL之间形成的氢键有关。类似地，Liu等人（Liu等人，2021年）报告称TiO2/Cu-MOF/PPy复合材料的FTIR光谱主峰与对照组有变化。Zirak Hassan Kiadeh等人（Kiadeh等人，2021年）证明，在果胶和聚乙烯氧化物中加入Cu-MOF后，C-O-C和C-C键的拉伸振动强度增加。

3.3.3 断裂伸长率和抗拉强度
纯静电纺PCL纳米纤维的抗拉强度（TS）为12.2 ± 0.8 MPa，断裂伸长率（EAB）为9.3 ± 1.1%。与纯PCL纳米纤维膜相比，加入Cu-MOF后，其机械性能得到提升，抗拉强度和断裂伸长率均有所增强。Cu-MOF的加入可能增加了纳米纤维结构的密度，并缩短了侧链之间的距离（Dou等人，2020年）。另一方面，在Cu-MOF/PCL纳米纤维上静电纺PVA并制成双层传感器后，抗拉强度（TS）从16.4 MPa提高到23.8 MPa，断裂伸长率（EAB）从11.5%提高到17.04%，这归因于PCL/PVA聚合物分子之间形成了强分子间键，同时聚合物基链的流动性和灵活性也得到了增强（Akbarzadeh等人，2020年）。因此，制备的Cu-MOF/PCL/PVA纳米纤维传感器表现出良好的机械性能。Chen等人（Chen等人，2021年）的研究也得到了类似的结果。

3.4 设计的传感器：比色检测
本研究讨论了使用基于Cu-MOF及其类过氧化物酶活性的固体比色传感器进行评估的概念。如PCL/PVA等具有适当机械性能和高强度的聚合物，在静电纺丝过程中可以通过氢键为MOFs提供稳定位点，含有Cu-MOF的纳米纤维可作为进行类过氧化物酶反应的合适固体传感器基底（Abedalwafa等人，2019年）。Cu-MOF/PCL/PVA纳米纤维传感器被构建为一个比色平台，初始呈白色。如图5A所示，暴露于TMB和H2O2后，由于纳米纤维中封装的Cu-MOF的类过氧化物酶作用和催化作用，传感器颜色变为深蓝色。作为对照样品的样本不含TC，通过观察不同浓度TC对传感器颜色的影响来研究其效果。然而，Cu-MOF与TC有强烈的反应倾向，导致其催化活性降低，从而减少或抑制了TMB氧化物的形成，使蓝色强度发生变化。因此，随着TC浓度的增加，传感器颜色从浅蓝色变为白色。这些颜色变化肉眼可见，从100 μg/kg的浓度开始，直至250 μg/kg时变为蓝白色。为了验证固体传感器的比色准确性，研究了不同浓度TC对灰度强度的影响。如图5B所示，随着TC浓度的增加，蓝色强度减弱，而灰度强度显著上升。下载：下载高分辨率图像（166KB）下载：下载全尺寸图像 图5. Cu-MOF/PCL/PVA纳米纤维与TMB和H2O2（对照）以及TMB、H2O2和TC（100, 250 μg/kg）相互作用后的照片（A）。不同浓度TC（0, 100, 250 μg/kg）对灰度强度的影响（B）。

3.5 选择性
在禽业中，除了抗生素TC外，还会使用各种兽药。这些药物可能会在动物源性食品中留下残留。因此，Cu-MOF/PCL/PVA纳米纤维比色传感器必须能够有效区分抗生素TC与其他抗生素，展现出选择性。本研究测试了红霉素、环丙沙星、青霉素和多西环素对比色传感器的影响，以评估其选择性，并与四环素进行比较。如图6所示，当传感器暴露于红霉素、环丙沙星和多西环素时，与对照组（仅含TMB和H2O2）相比，肉眼观察不到明显的颜色变化，表明这些抗生素没有抑制Cu-MOF的催化活性。青霉素引起的颜色变化在灰度分析中大约弱15%，而四环素则表现出明显的强烈颜色响应，表明其对Cu-MOF催化活性的抑制作用显著较低。通过比较图6中的数据可以看出，涂有四环素的传感器的灰度强度明显高于其他抗生素，这些结果证实了基于Cu-MOF的系统在四环素选择性检测方面表现良好。

3.6 使用Cu-MOF/PCL/PVA纳米纤维检测鸡肉中的TC
研究了Cu-MOF/PCL/PVA纳米纤维传感器对鸡肉中添加的不同浓度TC的比色应用。如图8A所示，随着TC浓度从85 μg/kg增加到250 μg/kg，设计传感器的深蓝色强度逐渐减弱，颜色向非常浅的蓝色转变，表明类过氧化物酶活性随TC浓度的增加而降低。如图7所示，研究的Cu-MOF传感器对四环素（TC）表现出显著的选择性，这一点通过绿色勾号得到确认，而青霉素G和环丙沙星则没有明显响应。这种高选择性直接与TC和Cu-MOF结构之间的特异性结合机制相关，也与相关的结构化学因素有关。Cu-MOF的类过氧化物酶活性被TC抑制的主要机制是TC与MOF结构中的铜离子（Cu2?）形成稳定复合物，其中TC作为强螯合剂。这种相互作用通过多种分子和结构机制实现：首先，TC的功能基团（尤其是β-二酮部分）与Cu2?离子形成强共价键，导致TC与底物（TMB）竞争active Cu2?位点，从而破坏催化循环（Nehra等人，2023年；Zhang等人，2022年；Guerra等人，2016年）。其次，Cu-MOF的功能基团（如O-H和C=O）与TC的功能基团（如酰胺-NH和-OH）之间形成的氢键有助于稳定该复合物。此外，Cu-MOF的酸性配体与TC的碱性基团之间的静电相互作用也起到吸附和稳定的作用。尽管表面失活或结构变形等机制作为主要抑制因素的可能性较低，但也不能完全排除（Hasani等人，2024年；Khezerlou等人，2023a）。然而，考虑到青霉素G和环丙沙星没有类似效应，强有力的证据表明Cu-TC之间的直接螯合是主导抑制机制。这些发现与先前的研究结果一致，支持了Cu-MOF对TC的选择性抑制作用（Chouhan等人，2022年；Marcial等人，2011年；Wang等人，2023年）。进一步证实了这一选择性时，考虑Cu-MOF的化学结构及其与TC的相互作用至关重要。Cu-MOF中的金属中心作为路易斯酸，与客体分子上的路易斯碱性位点形成配位键。四环素具有多个官能团，如羟基（-OH）、胺基（-NH）和酮基（C=O）及醚键（C-O-C），含有大量带有自由电子对的氧和氮原子，使其成为与铜离子配位的合适候选物（Singh等人，2023年；Raykova等人，2023年）。此外，四环素相对平面且刚性的结构及其功能基团的适当排列使其适合嵌入Cu-MOF的孔隙中，有利于与铜中心的相互作用，从而实现最佳螯合或配位（Sankhla等人，2025年）。相比之下，青霉素G尽管含有酰胺和羟基等功能基团，环丙沙星含有羧酸基团和哌嗪环氮原子，但可能无法像四环素那样与铜离子形成强烈或大量的配位键，这可能是由于整体结构、配位原子的空间排列、空间位阻或不同的电子特性（例如青霉素G中的β-内酰胺环或环丙沙星中的氟原子和芳香环）所致（Bo?i? Cvijan等人，2023年）。这些发现表明，Cu-MOF-TC复合物抑制了Cu-MOF参与H2O2和TMB之间的显色催化反应。这种相互作用主要导致样品颜色从深蓝色变为浅蓝色。在图8B中可以看到，使用Image J软件计算出的灰色强度在TC浓度较高时增加。颜色强度变化与TC浓度之间的比较表明，在高浓度下传感器呈现接近白色的外观。在该图中，蓝色强度与TC浓度呈强线性相关。相关方程为y = 0.4815x + 80.304，R2 = 0.9679，其中y表示颜色强度的响应值，x表示TC浓度。在这项研究中，开发了一种基于聚合物的传感器，利用Cu-MOF来检测四环素（TC），并取得了有希望的结果。传感器响应曲线在0到250 μg/kg范围内的线性表明其在实际测量中的高准确性和重复性。传感器的检测限（LOD）为82 μg/kg，明显低于欧盟对鸡肉的最大残留限（MRL）100 μg/kg（Khezerlou等人，2023b），确保其符合法规要求，并适用于食品安全监测。这一LOD也接近视觉检测限（85 μg/kg）。尽管LOD和MRL之间的差距可能看起来很小，但该传感器的主要目标是在性能、成本和易用性之间实现成本效益的平衡。虽然LOD较低的传感器通常更复杂且价格更高，但我们的基于聚合物的传感器提供了较低的生产成本下的可接受性能，为更广泛的应用提供了实用的解决方案。报告完整的线性范围（0到250 μg/kg）可以全面了解传感器的能力，未来的研究可以进一步优化以实现更低的LOD，同时保持当前的优势。这表明Cu-MOF/PCL/PVA NFM传感器的灵敏度是合适的。关于TC测量方法的前期研究数据见表1。与Qing Fu等人（Fu等人，2021年）的研究结果相比，他们设计了一种基于还原碳点（r-CD）的双模式荧光和比色纳米传感器用于TC检测，其LOD为0.46 μM，高于Cu-MOF/PCL/PVA NFM传感器的比色传感器的LOD。Zhang等人（Zhang等人，2020年）开发的比色传感器基于金（AuNCs）的固有过氧化物酶样活性，该传感器的TC检测限为46 nM，该方法用肉眼可检测的浓度估计为0.5 μM。Khezerlou等人（Khezerlou等人，2023b）的研究中使用了一种基于铬(III)-金属有机框架的荧光传感器进行TC的快速检测，LOD报告为0.78 ng/mL。总体而言，与其他液体和基于溶液的传感器相比，Cu-MOF/PCL/PVA传感器具有优势，如固态形式、无需专用设备、便携性和易用性。

图表8：Cu-MOF/PCL/PVA NFM的颜色变化与添加到鸡肉中的不同浓度TC（0, 40, 85, 100, 150, 200, 250 μg/kg）相关（A）。Cu-MOF/PCL/PVA NFM在不同TC浓度下的标准曲线图（B）。

表1. 不同TC抗生素检测方法的比较。

| 样品 | 检测方法 | 汇聚物材料 | 线性范围 | LOD | 参考文献 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 鸡肉 | 比色法 | Cu-MOF/PCL/PVA | 是 | 0-250 μg/kg | 82 μg/kg | 本研究 |
| 鸡肉、鸡蛋 | 电化学法 | GCE修饰有AuNPs和多壁碳纳米粒子 | 是 | 20-160 ng/mL | 42 ng/mL |
| 鸡肉、鸡蛋 | 荧光法 | Cr(III)-MOF | 否 | 5–45 ng/mL | 0.78 ng/mL | （Khezerlou等人，2023b） |
| 水、牛奶和鸡肉 | 荧光/电化学法 | Fe3O4-Apt/cDNA-MOF-MB | 是 | 1.00×10^-9 -1.00×10^-4 g/mL | 1.69×10^-10 - 1.15×10^-10 g/mL | （Yang等人，2024） |
| 鱼、羊肉、牛肉、鸡肉、猪肉、鸡蛋、牛奶和蜂蜜 | 荧光法 | BCDs-Eu/CMP-cit | 是 | 0.05-30 μM | 8 nM | （Hu等人，2020） |
| 鸡肉 | UPLC-MIP-MOF | 否 | 0.5–200 ng/mL | 0.2 ng/g | （Ma等人，2020） |
| 鸡肉和肝脏 | HPLC | 否 | 50–5000 ng | 5 ng | （Shalaby等人，2011） |
| 鸡肉肌肉 | UPLC-FLD | 否 | 35.2–500 | 0.0 μg/kg | 6.1 μg/kg | （He等人，2022） |
| 牛奶 | 比色法 | Cu@CS/PEO NFM | 是 | - | 65 μg/kg | （Cao等人，2022） |
| 水和牛奶 | 比色法 | 铁(III)浸渍的海藻酸/PAN NFM | 是 | 5-1000 | 5 μg/kg | （Li等人，2018） |
| 液体牛奶和固体牛奶 | 比色法 | 金纳米簇 | 否 | 1–16 μM | 46 nM | （Zhang等人，2020） |
| 牛奶、蜂蜜和猪肉 | 比色法 | G-四链DNA酶 | 否 | - | 3.1 nM | （Tang等人，2022） |
| 废水 | 荧光/比色法 | r-CDs | 否 | 0.001-600 mM | 1.73 nM - 0.46 μM | （Fu等人，2021） |
| 水 | 荧光法 | Al-MOF@Mo/Zn-MOF | 否 | 0.001–53.33 μM | 0.53 nM | （Li等人，2020） |
| 水 | 荧光法 | Ln-MOF (Tb-L1) | 否 | 0.06–10 μg/mL | 8 ng/mL | （Li等人，2021） |

3.7. 比色传感器与HPLC在真实样品中测量TC的比较

根据前面的部分，Cu-MOF/PCL/PVA NFM传感器已被证明是检测真实样品中不同浓度四环素的有效方法。为了确保所研究方法的准确性，对这种传感器和HPLC在鸡肉样品中的检测结果进行了比较。如表2所示，使用Cu-MOF/PCL/PVA NFM传感器检测到的鸡肉样品中TC的平均浓度分别为84.500、151.633和254.433 μg/kg（n=3），回收率范围为99.40%至101.77%，相对标准偏差（RSD）小于4.6%。相比之下，HPLC检测到的鸡肉样品中TC的平均浓度分别为84.40、150.70和252 μg/kg。这些结果未显示出两种方法之间有显著差异，进一步证实这种新的比色传感器适用于检测真实样品中不同浓度的TC。Cu-MOF/PCL/PVA NFM传感器在85 μg/kg TC浓度下的重复性和再现性RSD分别为5.15%和9.43%。

表2. Cu-MOF传感器与HPLC方法在检测鸡肉中添加TC浓度方面的准确性和再现性比较。

| 添加量（μg/kg） | Cu-MOF/PCL/PVA NFM基于比色法的检测结果 | HPLC检测结果 |
| ---------- | ------------------ | ------------------ |
| 85 | 84.5 | 99.40 | 4.6 |
| 150 | 151.6 | 99.4 | 4.4 |
| 250 | 254.4 | 101.7 | 2.7 |

Cu-MOF/PCL/PVA NFM比色传感器用于评估非有机鸡肉样品中的四环素（TC）浓度。按照指定的方法（第2.9节），每公斤样品准备了1公斤样品，以准确测量每公斤肉中的TC浓度。根据使用比色传感器和灰色强度校准曲线进行的调查，在所有样品中，TC的浓度均未超过最大残留限（MRL）100 μg/kg。

4. 结论

总之，使用磁力搅拌法成功合成了具有适当结构和晶体特性的Cu-MOF，并通过静电纺丝过程将Cu-MOF颗粒有效地封装在PCL聚合物结构中。开发了具有良好过氧化物酶样特性的双层Cu-MOF/PCL/PVA NFM，作为检测鸡肉样品中四环素（TC）的比色传感器。设计的Cu-MOF/PCL/PVA NFM传感器具有独特的优点，如适当的强度、固态结构、便于携带、选择性、肉眼可检测以及低于允许限的检测限（LOD）。通过比色法和HPLC获得的检测结果比较表明，所设计传感器的准确性和灵敏度是合适的。将Cu-MOF封装在聚合物载体中不仅消除了MOFs在液体环境中的局限性，还为进行比色反应提供了合适的固体基底。考虑到其简单的制备工艺，与更昂贵和耗时的方法相比，它提供了成本效益高且时间效率高的选择，同时仍保持了可接受的灵敏度和回收率。此外，鉴于Cu-MOF在实验室条件下对HEK293细胞的低细胞毒性，所设计的传感器显示出作为生物传感器的潜力。根据这些结果，可以得出结论，Cu-MOF/PCL/PVA传感器可用作其他食品样品中TC残留量的比色传感器。后续研究将进行系统稳定性评估，包括长期储存稳定性和操作寿命。当前的工作提供了机械和短期操作稳定性的初步证据，支持了该传感器用于快速筛查的可行性。

CRediT作者贡献声明：
Yousef Khaledian：方法学（平等贡献）、正式分析、数据管理、撰写-原始草稿。
Morteza Fathi：调查（平等贡献）、撰写-审核和编辑、可视化。
Mohammadreza Pajohi-Alamoti：验证、方法学（平等贡献）。

伦理声明：
作者声明该研究未涉及人类参与者、动物实验或需要机构审查委员会伦理批准的任何数据收集。所有工作均符合期刊的伦理标准。