電化學(xué)傳感器在抗生素檢測(cè)中的應(yīng)用

朱 鳴

(揚(yáng)州大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇省環(huán)境材料與環(huán)境工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 揚(yáng)州 225127)

隨著抗生素在全球的普遍使用，環(huán)境中普遍存在人為產(chǎn)生的各種抗生素，且含量有持續(xù)增高之趨勢(shì)。這些藥物很少被完全代謝，并被身體排出體外。即使?jié)舛确浅５?，這些藥物也會(huì)對(duì)人類造成巨大危險(xiǎn)，而且還會(huì)影響當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。在中國(guó)，從受納排水的局部水體中，每升水中的抗生素含量可能達(dá)到數(shù)百、數(shù)萬納克甚至更高，在水源地含量一般在1～50 ng/L的范圍內(nèi)。這個(gè)問題說明了對(duì)一項(xiàng)可靠檢測(cè)技術(shù)的重大需求，該技術(shù)可以在將水分配給環(huán)境和個(gè)人消費(fèi)之前持續(xù)快速地檢測(cè)這些有害難降解的有機(jī)物[1-2]。

用于分析水中污染物的最廣泛使用的方法存在許多缺點(diǎn)。比如用固相萃取技術(shù)分離藥物，然后用液相色譜或氣相色譜結(jié)合質(zhì)譜鑒定和定量。這種技術(shù)非常靈敏(定量限為0.1×10-12)并且準(zhǔn)確，但是該技術(shù)需要體積龐大的昂貴設(shè)備、培訓(xùn)過的人員以及漫長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)和準(zhǔn)備時(shí)間。為了緩解該問題，需要一種傳感器，它相對(duì)于現(xiàn)有方法的檢測(cè)可靠性高，并且成本顯著降低，易用性高，便攜性好以及更快速的分析方法[3]。電化學(xué)傳感器越來越多地應(yīng)用于工業(yè)，醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，因?yàn)樗鼈兊姆€(wěn)定性好且敏感，經(jīng)濟(jì)效益高以及快速的分子檢測(cè)形式。這種轉(zhuǎn)換機(jī)制允許通過測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移的變化來檢測(cè)氣體、生物分子、殺蟲劑和其他化學(xué)品[4]。

1 納米電化學(xué)傳感器

納米材料是一種尺寸通常在1～100 nm之間的材料，包括機(jī)械阻抗、良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性，良好的生物相容性等一系列特性，并且它們的表面可以通過化學(xué)程序輕松修改。

1.1 碳納米材料電化學(xué)傳感器

碳納米材料比表面積大、導(dǎo)電率高、電催化性能好，已被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)傳感器材料的基底構(gòu)建。其中，石墨烯、碳黑(CB)、碳納米管和納米金剛石(ND)等碳納米材料在不同的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)成功地進(jìn)行了探索。

Simioni[5]等人通過探索修飾納米金剛石于玻碳電極(GCE)用來測(cè)定抗結(jié)核藥物吡嗪酰胺，研究了裸GCE和ND修飾GCE的形態(tài)和電化學(xué)特性，觀察到ND-GCE上電活性表面積和電子轉(zhuǎn)移能力的顯著增強(qiáng)。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，用SWV構(gòu)建的PZA曲線的線性范圍為7.9×10-7～4.9×10-5mol/L，檢測(cè)限為2.2×10-7mol/L。提出的伏安法成功應(yīng)用于生物樣品中PZA的測(cè)定，且回收率優(yōu)異。Manel[6]等制備了硼摻雜金剛石電極檢測(cè)左氧氟沙星，并使用循環(huán)伏安法和方波伏安法進(jìn)行電化學(xué)研究，該傳感器的LOD和LOQ分別是2.88和9.60 μmol/L，且制備簡(jiǎn)單、分析時(shí)間短。

Zhang[7]等通過在室溫下誘導(dǎo)氧化石墨烯(RGO)經(jīng)鋅箔自組裝制備三維簡(jiǎn)化的氧化石墨烯(3DRGO)，并用于氯霉素(CAP)的檢測(cè)。在pH值為7.4時(shí)，電活性表面積大大增加，電轉(zhuǎn)移電阻降低，對(duì)CAP檢測(cè)靈敏度提高。此外，該傳感器具有良好的抗干擾能力，重現(xiàn)性，穩(wěn)定性和較寬的線性檢測(cè)范圍，檢測(cè)限低，樣品分析結(jié)果令人滿意。3DRGO傳感器制備簡(jiǎn)單，快速而且對(duì)CAP檢測(cè)有效，有助于開發(fā)先進(jìn)的基于石墨烯的界面電極材料進(jìn)行電化學(xué)傳感檢測(cè)。

Patricia[8]等提出了一種同時(shí)測(cè)定重要抗生素(阿莫西林- AMX)和抗炎藥(尼美舒利-NIM)的電分析方法，可以廣泛使用。在這種方法中，使用固定在磷酸二(十六烷基酯)(DHP)膜中的炭黑(CB)修飾的玻璃碳(GC)底物用作電化學(xué)傳感器(CB-DHP/GC)。使用方波伏安法和0.2 mol/L磷酸鹽緩沖液(pH值7.0)作為支持電解質(zhì)，用新型CB-DHP/GC傳感器獲得了AMX和NIM氧化峰電位之間的180 mV，AMX和NIM的檢測(cè)限分別為0.12 μmol/L和0.016 μmol/L。這種新的電分析方法已成功用于同時(shí)測(cè)定生物尿液和環(huán)境樣品中的AMX和NIM。

1.2 金屬納米顆粒電化學(xué)傳感器

金屬納米顆粒的比表面積大，提高其活性催化能力，并增強(qiáng)待測(cè)分子與電極之間的電子轉(zhuǎn)移能力；同時(shí)，金屬納米顆粒能為生物活性分子提供適宜的環(huán)境，從而有效放大電化學(xué)傳感器的分析脈沖信號(hào)。

Gan[9]等通過對(duì)鐵/鋅陽離子交換蒙脫土(Fe/Zn-MMT)催化劑進(jìn)行改性，開發(fā)了一種簡(jiǎn)單新穎的電化學(xué)傳感器，用于測(cè)定四環(huán)素(TC)，一種可誘導(dǎo)食物鏈中殘留的抗生素。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器在十二烷基硫酸鈉存在下對(duì)TC的氧化具有良好的電催化活性。該傳感器通過使用微分差分脈沖伏安法顯示0.30～52.0 μmol/L的寬線性范圍和0.10 μmol/L的低檢測(cè)限。此外，電化學(xué)傳感器可應(yīng)用于飼料和肉類樣品中TC的檢測(cè)。

謝少文[10]等研究了納米多孔級(jí)Pd-HSiO1.5/Ni-Co復(fù)合電極應(yīng)用于土霉素及強(qiáng)力霉素的檢測(cè)，使用電沉積的方法將Pd-HSiO1.5修飾于電極表面，并得出最佳實(shí)驗(yàn)溫度為25℃，催化反應(yīng)受擴(kuò)散控制。其中，土霉素的檢測(cè)線性范圍是4.0×10-4～4.9×10-8mol/L，檢測(cè)限為1.0×10-8mol/L；強(qiáng)力霉素的檢測(cè)線性范圍是4.0×10-4～5.0×10-8mol/L，檢測(cè)限為5.0×10-8mol/L；四環(huán)素的檢測(cè)線性范圍是4.0×10-4～5.0×10-8mol/L，檢測(cè)限為5.0×10-8mol/L。該傳感器重現(xiàn)性較好，精確度高，對(duì)氨芐青霉素鈉和利福平等抗生素的抗干擾性強(qiáng)。

1.3 金屬納米氧化物電化學(xué)傳感器

納米金屬氧化物通常具有化學(xué)惰性、熱穩(wěn)定性好、毒性低等優(yōu)點(diǎn)，利用其大的比表面積與良好的生物相容性，可以作為優(yōu)異的電極基底材料。常見的金屬氧化物納米材料有 Fe3O4、ZnO、TiO2等Petr Jakubec[11]等開發(fā)了一種用于檢測(cè)抗生素氯霉素(CAP)的新型簡(jiǎn)單電化學(xué)傳感器。該傳感器的擴(kuò)增策略是基于用羧甲基纖維素(CMC)穩(wěn)定的磁性納米結(jié)構(gòu)和金納米顆粒(Au NPs)修飾的磁性納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。在這種情況下，CMC起到穩(wěn)定劑的作用，防止Fe3O4納米粒子的聚集，從而使電子傳輸?shù)膭?dòng)力學(xué)障礙得以克服，并且Au納米粒子作為電子傳導(dǎo)隧道用于更好的電子傳輸。電化學(xué)測(cè)量證實(shí)了CMC和Au NPs的協(xié)同作用，兩者都顯著提高了Fe3O4-CMC @ Au納米復(fù)合材料的電導(dǎo)率，從而為CAP電化學(xué)傳感提供了更高的靈敏度，重復(fù)性和選擇性，線性范圍(2.5～25 μmol/L)，檢測(cè)限(0.066 μmol/L)。此外，這里描述的傳感器具有許多有吸引力的特征，例如簡(jiǎn)單性，快速性，低成本，并且不需要特定標(biāo)簽。Sara[12]等開發(fā)了一種簡(jiǎn)單靈敏的傳感器用于環(huán)丙沙星(CF)的電化學(xué)測(cè)定。 所提出的傳感器是通過摻入碳糊電極(CPE)中的殼聚糖涂覆的Fe3O4磁性納米粒子設(shè)計(jì)的，其為CF的電化學(xué)測(cè)定提供顯著改進(jìn)的靈敏度。在最佳條件下，該傳感器提供了兩個(gè)線性差分脈沖伏安響應(yīng)范圍為0.05～6 μmol/L，CF為6～75 μmol/L，檢測(cè)限為0.01 μmol/L。該傳感器表現(xiàn)出高靈敏度和良好的選擇性，并成功地應(yīng)用于血清和尿液樣品中的CF測(cè)定。

2 電化學(xué)免疫傳感器

電化學(xué)免疫傳感器是一種將免疫反應(yīng)和傳感技術(shù)相結(jié)合的一種新型電化學(xué)生物傳感器，通過固定化抗原(抗體)，與分析物發(fā)生特異性反應(yīng)，從而發(fā)生電信號(hào)的改變。該傳感器可以實(shí)現(xiàn)在體檢測(cè)、不受樣品性質(zhì)的干擾、設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)異。

鄭舒[13]等將高溫煅燒過的Nb2O5及GCE作為工作電極，修飾殼聚糖和特異性抗體，分別構(gòu)建Ab-MNPs-CS/GCE及Ab-MNPs-CS/Nb2O5兩種免疫傳感器，利用循環(huán)伏安法和電化學(xué)阻抗譜對(duì)四環(huán)素進(jìn)行檢測(cè)，在0.04～1 ng/mL的線性范圍內(nèi)線性關(guān)系較好，最低檢測(cè)限達(dá)到0.0224 ng/mL。該傳感器抗干擾能力強(qiáng)，選擇性好，回收率高，能保存長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月，穩(wěn)定性很好。

闕小華[14]等在氧化石墨烯基底上原位生成Pt-石墨烯復(fù)合物，構(gòu)建競(jìng)爭(zhēng)性免疫傳感器，利用LSV檢測(cè)抗生素。在優(yōu)化條件下，該傳感器電信號(hào)對(duì)四環(huán)素濃度呈反比，線性范圍0.05～100 ng/mL，檢測(cè)限為6.0 pg/mL；對(duì)氯霉素的響應(yīng)線性范圍是0.1～100 ng/mL，檢測(cè)限為0.03 ng/mL。

3 電化學(xué)適配體傳感器

電化學(xué)適配體傳感器是利用導(dǎo)電性能良好的基底材料修飾相應(yīng)抗生素的核酸適配體的一種傳感器，該類傳感器特異性較好、線性范圍大、檢出限較低，已成為抗生素檢測(cè)領(lǐng)域的熱門。

馮榮榮[15]等構(gòu)建了兩種核酸適配體電化學(xué)傳感器，先將石墨烯和金納米顆粒通過電沉積修飾到玻碳電極表面，以作為適配體的載體。所制備的適配體傳感器可以對(duì)卡那霉素和鏈霉素進(jìn)行定量測(cè)定，利用循環(huán)伏安法、電化學(xué)阻抗譜、微分脈沖伏安法，卡那霉素和鏈霉素的檢測(cè)限分別為0.03 pmol/L和0.3 pmol/L。該傳感器重現(xiàn)性良好、靈敏度高、選擇性好、較為穩(wěn)定。

劉順[16]等構(gòu)建了石墨烯-銀納米粒子復(fù)合物修飾電極(rGO/Ag NPs)，在其表面組裝氯霉素(CAP)核酸適配體，即可得到電化學(xué)適配體傳感器。該傳感器在對(duì)溶液中的CAP識(shí)別分析后，CAP在材料的催化作用下產(chǎn)生電化學(xué)信號(hào)。基于靶向識(shí)別作用和電信號(hào)檢測(cè)機(jī)制，該傳感器成功用于牛奶中氯霉素殘留的選擇性檢測(cè)。

4 分子印跡電化學(xué)傳感器

MIP通常通過將聚合物通過特定分子壓印在基底上來獲得。該特定分子是分析物，稱為模板。模板分子產(chǎn)生特異性的空腔以便在散裝溶液中進(jìn)行檢測(cè)。去除模板留下結(jié)構(gòu)中的空腔，其大小，形狀和相互作用模式與模板分子互補(bǔ)。然后聚合物可以以非常高的親和力和特異性重新結(jié)合模板分子。以低成本的人造受體以及良好的機(jī)械、熱和化學(xué)性質(zhì)使得這些合成材料可以選擇性地靶向來自化學(xué)物質(zhì)混合物的分子。

Yang[17]等通過一種簡(jiǎn)便的方法用于制備MWCNTs @ MIP用于CAP的電化學(xué)測(cè)定。 C16VimCl不僅起到了新型功能單體的作用，而且促進(jìn)了MWCNT在MWCNT表面上的分散。同時(shí)應(yīng)用三維P-r-GO和CKM-3修飾GCE增強(qiáng)應(yīng)答信號(hào)。所得到的傳感器表現(xiàn)出對(duì)CAP的敏感和選擇性反應(yīng)，并被應(yīng)用于實(shí)際樣品中CAP的檢測(cè)。這項(xiàng)工作為MWCNTs @ MIP傳感器的制備提供了一個(gè)有用的平臺(tái)。

Bagheri[18]等成功地制造了Fe3O4-MWCNTs-MIP / CPE作為高選擇性和靈敏的電化學(xué)傳感器。由于Fe3O4-MWCNTs的協(xié)同作用(例如良好的電化學(xué)性質(zhì)和大的表面積)和MIP(例如作為識(shí)別元件的高親和力)，發(fā)現(xiàn)Fe3O4-MWCNTs-MIP修飾的CPE具有線性響應(yīng)對(duì)于CF的范圍為0.005～0.850 mmol/L，具有0.0017 mmol/L的低檢測(cè)限，這意味著合成的納米復(fù)合材料是用于電化學(xué)測(cè)定CF的優(yōu)異的傳感材料。此外，CF的定量檢測(cè)可以使用電化學(xué)傳感器以比臨床實(shí)踐中的大多數(shù)可用的CF測(cè)定方法更容易的方式進(jìn)行，且可用于制藥工業(yè)中的質(zhì)量控制。

5 電化學(xué)阻抗傳感器

Michael[19]等表明納米多孔膜與EIS結(jié)合，是一種有效的識(shí)別水中紅霉素濃度范圍的策略。由傳感器上紅霉素結(jié)合產(chǎn)生的測(cè)量阻抗變化表明樣品濃度與產(chǎn)生的電信號(hào)之間存在非線性關(guān)系。與目前的分析方法相比，該傳感器具有相似的靈敏度，但顯著降低了色譜和質(zhì)譜技術(shù)相關(guān)的時(shí)間，成本和復(fù)雜性。這里介紹的傳感器有可能發(fā)展成一個(gè)多元化裝置，用于水樣的高靈敏度和選擇性檢測(cè)。