电化学传感器在抗生素检测中的应用

朱 鸣

(扬州大学 环境科学与工程学院 江苏省环境材料与环境工程重点实验室，江苏 扬州 225127)

随着抗生素在全球的普遍使用，环境中普遍存在人为产生的各种抗生素，且含量有持续增高之趋势。这些药物很少被完全代谢，并被身体排出体外。即使浓度非常低，这些药物也会对人类造成巨大危险，而且还会影响当地的生态环境。在中国，从受纳排水的局部水体中，每升水中的抗生素含量可能达到数百、数万纳克甚至更高，在水源地含量一般在1～50 ng/L的范围内。这个问题说明了对一项可靠检测技术的重大需求，该技术可以在将水分配给环境和个人消费之前持续快速地检测这些有害难降解的有机物[1-2]。

用于分析水中污染物的最广泛使用的方法存在许多缺点。比如用固相萃取技术分离药物，然后用液相色谱或气相色谱结合质谱鉴定和定量。这种技术非常灵敏(定量限为0.1×10-12)并且准确，但是该技术需要体积庞大的昂贵设备、培训过的人员以及漫长的实验和准备时间。为了缓解该问题，需要一种传感器，它相对于现有方法的检测可靠性高，并且成本显著降低，易用性高，便携性好以及更快速的分析方法[3]。电化学传感器越来越多地应用于工业，医学和农业领域，因为它们的稳定性好且敏感，经济效益高以及快速的分子检测形式。这种转换机制允许通过测量系统内电荷转移的变化来检测气体、生物分子、杀虫剂和其他化学品[4]。

1 纳米电化学传感器

纳米材料是一种尺寸通常在1～100 nm之间的材料，包括机械阻抗、良好的导电和导热性，良好的生物相容性等一系列特性，并且它们的表面可以通过化学程序轻松修改。

1.1 碳纳米材料电化学传感器

碳纳米材料比表面积大、导电率高、电催化性能好，已被广泛应用于电化学传感器材料的基底构建。其中，石墨烯、碳黑(CB)、碳纳米管和纳米金刚石(ND)等碳纳米材料在不同的应用领域已经成功地进行了探索。

Simioni[5]等人通过探索修饰纳米金刚石于玻碳电极(GCE)用来测定抗结核药物吡嗪酰胺，研究了裸GCE和ND修饰GCE的形态和电化学特性，观察到ND-GCE上电活性表面积和电子转移能力的显著增强。在最佳实验条件下，用SWV构建的PZA曲线的线性范围为7.9×10-7～4.9×10-5mol/L，检测限为2.2×10-7mol/L。提出的伏安法成功应用于生物样品中PZA的测定，且回收率优异。Manel[6]等制备了硼掺杂金刚石电极检测左氧氟沙星，并使用循环伏安法和方波伏安法进行电化学研究，该传感器的LOD和LOQ分别是2.88和9.60 μmol/L，且制备简单、分析时间短。

Zhang[7]等通过在室温下诱导氧化石墨烯(RGO)经锌箔自组装制备三维简化的氧化石墨烯(3DRGO)，并用于氯霉素(CAP)的检测。在pH值为7.4时，电活性表面积大大增加，电转移电阻降低，对CAP检测灵敏度提高。此外，该传感器具有良好的抗干扰能力，重现性，稳定性和较宽的线性检测范围，检测限低，样品分析结果令人满意。3DRGO传感器制备简单，快速而且对CAP检测有效，有助于开发先进的基于石墨烯的界面电极材料进行电化学传感检测。

Patricia[8]等提出了一种同时测定重要抗生素(阿莫西林- AMX)和抗炎药(尼美舒利-NIM)的电分析方法，可以广泛使用。在这种方法中，使用固定在磷酸二(十六烷基酯)(DHP)膜中的炭黑(CB)修饰的玻璃碳(GC)底物用作电化学传感器(CB-DHP/GC)。使用方波伏安法和0.2 mol/L磷酸盐缓冲液(pH值7.0)作为支持电解质，用新型CB-DHP/GC传感器获得了AMX和NIM氧化峰电位之间的180 mV，AMX和NIM的检测限分别为0.12 μmol/L和0.016 μmol/L。这种新的电分析方法已成功用于同时测定生物尿液和环境样品中的AMX和NIM。

1.2 金属纳米颗粒电化学传感器

金属纳米颗粒的比表面积大，提高其活性催化能力，并增强待测分子与电极之间的电子转移能力；同时，金属纳米颗粒能为生物活性分子提供适宜的环境，从而有效放大电化学传感器的分析脉冲信号。

Gan[9]等通过对铁/锌阳离子交换蒙脱土(Fe/Zn-MMT)催化剂进行改性，开发了一种简单新颖的电化学传感器，用于测定四环素(TC)，一种可诱导食物链中残留的抗生素。电化学实验结果表明，该传感器在十二烷基硫酸钠存在下对TC的氧化具有良好的电催化活性。该传感器通过使用微分差分脉冲伏安法显示0.30～52.0 μmol/L的宽线性范围和0.10 μmol/L的低检测限。此外，电化学传感器可应用于饲料和肉类样品中TC的检测。

谢少文[10]等研究了纳米多孔级Pd-HSiO1.5/Ni-Co复合电极应用于土霉素及强力霉素的检测，使用电沉积的方法将Pd-HSiO1.5修饰于电极表面，并得出最佳实验温度为25℃，催化反应受扩散控制。其中，土霉素的检测线性范围是4.0×10-4～4.9×10-8mol/L，检测限为1.0×10-8mol/L；强力霉素的检测线性范围是4.0×10-4～5.0×10-8mol/L，检测限为5.0×10-8mol/L；四环素的检测线性范围是4.0×10-4～5.0×10-8mol/L，检测限为5.0×10-8mol/L。该传感器重现性较好，精确度高，对氨苄青霉素钠和利福平等抗生素的抗干扰性强。

1.3 金属纳米氧化物电化学传感器

纳米金属氧化物通常具有化学惰性、热稳定性好、毒性低等优点，利用其大的比表面积与良好的生物相容性，可以作为优异的电极基底材料。常见的金属氧化物纳米材料有 Fe3O4、ZnO、TiO2等Petr Jakubec[11]等开发了一种用于检测抗生素氯霉素(CAP)的新型简单电化学传感器。该传感器的扩增策略是基于用羧甲基纤维素(CMC)稳定的磁性纳米结构和金纳米颗粒(Au NPs)修饰的磁性纳米结构的应用。在这种情况下，CMC起到稳定剂的作用，防止Fe3O4纳米粒子的聚集，从而使电子传输的动力学障碍得以克服，并且Au纳米粒子作为电子传导隧道用于更好的电子传输。电化学测量证实了CMC和Au NPs的协同作用，两者都显着提高了Fe3O4-CMC @ Au纳米复合材料的电导率，从而为CAP电化学传感提供了更高的灵敏度，重复性和选择性，线性范围(2.5～25 μmol/L)，检测限(0.066 μmol/L)。此外，这里描述的传感器具有许多有吸引力的特征，例如简单性，快速性，低成本，并且不需要特定标签。Sara[12]等开发了一种简单灵敏的传感器用于环丙沙星(CF)的电化学测定。 所提出的传感器是通过掺入碳糊电极(CPE)中的壳聚糖涂覆的Fe3O4磁性纳米粒子设计的，其为CF的电化学测定提供显着改进的灵敏度。在最佳条件下，该传感器提供了两个线性差分脉冲伏安响应范围为0.05～6 μmol/L，CF为6～75 μmol/L，检测限为0.01 μmol/L。该传感器表现出高灵敏度和良好的选择性，并成功地应用于血清和尿液样品中的CF测定。

2 电化学免疫传感器

电化学免疫传感器是一种将免疫反应和传感技术相结合的一种新型电化学生物传感器，通过固定化抗原(抗体)，与分析物发生特异性反应，从而发生电信号的改变。该传感器可以实现在体检测、不受样品性质的干扰、设备相对简单，性能优异。

郑舒[13]等将高温煅烧过的Nb2O5及GCE作为工作电极，修饰壳聚糖和特异性抗体，分别构建Ab-MNPs-CS/GCE及Ab-MNPs-CS/Nb2O5两种免疫传感器，利用循环伏安法和电化学阻抗谱对四环素进行检测，在0.04～1 ng/mL的线性范围内线性关系较好，最低检测限达到0.0224 ng/mL。该传感器抗干扰能力强，选择性好，回收率高，能保存长达一个月，稳定性很好。

阙小华[14]等在氧化石墨烯基底上原位生成Pt-石墨烯复合物，构建竞争性免疫传感器，利用LSV检测抗生素。在优化条件下，该传感器电信号对四环素浓度呈反比，线性范围0.05～100 ng/mL，检测限为6.0 pg/mL；对氯霉素的响应线性范围是0.1～100 ng/mL，检测限为0.03 ng/mL。

3 电化学适配体传感器

电化学适配体传感器是利用导电性能良好的基底材料修饰相应抗生素的核酸适配体的一种传感器，该类传感器特异性较好、线性范围大、检出限较低，已成为抗生素检测领域的热门。

冯荣荣[15]等构建了两种核酸适配体电化学传感器，先将石墨烯和金纳米颗粒通过电沉积修饰到玻碳电极表面，以作为适配体的载体。所制备的适配体传感器可以对卡那霉素和链霉素进行定量测定，利用循环伏安法、电化学阻抗谱、微分脉冲伏安法，卡那霉素和链霉素的检测限分别为0.03 pmol/L和0.3 pmol/L。该传感器重现性良好、灵敏度高、选择性好、较为稳定。

刘顺[16]等构建了石墨烯-银纳米粒子复合物修饰电极(rGO/Ag NPs)，在其表面组装氯霉素(CAP)核酸适配体，即可得到电化学适配体传感器。该传感器在对溶液中的CAP识别分析后，CAP在材料的催化作用下产生电化学信号。基于靶向识别作用和电信号检测机制，该传感器成功用于牛奶中氯霉素残留的选择性检测。

4 分子印迹电化学传感器

MIP通常通过将聚合物通过特定分子压印在基底上来获得。该特定分子是分析物，称为模板。模板分子产生特异性的空腔以便在散装溶液中进行检测。去除模板留下结构中的空腔，其大小，形状和相互作用模式与模板分子互补。然后聚合物可以以非常高的亲和力和特异性重新结合模板分子。以低成本的人造受体以及良好的机械、热和化学性质使得这些合成材料可以选择性地靶向来自化学物质混合物的分子。

Yang[17]等通过一种简便的方法用于制备MWCNTs @ MIP用于CAP的电化学测定。 C16VimCl不仅起到了新型功能单体的作用，而且促进了MWCNT在MWCNT表面上的分散。同时应用三维P-r-GO和CKM-3修饰GCE增强应答信号。所得到的传感器表现出对CAP的敏感和选择性反应，并被应用于实际样品中CAP的检测。这项工作为MWCNTs @ MIP传感器的制备提供了一个有用的平台。

Bagheri[18]等成功地制造了Fe3O4-MWCNTs-MIP / CPE作为高选择性和灵敏的电化学传感器。由于Fe3O4-MWCNTs的协同作用(例如良好的电化学性质和大的表面积)和MIP(例如作为识别元件的高亲和力)，发现Fe3O4-MWCNTs-MIP修饰的CPE具有线性响应对于CF的范围为0.005～0.850 mmol/L，具有0.0017 mmol/L的低检测限，这意味着合成的纳米复合材料是用于电化学测定CF的优异的传感材料。此外，CF的定量检测可以使用电化学传感器以比临床实践中的大多数可用的CF测定方法更容易的方式进行，且可用于制药工业中的质量控制。

5 电化学阻抗传感器

Michael[19]等表明纳米多孔膜与EIS结合，是一种有效的识别水中红霉素浓度范围的策略。由传感器上红霉素结合产生的测量阻抗变化表明样品浓度与产生的电信号之间存在非线性关系。与目前的分析方法相比，该传感器具有相似的灵敏度，但显着降低了色谱和质谱技术相关的时间，成本和复杂性。这里介绍的传感器有可能发展成一个多元化装置，用于水样的高灵敏度和选择性检测。