碳點在抗生素分析檢測中的應用

柴佩君, 宋志花*, 劉萬卉, 薛俊萍, 王 碩, 劉金秋, 李金花

(1. 煙臺大學藥學院, 新型制劑與生物技術藥物研究山東省高校協同創新中心, 分子藥理和藥物評價教育部重點實驗室, 山東 煙臺 264005; 2. 中國科學院煙臺海岸帶研究所, 中國科學院海岸帶環境過程與生態修復重點實驗室, 山東省海岸帶環境過程重點實驗室,山東 煙臺 264003; 3. 中國(煙臺)知識產權保護中心, 山東 煙臺 264003)

抗生素是由微生物次級代謝產生的或是由人工或半人工合成的一種有機物[1],主要包括:磺胺類、氟喹諾酮類、四環素類等[2]。抗生素對微生物的活性有抑制作用[3],可使細菌產生耐藥性而減弱治療效果[4],其濫用會對人體健康產生極大危害[5],且難以通過水凈化過程去除[6]。世界衛生組織認為,抗生素的耐藥性是一場全球的公共危機,需要人們嚴肅對待[7]。因此,建立新的檢測方法以檢測抗生素的含量,對于管控抗生素污染至關重要[8]。常見的檢測方法包括:高效液相色譜法[9]、液相色譜-串聯質譜法[10]、毛細管電泳法[11]、酶聯免疫檢測法[12]等。為了進一步降低檢出限,人們發展了一系列新型材料以輔助上述檢測過程,如:分子印跡聚合物(molecularly imprinted polymers, MIPs)[13,14]、分析物響應水凝膠[15]、有機骨架[16]、碳點(carbon dots, CDs)[17]等。其中,CDs因優異的物理化學性質而成為研究熱點。

CDs又名碳量子點,是一種零基納米材料,包括碳納米點(carbon nano dots, CNDs)、石墨烯量子點(graphene quantum dots, GQDs)和聚合物點(polymer dots, PDs)[18,19],其制備分為“自上而下”和“自下而上”兩種方法[20]。CDs因具有良好的水溶性、生物相容性、獨特的光學和電學特性、來源廣泛易得等優點[21,22],已被用于檢測環境中的金屬離子[23,24]。最近,人們將CDs與傳感分析[25]、新型色譜固定相制備等技術結合,以有效檢測抗生素。本文對近幾年CDs在抗生素分析檢測中的應用進行了總結,對所涉及的方法進行了歸納,并對其發展前景進行了展望,以期望新型CDs材料為解決復雜環境樣品中的抗生素提供新的契機。

1 CDs與傳感技術結合檢測抗生素

傳感器具有高選擇性、高靈敏度等性能,能夠實現物質的快速檢測,被廣泛應用于抗生素的測定[26,27]。CDs的量子限制和邊緣效應[28,29]使其能夠實現對電子的運輸和導電,可有效提高傳感器的信噪比[30,31]。目前,與CDs結合檢測抗生素的傳感器主要包括生物傳感器、光學傳感器、電化學傳感器等。

1.1 生物傳感器

1.1.1分子印跡傳感器

分子印跡技術是一種新型的模板導向技術,該技術合成的MIPs對某一種或某一類分析物具有特異性識別作用[32],可用作傳感器中識別元件的替代材料[33]。將CDs與MIPs相結合,可有效增強CDs的熒光效應[34],基于MIPs的傳感器備受科研工作者青睞[35]。

Liu等[36]以甘薯皮為原料,以土霉素(oxytetracycline, OTC)為模板分子,制備了MIPs包覆的CDs,將其作為熒光探針用于檢測蜂蜜中的OTC,檢出限為15.3 ng/mL,且該探針可以重復使用5次以上,大大降低了檢測成本。證實了MIPs可以提高CDs對OTC檢測的選擇性,這種基于MIPs涂層制備CDs的方法對蜂蜜中OTC的含量測定是可行的。在MIPs提高特異選擇性的基礎上,研究人員為了降低外界環境的干擾,進一步提高檢測靈敏度,設計了比率熒光傳感器。比率熒光傳感器是通過測量兩種或兩種以上波長的熒光強度比來分析目標物[37,38],其內部的探針具有校正功能,能有效降低檢出限。并且該探針的熒光信號可視性強,極大地降低了成本,具有很高的應用價值[39]。

圖 1 (a)碳點的制備和(b)比率傳感器的制備及青霉素傳感機理示意圖[33]Fig. 1 (a) Synthesis of carbon dots (CDs) and (b) schematic of the preparation of ratiometric sensor and the sensing mechanism of penicillin[33]TEOS: tetraethoxysilane; APTES: 3-aminopropyltriethoxysilane; CTAB: cetyltrimethylammonium bromide; PNG: penicillin.

Chen等[40]以磺胺嘧啶(sulfadiazine, SDZ,由抗生素濫用引起的一種環境污染物)為模板分子,設計了一種比率熒光納米傳感器,用于SDZ的檢測,標準樣品中SDZ的檢出限為0.042 μmol/L。且該傳感器可對自來水樣品中的SDZ進行檢測,回收率可達91.7%～101.2%。隨著樣品濃度的變化,具有不同顏色的CDs可產生不同程度的熒光淬滅,通過比較加入樣品前后的熒光強度變化實現對樣品的檢測。與單發射的熒光傳感器相比,比率熒光傳感器可有效避免單熒光傳感器引起的誤差,減弱檢測條件的干擾。Liu等[41]構建了分子印跡比率傳感器(MIPs@rCDs/bCDs@SiO2),在0～50 nmol/L的線性范圍內,標準樣品中四環素(tetracycline, TC)的檢出限為1.19 nmol/L,且已被證實對來自河水、自來水中等實際樣中的TC能實現準確定量。雖然這是一種高選擇性的體系,但CDs作為熒光淬滅的信號輸出,易受到儀器和環境的影響,重現性有待提高。比率傳感器除對環境等復雜樣品有很好的檢測外,還可以對牛奶等含有痕量抗生素的樣品實現高靈敏檢測。Jalili等[33]報道了雙熒光團比率熒光傳感器(見圖1),該傳感器的響應時間約為5 min,為非印跡傳感器響應時長的1/8,其對牛奶中青霉素(penicillin, PNG)的檢出限為0.34 nmol/L。該方法具有快速、靈敏度高的優點[42]。該課題組[43]還將該類傳感器用于標準樣品中氯霉素(chloramphenicol, CAP)的檢測,線性響應范圍為0.1～3 μg/L,檢出限為0.035 μg/L。Sahebi等[44]采用超高效液相色譜-串聯質譜法(UHPLC-MS/MS)對牛奶中的PNG等5種抗生素進行分析,其檢出限為0.03～0.20 μg/kg;此外,崔敬鑫等[45]采用UHPLC-MS/MS對水樣中氯霉素類、四環素類等15種抗生素同時進行測定,其檢出限為2.1～22.0 ng/L。由此可見,基于MIPs的比率傳感器,其檢出限與UHPLC-MS/MS的檢出限可達到相同的數量級,且比率傳感器無需昂貴的生物識別分子或復雜的傳感系統,具有強大的可視化效果,易于攜帶,可用于現場檢測。

1.1.2適配體傳感器

適配體是由20～60個核苷酸組成的單鏈DNA或RNA分子[46],類似于抗體,適配體具有易于標記、合成簡單以及與目標物質結合能力好的優點,被廣泛用作傳感器的識別元件[47,48]。

Wang等[49]用枸櫞酸包被的金納米粒子(AuNPs)作為吸收劑,構建了一種新型無標記的適配體傳感器來檢測食品中的卡那霉素。該傳感器基于內濾效應對標準樣品中卡那霉素檢測的線性范圍為0.04～0.24 μmol/L,檢出限為18 nmol/L,對牛奶樣品中卡那霉素檢測時,回收率可達到98%。基于內濾效應的檢測方法不需要CDs與AuNPs相連接,僅需要AuNPs的吸收光譜與CDs的熒光激發光譜有重疊即可,有效簡化了實驗步驟,實用性強;且用枸櫞酸修飾的AuNPs提高了熒光淬滅效率,結合適配體的特異性識別,能達到滿意的檢測效果。但這種基于原子吸收光譜分析的適配體傳感器存在熒光團使用壽命短、易受背景熒光及環境影響的問題。Roushani等[50]開發了基于AuNPs和巰基石墨烯量子點(GQD-SH)的傳感器,用于檢測牛奶和血清中的鏈霉素(streptomycin, STR)。在此基礎上,該課題組[51]又提出了基于胺基和巰基功能化的GQDs-N-S的新型核酸適體傳感器,將銀納米粒子(AgNPs)包覆在玻碳電極(GCE)上以檢測標準樣品中的STR,其檢出限為0.003 3 pg/mL,對血清中的STR檢測時,回收率高達99.03%。此外,Roushani等[52]還通過將硫脲包覆的ZnS量子點和AuNPs包覆于GCE表面,建立了一種硫醇適配體修飾的傳感系統,用以檢測標準樣品中的STR,其檢出限為0.35 fg/mL,極大提高了檢測靈敏度,并證實可對實際樣品中血清等生物樣品中的STR進行檢測。這種基于電化學阻抗譜方法制備的傳感器具有較高的選擇性,良好的重現性及穩定性,對解決環境等復雜實際樣品中抗生素的檢測難題具有潛在應用價值,但構建該類傳感器過程復雜,成本高,因此發展新型材料對該領域十分必要。

MIPs具有與模板分子在形狀、大小、官能團互補且完全匹配的結合位點,其獨特的識別能力以及極高的物理穩定性使其成為生物傳感器識別元件的不二選擇;相比于傳統的識別元件(抗體等),適配體易于合成,穩定性強,價格便宜,且適配體序列具有很強的靈活性,易于標記和修飾,被認為是最有希望的替代元件。將CDs與MIPs及適配體相結合,有望提高傳感器的檢測靈敏度及檢測結果的準確性。相比于適配體傳感器,MIPs傳感器具有更強的機械穩定性,但其與目標物的結合能力稍差[53,54],在實際應用中可根據目標分子的特點進行選擇。例如,Geng等[55]在以卡那霉素為模板分子、硒化鎘(CdSe)量子點為載體、甲基丙烯酸為功能單體的基礎上,加入了經巰基修飾的適配體作為另一種功能單體,使合成的傳感器實現了對卡那霉素的高靈敏檢測。在0.05～10.0 μg/mL范圍內,標準樣品中卡那霉素的檢出限為0.013 μg/mL,在對來自湖水、自來水中的卡那霉素進行檢測時,均可得到滿意的結果。將適配體和MIPs的印跡空穴相結合,能實現對分析物的雙重識別,提高檢測靈敏度;此外,量子點表面的活性基團有利于在其表面形成MIPs層。將MIPs及適配體與傳感器相結合,使檢測效果更加顯著,這種策略是檢測復雜環境樣品中抗生素的有效方法。另外,Roushani等[54]將適配體傳感技術與分子印跡技術結合,增強了傳感性能,標準樣品中CAP的檢出限為0.3 pmol/L,對實際樣品牛奶中CAP的回收率可達103%。

1.2 光學傳感器

光學傳感器因具有操作簡單、穩定性好等優勢,成為抗生素檢測方法的研究熱點[56]。按照檢測方法的差異,光學傳感器可分為化學發光法、熒光法等,這兩種方法在抗生素檢測中最常用[57]。基于量子點的光學傳感器因具有寬吸收光譜和窄發射光譜,備受研究者關注。

1.2.1電化學發光傳感器

電化學發光(electrochemiluminescence, ECL)是一個將電化學和光譜學結合的技術,當電極發生電子轉移反應達到激發態時,電極上生成的物質就會發光[58]。這使得ECL不需要借助外部光源,具有快速響應、背景噪音低的優點[59,60]。CDs可有效提高電極的電化學活性[61],將CDs引入ECL傳感器,大大提高了檢測靈敏度。

1.2.2熒光傳感器

熒光檢測具有響應速度快、靈敏度高等優點,常用來檢測復雜基質中的抗生素。CDs因具有獨特的熒光特性、良好的生物相容性[65],常被作為熒光探針來分析目標物,是熒光檢測的優良材料。Yu等[66]以賴氨酸為原料,采用微波法合成了CDs,并將其用于抗生素類化合物的檢測。TC、多西環素(doxycycline, DOX)等7種抗生素在290 nm和365 nm的光激發下,對CDs表現出不同的熒光猝滅現象。此外,將Al3+離子與CDs進行絡合后,不僅可改變其熒光強度[67],還會使7種抗生素的發射峰有所差異,由此,可根據峰位置和熒光強度的變化對7種抗生素進行定性分析(見圖2),其對各種標準樣品中抗生素的檢出限均低于50 nmol/L。該方法證明,CDs是基于內濾效應以及靜態淬滅效應來檢測抗生素,為人們研究利用CDs檢測抗生素提供了理論依據，開辟了新思路。為了增強CDs的熒光性能,研究人員[68]通過其他原子的摻雜來提高檢測能力。Chen等[69]開發了一種N、B、F共摻雜碳點(N,B,F-CDs),并將其用于標準樣品中磺胺噻唑(sulfathiazole, STZ)的檢測,其檢出限為5.5 ng/mL。將該傳感器對來自土壤、河水中的STZ進行檢測,其回收率為96.7%～101.0%,該制備方法簡單、靈敏,環境友好,對環境樣品中STZ的檢測具有巨大的應用價值,但該方法需要對樣品進行繁雜的前處理,無法直接對實際樣品進行現場檢測。除了基于內濾效應和靜態淬滅效應檢測抗生素外,Fu等[70]首次提出了基于共振能量轉移(F?rster resonance energy transfer, FRET)機理的CDs熒光探針檢測標準樣品中OTC,其檢出限為0.41 μmol/L,并對河水、自來水及礦泉水中的OTC進行測定,其回收率為95.0%～105.0%,該方法無需引入其他熒光基團,改善了探針的重復性,為實現抗生素的高靈敏檢測提供了一種新思路。基于CDs的熒光探針的優點包括:所用試劑價格便宜、選擇性高、靈敏度高。CDs優異的熒光特質提高了熒光傳感器的傳感性能,但對抗生素的分離能力有限,因此發展選擇性強的CDs材料以及與各種新型材料、傳感技術、檢測方法相結合對于環境中抗生素的檢測具有重要意義。

圖 2 7種抗生素的兩步檢測流程圖[66]Fig. 2 Flow chart of two-step detection for seven kinds of antibiotics[66] MTR: metronidazole; DOX: doxycycline; TCY: tetracycline; CTE: chlortetracycline; OXY: oxytetracycline; CHL: chloramphenicol; SDI: sulfadiazine.

為了使檢測結果更加直觀、準確,人們開發了比色以及比率傳感的方法。Miao等[71]以煙草為原料合成CDs,將其作為熒光探針,用于3種抗生素標準樣品TC、金霉素(aureomycin, CTC)、OTC的檢測,檢出限分別為5.18、6.06、14 nmol/L。此外,Miao等[71]將含有CDs的液滴浸潤待測物,再采用紫外燈照射,根據顏色變化對3種抗生素進行檢測。該方法具有簡單、易操作、結果明顯的特點,可作為熒光探針用于環境污染物的痕量檢測。Hu等[72]通過將藍色CDs與單磷酸胞苷(CMP)/銪配位聚合物納米粒子結合,設計了一種比率熒光傳感器的探針BCDs-Eu/CMP-cit,并將其用于TC的檢測。該方法具有雙信號響應性,在檢測牛奶等實際樣品時,所得回收率、相對標準偏差等參數與高效液相色譜法的檢測結果相當。同時,將含有BCDs-Eu/CMP-cit探針的濾紙條用來檢測牛奶、蜂蜜、牛肉中的TC,當樣品中TC濃度高于0.05 μmol/L時,用肉眼可直接觀察到濾紙條的顏色隨TC濃度改變而發生變化,該方法具有巨大的實際應用潛力。在熒光檢測的基礎上,借助比色和比率的研究方法,使得檢測結果更加清晰、準確。CDs與不同的抗生素結合可在不同的波長下呈現出不同的顏色,比色法的實驗現象明顯、操作簡單、無需借助其他復雜儀器就可得到最直觀的結果,但其抗干擾能力較弱,易受環境影響;而比率熒光探針通過兩個熒光發射強度的比值來檢測分析物,克服了單個熒光探針產生的誤差,有效提高了準確度。兩種策略在保障低檢出限的基礎上,對檢測結果的直觀性、準確性有了進一步的提高,擴寬了熒光傳感器的應用。

圖 3 抗生素識別原理及結果分析圖[76]Fig. 3 Antibiotic identification principle and result analysis charts[76] a. schematic illustration of antibiotic recognition; b. fluorescence response of these four CDs against eight antibiotics; c. LDA plot with 95% confidence interval. TC: tetracycline; OTC: oxytetracycline; CTC: aureomycin; SPM: spiramycin; ERY: erythromycin; SM: streptomycin; CHL: chloramphenicol; NEO: neomycin.

在比率傳感器的基礎上,人們又提出了陣列型傳感器,該傳感器可同時對多種成分進行檢測,且無需極高的特異性受體[73],已被廣泛應用于多種目標物的測定[74,75]。Mao等[76]設計了一種交叉反應傳感器陣列來檢測OTC、TC等8種標準樣品抗生素,用異亮氨酸(isoleucine, Iso)等4種氨基酸作為CDs的非特異性受體,該受體可與目標分析物相互作用,采用凝膠生物成像系統對其熒光強度的變化進行檢測,產生特定的“指紋”圖譜。當加入4類(8種)抗生素時,被修飾的CDs熒光強度會發生變化,可對8種抗生素進行測定。該傳感器的識別示意圖、熒光響應、線性判別分析(linear discrimination analysis, LDA)分析圖見圖3。該工作可以在短時間(幾秒鐘)內得到所有物質的熒光變化譜圖,可對人尿液等復雜介質中8種抗生素進行檢測。Long等[77]設計了一種無標記的四通道熒光陣列傳感器,用以檢測TC等4種抗生素標準樣品,以綠、藍色CDs以及它們的混合物作為傳感元件,能對濃度為1 μmol/L的4種抗生素實現準確鑒別,且對牛奶中的TCs具有很好的響應。該方法不引入任何金屬離子和有害物質,也無需復雜的裝置,具有環境友好、操作簡單的優點。Xu等[78]開發了雙通道熒光傳感器陣列,可有效區分濃度為10 μmol/L的4種標準樣品抗生素(TC、OTC、美他環素(metacycline, MTC)、DOX),對河水和牛奶等實際樣品中的TCs進行鑒定,準確率高達100%。傳感器陣列對復雜基質中的多種抗生素檢測具有分析時間短、靈敏度高、干擾小、準確度高等一系列優勢,且對結構、性質相似的物質也能進行良好的區分檢測。結合CDs的陣列傳感器雖比其他檢測方法提供更多的信息,但存在數據處理和分析方法上的問題,仍需繼續改進。如常用的主成分分析法(principle component analysis, PCA),常由于忽略內部信息,而造成不必要的分類;LDA雖能解決這一問題,但在分析處理非線性數據時存在弊端;作為能處理線性和非線性數據的支持向量機(support vector machine, SVM)已被證實可以用于傳感陣列檢測抗生素,但其也存在分類上的問題。因此,利用陣列傳感器檢測抗生素時,在陣列傳感器構建以及數據處理方面仍需進一步改進,對提高抗生素檢測靈敏度有重大意義。

1.3 電化學傳感器

電化學方法因具有靈敏度高、便攜、經濟、環境友好的特點,被應用于環境污染物的檢測[79,80]。采用CDs修飾電極可增大其表面積,使其捕獲更多的分析物,CDs與電化學結合也成為該領域的新興發展趨勢[81]。

Huang等[82]采用電聚合法合成聚鄰氨基苯酚(PoAP)/GQD膜包覆的GCE,以提高傳感器對左氧氟沙星(levofloxacin, LV)的檢測能力。該儀器對標準樣品中LV的檢出限為10 nmol/L,信噪比為3,與其他電化學材料(如MIP/G-Au/GCE)相比,具有更寬的檢測范圍,更低的檢出限,對牛奶中的LV測定時,其回收率可達96.0%～101.0%。GQD具有很好的水溶性,可通過靜電力與LV結合,且與PoAP之間的π-π堆積作用使得GQD能吸附在GCE上,增強其導電性。為了增強GQD在GCE上的穩定性,研究者還設計使用了其他的材料。如Gondim等[83]采用GQD@Nafion(Nafion即全氟磺酸隔膜,可被用作陽離子傳導膜和電子屏障,用于增強電極表面納米粒子的穩定性[84])對玻璃碳電極進行修飾,并用于測定牛奶中的磺胺類藥物,結果令人滿意。CDs具有良好的導電性,使得經CDs修飾后的電極具有更高的選擇性。此外,人們還通過CDs與其他納米材料相結合的手段,進一步降低抗生素的檢出限。Muthusankar等[85]合成了Co3O4包覆氮摻雜碳點負載于多壁碳納米管表面的復合材料(N-CQD@Co3O4/MWCNTs),以測定呋喃妥因(NF)。將該復合材料涂覆在GCE表面(N-CQD@Co3O4/MWCNT/GCE)使得電極和電解質界面接觸充分,利于電荷轉移,標準樣品中NF的檢出限為0.044 μmol/L,有效提高了檢測靈敏度。該體系中載體多壁碳納米管具有較大的表面積,使得電子傳輸更迅速;N-CQDs與MWCNTs之間的疏水作用,增強了復合材料的穩定性及電化學活性。

CDs能提高電化學傳感器的傳感性能,但CDs不能直接吸附在GCE上,這不利于電化學傳感器檢測結果的重現性,且會縮短傳感器的使用壽命。雖然,目前已有很多復合材料、載體輔助CDs修飾GCE,但仍需開拓更多的材料,協助CDs檢測更多種類的抗生素。此外,發展尺寸可控CDs的制備方法，并探索CDs對目標分析物的響應機理，將有利于進一步改善CDs對抗生素檢測結果的可靠性。

2 CDs與色譜技術結合用于抗生素的檢測

色譜技術的發展主要依靠色譜固定相的制備技術和新的檢測手段,固定相作為色譜柱的核心[86],直接影響化合物的分離,為了有效改善抗生素類化合物分離結果的準確性,人們發展了一系列新型色譜固定相。其中,CDs因其表面具有親疏水性基團、尺寸小、在硅膠表面分布均勻等特性,可與多孔硅膠結合用作色譜固定相,用于抗生素類化合物的有效分離。

Yuan等[87]設計并合成了一種葡萄糖衍生的CDs,用于修飾多孔硅膠微球(Sil-Glc-CDs),可對氧氟沙星(ofloxacin, OFL)、羅紅霉素等6種抗生素標準樣品實現完全分離,且對羅紅霉素的分離柱效高達63 000 N/m,與非摻雜CDs的色譜柱(Sil-Glc柱)相比,具有更好的色譜分離性能。CDs作為固定相的修飾材料,不僅具有豐富的反應位點,而且能保障填料的均勻性[19]。在此基礎上,該團隊又制備了氮摻雜CDs修飾多孔硅膠色譜固定相[88],實現了羅紅霉素等7種標準樣品抗生素的分離,與商業柱XBridge HILIC、GlobalsilTMAmino以及Sil-Glc-CDs相比,具有更好的分離性能。該固定相可在9 min內實現羅紅霉素膠囊中羅紅霉素的有效分離,對羅紅霉素測定的理論塔板數為50 100 N/m。此外,這兩種固定相對人參皂苷、氨基酸等也具有很好的分離效果。Wu等[89]開發了一種新型兩親性CDs,與多孔硅膠結合制備的固定相,同時具有親水性和疏水性,對標準樣品中的抗生素、核苷以及多環芳烴等物質具有良好的分離效果,該類兩親性CDs修飾硅膠固定相在混合分離模式下具有良好的發展前景。此外,在色譜固定相中引入CDs能有效改善多孔硅膠固定相的峰拖尾現象,有效提高分離柱效。雖然,CDs是一種優異的色譜材料,但基于CDs合成材料直接用于環境樣品中抗生素分離分析相關工作的報道較少[90],發展尺寸可控、多功能化的CDs對解決環境樣品中抗生素的分析檢測問題具有重要意義。

此外,碳點以及其他碳材料也被用作吸附材料,分離檢測抗生素。如Yang等[91]首次制備了一種基于零維N、S共摻雜碳點、二維金屬有機骨架(metal organic frameworks, MOF)以及三維鋯(Zr)-MOF的智能吸附劑UiO-67/NSCN,用于水中TC的檢測,在0.08～20.0 mg/L范圍內,TC的檢出限為0.063 mg/L,該吸附劑對TC具有很好的識別能力。當該吸附材料轉化為二維納米材料時,對TC的吸附量可達到427.35 mg/g;當轉化為三維材料時,可實現水中TC的去除,且UiO-67/NSCN已被證明是一種無毒安全、智能化材料,該方法有效改善了碳點的分散性能,使其可作為吸附劑分離抗生素。Peng等[92]利用分子印跡聚合物的高選擇性以及碳納米管的強吸附能力,對傳統的攪拌萃取進行了改造,用于測定水樣中痕量頭孢克洛和頭孢氨芐,其富集系數分別為45.5和45.2,檢出限分別為3.5 ng/mL和3.0 ng/mL,磁性碳納米管的加入,使得吸附、洗滌、洗脫這些步驟一步就可以完成。CDs作為一種新型納米材料,雖具有較大的表面積和吸附能力,但目前合成的CDs具有大量的活性基團(如-COOH等)以及很強的分散能力[93],這使得CDs作為吸附材料在抗生素樣品前處理中的應用受限,因此需要發展不同類型的CDs以及合成方法來解決這一問題。

此外,CDs良好的生物相容性以及分散性,使得CDs可與抗生素結合,在色譜儀器檢測下實現更低的檢出限。Lahouidak等[94]用水熱蝕刻法制備了CDs,將CDs加入抗生素的水溶液中,采用毛細管電泳分離,結合熒光檢測,對牛奶中的OFL進行分析,檢出限和定量限分別為10.7 ng/mL和35.5 ng/mL。此外,上述體系還可用于7種標準氟喹諾酮類抗生素樣品的分析檢測,與HPLC等方法相比,具有成本低、消耗有機溶劑少等優點。采用GQD使毛細管電泳對目標物的檢出限達到μg/L級,比固相萃取-毛細管電泳法測得的檢出限低40倍[95],且分析速度更快。另外,Taranova等[96]基于不同顏色的水溶性量子點(quantum dots, QDs)的標記作用,建立了能夠檢測復雜基質中抗生素的免疫層析法,即“交通燈”法(見圖4)。該工作對標準樣品中OFL、CAP、STR的檢出限分別為0.3、0.12和0.2 ng/mL,比酶聯免疫法測得3種抗生素的檢出限低40～300倍[97-99],對牛奶樣品中OFL進行檢測時,檢測時間僅為10 min,是ELISA法的1/18。隨著樣品濃度的升高,相應測試區的顏色強度降低為零,該方法檢測范圍寬、重復性好、靈敏度高,分析物可回收且儀器檢測的誤差小(不大于8%),具有很強的實用價值。

圖 4 “交通燈”免疫層析法檢測抗生素的原理圖[96]Fig. 4 Schematic diagrams of antibiotic detection by traffic light immunochromatography test[96] a. test strip before the assay; b. assay results for the sample containing STR; c. assay results for the sample containing CAP and OFL. 1. test zone for streptomycin (STR); 2. test zone for chloramphenicol (CAP); 3. test zone for ofloxacin (OFL); 4. STR conjugate antibody; 5. CAP conjugate antibody; 6. OFL conjugate antibody; 7. control line.

CDs具有穩定的碳核和豐富的表面基團,可作為分離材料用于色譜分離。利用CDs合成的固定相具有更強的選擇性和識別性,已引起研究者的關注。傳統的色譜分析(高效液相色譜法、氣相色譜法等)與之相比,雖具有高靈敏度和準確性,但存在樣品前處理過程復雜、耗時、消耗有機溶劑多等問題[100]。CDs與色譜技術結合可在一定程度上簡化樣品前處理過程、提高檢測靈敏度以及節約成本。但目前基于CDs作為色譜分離材料的機理還不清楚,有待進一步研究[19]。

3 總結與展望

本文針對CDs在抗生素檢測中的應用,對近5年發表的相關文獻進行了總結歸納。包括以下幾點:(1)重點介紹了CDs在傳感器中的應用,CDs獨特的光學、電學等性質有效提高了傳感器檢測靈敏度,使其成為傳感器中最具潛力的替代材料。如今,基于CDs的生物傳感器、光學傳感器、電化學傳感器被廣泛應用于抗生素的檢測,實現了環境及食品基質中抗生素的有效檢測。(2)CDs的小尺寸效應及兩親特性,使其易與色譜技術結合用于抗生素的檢測,但目前相關研究仍然較少,這可能與抗生素的檢測基質復雜、可用于抗生素前處理的CDs種類有限,以及CDs作為色譜分離材料的機理并不完全清楚有關。(3)目前,基于CDs材料檢測抗生素的基質比較單一,對湖水、土壤等復雜環境樣品中抗生素的分析檢測還相對較少,且由于CDs的尺寸、功能在合成過程中易受實驗溫度、時間以及實驗人員操作水平的影響,所以對于一些小尺寸、功能特殊的CDs合成還處在實驗室階段。在未來,發展新型的CDs制備技術及材料摻雜技術,合成性能優異的CDs,并深入研究基于CDs材料的作用機理,對解決環境樣品中抗生素的分析檢測難題具有重要意義。