表 1
抗生素的概况
Table 1.
Overview of antibiotics
引用本文:
黄翠萍, 黎杉珊, 陆杜鹃, 漆天乐, 申光辉, 张志清. 用于抗生素检测的纳米材料基电化学传感器研究进展[J]. 化学通报,
2021, 84(2): 139-148.
Citation: Cuiping Huang, Shanshan Li, Dujuan Lu, Tianle Qi, Guanghui Shen, Zhiqing Zhang. Progress in Nanomaterial-Based Electrochemical Sensors for Antibiotic Detection[J]. Chemistry, 2021, 84(2): 139-148.
Citation: Cuiping Huang, Shanshan Li, Dujuan Lu, Tianle Qi, Guanghui Shen, Zhiqing Zhang. Progress in Nanomaterial-Based Electrochemical Sensors for Antibiotic Detection[J]. Chemistry, 2021, 84(2): 139-148.
用于抗生素检测的纳米材料基电化学传感器研究进展
English
Progress in Nanomaterial-Based Electrochemical Sensors for Antibiotic Detection
Abstract:
In recent years, antibiotics have been widely used as basic therapeutic drugs in medicine, animal husbandry, aquaculture industries and so on. However, we are now facing serious contamination of antibiotics (e.g., ecological environment and food) and the associated health concerns because of their uncontrolled disposal. In an effort to resolve this problem, nanostructured electrochemical platforms comprising of diverse materials have been proposed to rapidly detect antibiotic residues, and considerable progress has been made. Here, various nano-electrochemical sensors for detection of antibiotics residues are reviewed. The present review begins with a brief introduction to antibiotics followed by an analysis of the electrochemical properties of antibiotics. Then, the review summaries the application of existing nano-electrochemical platforms comprising of diverse nanostructured materials to highlight the significance of the nanomaterials for detection of antibiotics in diverse matrices. Finally, we provide an outlook on the future concepts of this research field to help upgrade the detecting techniques for antibiotics.
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Key words:
- Antibiotics
- / Nanomaterials
- / Nanostructures
- / Electrochemical sensor
-
抗生素被广泛用来治疗或抑制致病菌感染[1]，对促进人类健康和养殖业的发展具有重要意义。多年来，抗生素滥用引发的环境污染与食品污染问题日趋严重。研究表明，抗生素对生物和环境的危害很大，对人类存在直接毒性作用、过敏反应或潜在的器官毒性、致畸变、致癌作用等多种不良影响[2]，同时造成生物体内或环境中出现大量抗生素耐药菌[3]，从而加大临床用药难度，威胁着人类生命安全。因此，发展抗生素残留的快速检测方法尤为重要。
1. 抗生素概述
抗生素于20世纪40年代作为治疗疾病的药物问世，而后发展成为一个庞大的抗生素家族[4]。目前人类发现的抗生素数以万计，可经微生物代谢、人工合成和人工半合成的途径获得[2]，它们依据各自化学结构中官能团的不同而表现出不同的抑菌活性，按照化学骨架的相似性对其大致分类如表 1所示，每种分类下具有不同的亚类。
表 1
下载:
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抗生素种类 基本骨架 代表药物 目标微生物 抑菌机理 来源 喹诺酮类[5] 氮(杂)双并环结构： 
恩诺沙星、环丙沙星、氧氟沙星 G+、G- 阻碍DNA的合成 人工合成 β-内酰胺类[6] β-内酰胺环： 
青霉素、头孢菌素、头霉菌素 G+、G- 破坏细胞壁 微生物代谢、人工半合成 大环内酯类[7] 大环内酯环： 
红霉素、罗红霉素、克拉霉素 G+ 抑制蛋白质合成 微生物代谢 氨基糖苷类[8] 两个或多个经糖苷键与氨基环糖醇相连的氨基糖： 
链霉素、庆大霉素、卡那霉素 G- 干扰蛋白质的合成 微生物代谢、人工半合成 四环素类[9] 十二氢化并四苯： 
四环素、土霉素 G+、G- 干扰蛋白质的合成 微生物代谢、人工半合成 氯霉素类[3] 对硝基苯基、丙二醇与二氯乙酰胺： 
氯霉素、甲砜霉素 G+、G- 抑制蛋白质合成 微生物代谢、人工合成 磺胺类[10] 对氨基苯磺酰胺： 
磺胺、磺胺嘧啶、磺胺噻唑 G+、G- 阻碍核酸前体物的合成 人工合成 其他[11] - 甲硝唑、磷霉素、抗真菌素等 - - - 注：G+(革兰氏阳性菌)、G-(革兰氏阴性菌) 近年来，随着细菌抗生素耐药性问题的日趋严重，药源性疾病逐渐增多，导致临床用药抗菌难度加大。美国疾病控制和预防中心(CDC)称，由耐药病原体引起的感染人数约200万，每年造成近23000人死亡和550亿美元的损失[12]。欧洲地区的抗生素耐药性与大约2.5万人的死亡以及每年约15亿欧元的损失有关[13]。我国作为全球最大的抗生素生产国和消费国，每年约一半的抗生素作为饲料添加剂用于畜禽养殖业中，高达9.7万吨[14]。有报道称，如果全球抗生素消费得不到控制，至2030年，全球抗生素消费总量将增加202%[2]。
大多抗生素在生物体内无法被降解，多以原体的形式排入到环境中，成为环境的潜在污染物[15]。大量的抗生素进入环境极易打破微生态平衡，加速耐药菌的产生，这些细菌携带的耐药基因可经食物链转移给动物或人类[16]。由于人类对食物资源的持续需求使得抗生素的滥用现象日益严峻。而这会导致动物可食用肉、内脏或代谢副产物中残留超标[17]，或抗生素抗性基因(ARG)在动物肠道中(如虾等甲壳类动物)选择性富集。总之，暴露于抗生素后对粘膜微生物群、免疫学参数以及抗氧化剂和代谢酶的活性具有持久影响[18]。因此，对动物源食品(牛奶、肉类等)、自然环境(水资源、土壤等)和医学环境(血清等)等基质中的抗生素定量分析十分重要。
抗生素残留的基质环境组成复杂，因此迫切需要开发经济、快速、灵敏、高效稳定、前处理简单且易于推广的抗生素检测方法来满足生活生产的需要。因此，除了规范抗生素的使用，通过对抗生素残留现状的有效监控来保障食品安全和人类生命安全具有重要的意义。
目前发展的抗生素检测方法主要包括色谱分析法[19]、毛细管电泳法[20]、微生物法[21]、免疫分析法[22]以及电化学分析法[23]。相比之下，电化学分析法前处理简单、清洁环保、成本低且小型化，利于实现现场应用分析。近年来，基于各种纳米材料和独特纳米结构在传感界面的应用与成就[24]，使得电化学分析法成为检测抗生素等污染物的研究热点。
2. 抗生素的电化学分析
电化学分析依赖于电化学传感器上产生的可测量电信号，这个信号可以是伏安型、电位型、电导型或阻抗型的。不同的电信号如电流、电阻，它们能跟溶液浓度建立起线性关系，从而不仅能够反映出目标物的含量，同时可反映传感界面的电化学性质(转移电子能力的强弱)。伏安分析法作为常用的电化学分析技术，包括循环伏安法(CV)[25]、差分脉冲伏安法(DPV)[26]等，可以明显降低对抗生素的检测限以及扩大线性检测范围。
抗生素的基本骨架及衍生官能团决定了不同抗生素电化学活性的强弱。CV是研究抗生素电化学行为的基本测试技术，通过在一定电位范围内一次或多次的反复扫描，使电极上能交替发生不同的还原和氧化反应，通过CV曲线来判断目标物的氧化还原性质。抗生素可能具有氧化性[10]、还原性[7]或同时可被氧化和还原[27]。电活性位点位于基本骨架的同类抗生素具有相同的电化学性质，如四环素类[28]、磺胺类[10]、氯霉素类[29]等。但也有电活性位点并不在基本骨架的抗生素如阿莫西林[30]，经取代衍生得到的抗生素可能具有更高的电化学活性，这主要取决于取代基官能团的性质(如表 2)。
表 2
表 2 抗生素的电化学反应性质Table 2. Electrochemical analysis of antibiotics下载:
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抗生素种类 电化学反应性质 电活性位点 传感器类型 喹诺酮类 环丙沙星： 
非可逆氧化 2, 5, 6位点氧化为酚羟基[16] 化学传感器 左氟氧沙星： 
非可逆氧化 7号位取代基中N-CH3键加氧氧化[31] 化学传感器 β-内酰胺类 青霉素： 
非可逆氧化 7号位羰基氧化为酸[32] 酶传感器 阿莫西林： 
非可逆氧化 酚羟基氧化为苯酚[30] 化学传感器 磺胺类 磺胺恶唑： 
非可逆氧化 芳香胺脱氢[10] 化学传感器 四环素类 四环素： 
非可逆氧化 10号位酚羟基氧化[28] 化学传感器 土霉素： 
非可逆氧化 10号位酚羟基氧化[33] 酶传感器 氨基糖苷类 硫酸丁胺卡那霉素： 
可逆氧化还原 氮氧中氮脱氢[27] 化学传感器 氯霉素类 氯霉素： 
可逆氧化还原 硝基苯[29] 化学传感器 多肽类 多粘菌素： 
可逆氧化还原 1号位氮氧化[34] 纳米酶传感器 大环内酯类 阿奇霉素： 
非可逆氧化 二甲基氨基氧化[35] 分子印迹传感器 其他 甲硝唑： 
非可逆还原 硝基加氢[11] 化学传感器 呋喃妥因： 
非可逆还原 硝基加氢[25] 化学传感器 吡嗪酰胺： 
可逆氧化还原 4-位N加氢[36] 化学传感器 图 1
图 1. (A) 用于构建抗生素电化学传感界面的金属纳米的类型及结构示意图；(B)金属纳米粒子的SEM和TEM拓扑形貌图：包括金铂纳米合金(a)[50]、金纳米线[31](b)、铂纳米颗粒[51] (c)的SEM图，SiO2@MnO2纳米复合材料[5]的TEM图(d)及金属有机纳米骨架的SEM(e)和TEM图(f)[47]Figure 1. (A) Schematic diagram of different types of metal nanostructures used to construct an electrochemical sensor interface for antibiotics; (B) topography of metal nanoparticles, where SEM images including (a) gold platinum nano-alloys[50], (b) gold nanowires[31], (c) platinum nanoparticles[51], and TEM images including (d) SiO2 @ MnO2 nanocomposites[5], Metal organic nano-skeleton (NMOF) SEM picture (e) and TEM picture (f)[47]3. 用于构建抗生素电化学传感器的纳米材料
电化学传感器的界面性质对于传感器分析性能的优劣至关重要。金属及金属化合物纳米颗粒[6]、碳纳米材料[37]、纳米导电聚合物[38]等是常用于制备传感器界面的修饰材料，它们具有大的表面积、优异的导电性、高效的电催化活性以及良好的生物相容性。这些特性与纳米材料的成分、形态和结构等因素密切相关。
3.1 金属纳米材料
多种金属或金属化合物(包括Au[39]、Ag[8]、Pt[40]、Pd[41]、CuO[42]、Cu2S[29]、WS2[43]、MoS2[44]、SiO2[5]等)都被当作电极修饰物用于增加传感界面的活性表面积、改善导电性能或表现出催化性能，这归因于金属纳米粒子本身优异的电子传输能力。纳米金属通过化学或电化学等方法可形成纳米球[42]、纳米线[45]、纳米棒[46]、纳米片[44]等多种形态，主要与合成条件有关[45]。
通过有机分子为连接基的金属有机骨架(MOFs)是一类新型的以特殊金属离子为节点的微孔材料，多孔的MOFs具有较大的内表面积、超高的孔隙率以及各种接枝官能团而有助于生物标签(如适配体[47]、DNA链[48]、酶[40]等)的固定。其中负载的各种金属离子包括Pb2+、Cd2+、Zr4+、Zn2+、Cu2+等被广泛用作信号源[48]，有助于信号的产生与放大；而且多孔性质可提高对目标抗生素的吸附性，从而使得检测限明显下降，检测灵敏度大大提高[49]。
3.2 碳基纳米材料
碳基纳米材料主要包括碳纳米管(CNTs)[38]、石墨烯[25]、氧化石墨烯(GO)[52]、碳纳米纤维(CNFs)[39]、纳米金刚石[36]、碳量子点(CDs)[8]等以及各种掺杂碳纳米材料[43]，具有优异的导电性。其中CNTs和石墨烯家族纳米材料应用最为广泛。CNTs的管状结构是由石墨薄片卷曲而成，有单壁和多壁之分；此外，功能化的CNTs，如氮掺杂CNT[37]、氨基功能化CNT[44]、普鲁士蓝纳米管修饰CNT[53]等，具备更好的生物相容性而有利于修饰固定。
石墨烯是组成石墨的碳原子单层，石墨烯基纳米材料具有较大的理论表面积和较强的电子转移能力[54]。然而，实际应用时石墨烯片层间极易因强烈的范德华力和π-π等的作用力而聚集成石墨，使得超凡的纳米材料特性大大降低。石墨烯易于功能化，GO[55]、掺杂石墨烯[41]、石墨烯量子点[8]等都是石墨烯重要的衍生物，它们还具有更好的生物兼容性，在石墨烯的实际应用中发挥着重要的作用。
3.3 其他纳米材料
近年来，金属与碳基纳米材料复合物颇受欢迎，在它们的协同作用下，不仅能够有效防止团聚，而且赋予了电极界面高电子电导率并改善了电子传递动力学，通过提高界面的电活性表面积，从而显著提高电流响应和检测性能[25]。一些不具电活性的碳水化合物纳米材料，如β-环状糊精(β-CD)[11]、壳聚糖(CS)[56]、纤维素[57]等，其携带的官能团能防止碳基纳米颗粒的团聚，反而能提高检测性能[11]。
磁性纳米粒子具有良好的生物相容性，有助于增强纳米材料与生物成分的结合。磁性复合纳米材料包括磁性共价有机骨架(COFs)[58]、磁性分子印迹聚合物(MIPs)[59]等，它们具有更好的电子传递能力，有利于电化学信号的放大[46]。此外，通过聚合反应合成具有纳米结构的高分子可赋予传感器高的载流子迁移率，多用于分子印迹纳米材料[60]，其同样在传感器的制备中发挥着重要的作用。
4. 抗生素纳米材料基电化学传感器的类型
4.1 复合纳米材料电化学传感器
大量研究表明，纳米材料具有的巨大表面积和独特的结构能形成高效传感界面，提高电化学传感器对抗生素的检测性能(灵敏度、稳定性、重复性和选择性等)。以下列出部分纳米传感界面(如表 3)，它们可用于多种样品基质中(肉类[44]、奶类[25]、环境水[26]、血清[37]等)抗生素的测定。
表 3
表 3 用于测定抗生素的复合纳米材料电化学传感界面Table 3. Nanomaterials used to determine antibiotics modify the electrochemical sensing interface下载:
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序号 纳米传感界面 基底电极 传感技术 检测限 线性范围 目标物 样品基质 1 GO-Au-MIP SPCE DPV 36nmol/L 110~750 nmol/L CLO 牛奶[26] 2 LuVO4/GRS GCE CV 1nmol/L 0.008~256μmol/L NFT 河水[25] 3 NH2-MWCNT/COF/MoS2 GCE ASV/CV 0.11μM 0.3~200μmol/L SMR 猪肉/鸡肉[44] 4 ND GCE SWV 0.22nmol/L 0.79~49nmol/L PZA 药物[36] 5 CuCo2O4/N-CNTs GCE DPV 0.48nmol/L 5~100nmol/L MNZ 血清/尿液[37] 6 MWCNT/PBnc SPE DPV 60nmol/L 0.1~10μmol/L SMZ 尿液[53] 7 MWCNT-CPE/pRGO-ANSA/Au CPE LSV 0.016μmol/L 0.03~1.0μmol/L/1.0~50μmol/L NFX 血浆[61] 8 RGO/Cu2S NC SPCE CV 15.3nmol/L 60nmol/L~1954.5μmol/L CAP 鲜牛奶[29] 9 CuO/SWCNTs/1-B-3-MIHFP CPE SWV 0.04μmol/L 0.08~650μmol/L SFX 牛奶/血清[10] 10 RGO/Pd NPs GCE DPV/CV 50nmol/L 0.05~1μmol/L CAP 水/蜂蜜[41] 11 GR-β-CD/CuO NPs GCE CV 0.6nmol/L 0.002~210μmol/L MTZ 药品[11] 12 GNFs GCE DPV 0.15nmol/L/0.38nmol/L 0.5~5.5nmol/L MNZ/CAP 药物[62] 13 Si-Fe/NOMC GCE DPV 0.03μmol/L 1~500μmol/L CAP 药品[62] 14 Mn2O3 TNS SPCE DPV 4.26nmol/L 0.015~1.28μmol/L/1.35~566.3μmol/L CAP 鲜牛奶[63] 15 (l-cys)/Au NPs/RGO GCE DPV 3pmol/L 1~1.0×1011pmol/L10~1.0×108pmol/L LEV 血清[31] 16 MIP/MIOPPy-Au NPs SPCE DPV 0.65μmol/L 1~20μmol/L TC 食品[3] 17 MIP/GNW/GO GCE DPV 7.1nmol/L 20~950nmol/L CEF 血清[45] 18 MIP/CDs/CS/AuNPs GCE CV 0.757nmol/L 1~1000nmol/L Patulin 苹果汁[56] 19 MIP-MWCNTs-GR SPCE SWV 50nmol/L ~ β-lactam 牛奶[38] 20 MIP-COF/GO GCE DPV 0.16μmol/L 0.5~200μmol/L SDZ 牛/猪/鸡[64] 21 MIP/GNU/GO GCE ASV 0.1nmol/L 0.293~0.07μmol/L AZT 血清[52] 注：LuVO4(钒酸镥)；GRS(石墨烯纳米片)；MoS2(二硫化钼)；NH2-MWCNT(氨基功能化碳纳米管)；ND(纳米金刚石)；PBnc(普鲁士蓝)；pRGO(部分还原的氧化石墨烯)；ANSA(6-氨基萘-2-磺酸)；Cu2S NC(硫化亚铜纳米球)；SWCNTs(单壁碳纳米管)；1-B-3-MIHFP (1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸氢铵)；RGO(还原氧化石墨烯)；GNFs(石墨烯纳米薄片)；Si-Fe/NOMC(铁氮共掺杂有序介孔碳硅纳米复合材料)；Mn2O3 TNS(锰(Ⅲ)氧化物纳米结构)；L-cys(聚半胱氨酸)；MIOPPy(分子印迹过氧化聚吡咯)；GNW(金纳米线)；GNU(金纳米晶)；SPCE(丝网印刷碳电极)；GCE(玻碳电极)；SPE(丝网印刷电极)；CPE(碳糊电极)；ASV(微分脉冲阳极溶出伏安法)；SWV(方波伏安法)；LSV(线性扫描伏安法)；EIS(电化学阻抗谱)；CLO(氯唑西林)；NFT(呋喃妥因)；SMR(磺胺嘧啶)；PZA(吡嗪酰胺)；MNZ(甲硝唑衍生物)；NFX(诺氟沙星)；SMZ(磺胺甲恶唑)；MTA(甲硝唑)；SFX(磺胺恶唑)；CAP(氯霉素)；LEV(左氧氟沙星)；TC(四环素)；CEF(头孢克肟)；Patulin(棒曲霉素)；β-lactam(β-内酰胺)；SDZ(磺胺嘧啶)；AZT(阿奇霉素)。 4.1.1 无机纳米材料电化学传感器
碳基和金属基无机纳米材料也是具有内在酶活性的纳米材料[65]，表现出非凡的催化特性和储存稳定性。易于发生电化学氧化还原的抗生素可直接通过纳米传感界面实现快速检测。Yi等[41]用钯纳米颗粒与rGO的复合材料(rGO/Pd NPs)修饰GCE电极，可高灵敏度和高选择性地检测氯霉素。rGO有助于Pd NPs在电极表面的固定和均匀分散，同时因Pd NPs大的比表面积和良好的电化学性能显著提高纳米复合材料对水和蜂蜜中氯霉素的电催化活性。
4.1.2 分子印迹聚合物纳米电化学传感器
分子印迹技术是利用结构互补的原理实现特异性检测[3]。MIP是包含对模板分子具有选择性识别位点的聚合物颗粒[26]，有研究尝试将MIP制备成纳米级别直接用于电化学传感器检测，但用于抗生素检测的鲜有报道。常见报道是以纳米材料作为负载基底，来提高抗生素检测的电流反馈。Guo等[56]首次使用CDs、CS与Au NPs相结合来修饰分子印迹电化学传感器，实现了对苹果汁中棒曲霉素的快速定量检测。
4.2 生物电化学传感器
纳米材料独特的结构可为生物活性成分提供依附的位置，利于其固定化使用，从而提高使用效率或延长使用期。此外，基于纳米材料的生物传感界面在实际样品中检测(如表 4)的灵敏度会进一步提高。
表 4
表 4 用于测定抗生素的纳米级生物电化学传感界面Table 4. Nanoscale electrochemical biosensor interface for the determination of antibiotics下载:
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序号 纳米传感界面 生物信号 传感技术 检测限 线性范围 目标物 样品基质 文献 1 Ag/2D Cu-TCPP(Fe)/MWCNTs/GCE Ab2/Ab1 CV 0.395ng/mL 1.186~28.051ng/mL SAs 自来水 [65] 2 Ag NPs/SWCNHs/Ab/Cag/Au NDs/GCE Ab2/Ab1 LSV 0.12ng/mL 0.33~63.81ng/mL SAs 河水 [66] 3 Pt NWA/ β-lactamase CV 10.5μmol/L 20~310μmol/L Penicillin 鸡肉/牛肉 [40] 4 PEI/TetX2/NPGCE TetX2 CV 0.41μmol/L 0.5~5μmol/L TC 牛奶 [67] 5 OMC-AuNPs/CNFs Apt DPV 45μmol/L 45~87.3pmol/L STR 牛奶 [39] 6 M-NMOF Apt SWV 0.16/0.19pmol/L ~ KAN/CAP 食品 [49] 7 GCE/GQDs-N-S/AuNPs/Y-DNA Apt EIS 0.0033pmol/L 0.01~812.21pmol/L STR 血清 [8] 8 Apt/AuNPs/GQD-SH/GCE Apt DPV 0.033pmol/L 0.1~700pmol/L STR 动物源食品 [17] 9 GCE/PCNR/GR-Fe3O4-AuNPs/ssDNA Apt DPV 0.028nmol/L 0.05~200nmol/L STR 牛奶 [46] 10 Py-M-COF Apt EIS 6.07/0.04fg/mL ~ ENR/AMP 血清 [60] 注：2D Cu-TCPP(Fe)(二维铜-铁金属有机骨架)；SWCNHs(单壁碳纳米角)；PEI(聚乙烯亚胺)；Pt NWA(铂纳米线)；TetX2(单加氧酶)；OMC-AuNPs(介孔碳金纳米颗粒)；NPGCE(纳米多孔玻碳电极)；M-NMOF(纳米金属有机骨架)；GQDs-N-S(功能化石墨烯量子点)；GQD-SH (硫醇石墨烯量子点)；Ab1(一抗)；Ab2(二抗)；β-lactamase(β-内酰胺酶)；Apt(适配体)；STR(链霉素)；SAs(磺酰胺)；KAN(卡那霉素)。 4.2.1 酶传感器
抗生素分解酶是一种检测抗生素的重要生物活性成分，它们可特异性地与抗生素结合并发生化学反应[67]，如青霉素酶可以选择性催化青霉素产生青霉酸，期间会释放电子和氢离子从而形成电信号被检测。Li等[40]采用阳极氧化铝膜制备出多段金铂纳米线，然后使用碳化二亚胺/N-羟基琥珀酰亚胺(EDC/NHS)交联剂将青霉素酶固定在铂纳米线段上，混合纳米线阵列结构显著提高了传感器对鸡肉或牛肉样品中青霉素的分析性能(见图 2)。金铂片段的不同长度是影响检测灵敏度的主要原因，这与青霉素酶的附着量有关。表明纳米结构会增加生物酶的作用位点，提高检测性能。
图 2
图 2. (A) 金铂纳米线阵列负载青霉素酶；(B)青霉素酶/Pt纳米线阵列测量100μmol/L青霉素的CV图；(C)青霉素酶催化青霉素的机理分析；(D, E)金-铂纳米线的SEM表征图；改变Au-Pt纳米线的长度后所得不同浓度的四环素(F)和青霉素(G)的阴极峰值电流[40]Figure 2. (A) gold-platinum nanowire array loaded with penicillinase; (B) CV graph of penicillinase/Pt nanowire array sensing 100 μmol/L penicillin; (C) mechanism analysis of penicillin-catalyzed penicillin; (D, E) SEM characterization images of Au-Pt nanowires; The cathodic peak current of different concentrations of tetracycline (F) and penicillin (G) obtained by changing the length of the Au-Pt nanowires[40]4.2.2 免疫传感器
抗生素可能是过敏原能引起生物体的过敏反应，可采用竞争型免疫反应的原理对抗生素进行检测[65]。以纳米复合材料作为传感基底还可以在一定程度上对抗体分子进行保护，Zhang等[66]建立了一种基于金纳米树枝晶(Au NDs)/Ag NPs/单壁碳纳米角(SWCNHs)的新型竞争性电化学免疫传感器，用于水生环境中磺酰胺的灵敏测定(见图 3)。所用的三维Au NDs可以增加电极的电导率和有效表面积的大小，以提高包被抗原负载。
图 3
4.2.3 适配体传感器
近年来，核酸适配体和新型纳米结构界面材料因在检测精准度方面的优势而受到研究者们的青睐。核酸适配体是体外筛选得到的具有三维结构的短的单链或双链DNA或RNA序列，这些短序列可以与蛋白质、小分子等物质结合，因此能作为与目标物有选择且灵敏结合的识别探针[39]。抗生素属于有机小分子物质，在体外即可筛选得到对每种抗生素具有特异性高亲和力的适配体，它们之间通过范德华力、氢键和疏水作用结合形成复合物，从而导致相应信号的变化，因此可以定量检测抗生素[49]。
金属纳米和碳纳米材料能形成极佳的纳米复合结构，Yin等[46]利用多孔碳纳米球和石墨烯复合材料(GR-Fe3O4-AuNPs)形成的多孔碳纳米棒(PCNR)作为链霉素适配体传感器的基底，通过Au NPs与巯基之间的共价键强作用力将链霉素适体固定在电极上，PCNR有助于放大电流信号，这不仅节约了制备适配体传感器的成本，还大大提高了传感器的检测灵敏度和稳定性。
5. 结语
本文介绍了不同结构的纳米材料改善电化学传感器性能(如选择性、稳定性、灵敏度和线性范围)的最新进展，借助纳米材料构建的电化学传感界面能够更加稳定、快速和灵敏地检测抗生素。尽管如此，由于同类抗生素结构相似度大，容易发生交叉干扰。经过不同方式制备的纳米材料具有独特的结构及表面状态，这与传感器的性能密切相关。研究表明，纳米材料之间具有某种协同作用，这种作用会受到结构的影响。但研究者对纳米材料间如何相互作用并不完全清楚，纳米结构形成的控制技术也并不成熟，因此关于纳米材料修饰电化学传感器方面的研究仍需进一步深入。期望通过实现多功能纳米材料、识别原件和电化学方法之间的协同作用，以设计出具有新功能的纳米界面，从而使基于纳米材料的电化学传感器实现在更加复杂的生物环境中对抗生素进行快速现场检测。
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图 1 (A) 用于构建抗生素电化学传感界面的金属纳米的类型及结构示意图；(B)金属纳米粒子的SEM和TEM拓扑形貌图：包括金铂纳米合金(a)[50]、金纳米线[31](b)、铂纳米颗粒[51] (c)的SEM图，SiO2@MnO2纳米复合材料[5]的TEM图(d)及金属有机纳米骨架的SEM(e)和TEM图(f)[47]
Figure 1 (A) Schematic diagram of different types of metal nanostructures used to construct an electrochemical sensor interface for antibiotics; (B) topography of metal nanoparticles, where SEM images including (a) gold platinum nano-alloys[50], (b) gold nanowires[31], (c) platinum nanoparticles[51], and TEM images including (d) SiO2 @ MnO2 nanocomposites[5], Metal organic nano-skeleton (NMOF) SEM picture (e) and TEM picture (f)[47]
图 2 (A) 金铂纳米线阵列负载青霉素酶；(B)青霉素酶/Pt纳米线阵列测量100μmol/L青霉素的CV图；(C)青霉素酶催化青霉素的机理分析；(D, E)金-铂纳米线的SEM表征图；改变Au-Pt纳米线的长度后所得不同浓度的四环素(F)和青霉素(G)的阴极峰值电流[40]
Figure 2 (A) gold-platinum nanowire array loaded with penicillinase; (B) CV graph of penicillinase/Pt nanowire array sensing 100 μmol/L penicillin; (C) mechanism analysis of penicillin-catalyzed penicillin; (D, E) SEM characterization images of Au-Pt nanowires; The cathodic peak current of different concentrations of tetracycline (F) and penicillin (G) obtained by changing the length of the Au-Pt nanowires[40]
表 1 抗生素的概况
Table 1. Overview of antibiotics
抗生素种类 基本骨架 代表药物 目标微生物 抑菌机理 来源 喹诺酮类[5] 氮(杂)双并环结构： 恩诺沙星、环丙沙星、氧氟沙星 G+、G- 阻碍DNA的合成 人工合成 β-内酰胺类[6] β-内酰胺环： 青霉素、头孢菌素、头霉菌素 G+、G- 破坏细胞壁 微生物代谢、人工半合成 大环内酯类[7] 大环内酯环： 红霉素、罗红霉素、克拉霉素 G+ 抑制蛋白质合成 微生物代谢 氨基糖苷类[8] 两个或多个经糖苷键与氨基环糖醇相连的氨基糖： 链霉素、庆大霉素、卡那霉素 G- 干扰蛋白质的合成 微生物代谢、人工半合成 四环素类[9] 十二氢化并四苯： 四环素、土霉素 G+、G- 干扰蛋白质的合成 微生物代谢、人工半合成 氯霉素类[3] 对硝基苯基、丙二醇与二氯乙酰胺： 氯霉素、甲砜霉素 G+、G- 抑制蛋白质合成 微生物代谢、人工合成 磺胺类[10] 对氨基苯磺酰胺： 磺胺、磺胺嘧啶、磺胺噻唑 G+、G- 阻碍核酸前体物的合成 人工合成 其他[11] - 甲硝唑、磷霉素、抗真菌素等 - - - 注：G+(革兰氏阳性菌)、G-(革兰氏阴性菌) 
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表 2 抗生素的电化学反应性质
Table 2. Electrochemical analysis of antibiotics
抗生素种类 电化学反应性质 电活性位点 传感器类型 喹诺酮类 环丙沙星： 非可逆氧化 2, 5, 6位点氧化为酚羟基[16] 化学传感器 左氟氧沙星： 非可逆氧化 7号位取代基中N-CH3键加氧氧化[31] 化学传感器 β-内酰胺类 青霉素： 非可逆氧化 7号位羰基氧化为酸[32] 酶传感器 阿莫西林： 非可逆氧化 酚羟基氧化为苯酚[30] 化学传感器 磺胺类 磺胺恶唑： 非可逆氧化 芳香胺脱氢[10] 化学传感器 四环素类 四环素： 非可逆氧化 10号位酚羟基氧化[28] 化学传感器 土霉素： 非可逆氧化 10号位酚羟基氧化[33] 酶传感器 氨基糖苷类 硫酸丁胺卡那霉素： 可逆氧化还原 氮氧中氮脱氢[27] 化学传感器 氯霉素类 氯霉素： 可逆氧化还原 硝基苯[29] 化学传感器 多肽类 多粘菌素： 可逆氧化还原 1号位氮氧化[34] 纳米酶传感器 大环内酯类 阿奇霉素： 非可逆氧化 二甲基氨基氧化[35] 分子印迹传感器 其他 甲硝唑： 非可逆还原 硝基加氢[11] 化学传感器 呋喃妥因： 非可逆还原 硝基加氢[25] 化学传感器 吡嗪酰胺： 可逆氧化还原 4-位N加氢[36] 化学传感器
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表 3 用于测定抗生素的复合纳米材料电化学传感界面
Table 3. Nanomaterials used to determine antibiotics modify the electrochemical sensing interface
序号 纳米传感界面 基底电极 传感技术 检测限 线性范围 目标物 样品基质 1 GO-Au-MIP SPCE DPV 36nmol/L 110~750 nmol/L CLO 牛奶[26] 2 LuVO4/GRS GCE CV 1nmol/L 0.008~256μmol/L NFT 河水[25] 3 NH2-MWCNT/COF/MoS2 GCE ASV/CV 0.11μM 0.3~200μmol/L SMR 猪肉/鸡肉[44] 4 ND GCE SWV 0.22nmol/L 0.79~49nmol/L PZA 药物[36] 5 CuCo2O4/N-CNTs GCE DPV 0.48nmol/L 5~100nmol/L MNZ 血清/尿液[37] 6 MWCNT/PBnc SPE DPV 60nmol/L 0.1~10μmol/L SMZ 尿液[53] 7 MWCNT-CPE/pRGO-ANSA/Au CPE LSV 0.016μmol/L 0.03~1.0μmol/L/1.0~50μmol/L NFX 血浆[61] 8 RGO/Cu2S NC SPCE CV 15.3nmol/L 60nmol/L~1954.5μmol/L CAP 鲜牛奶[29] 9 CuO/SWCNTs/1-B-3-MIHFP CPE SWV 0.04μmol/L 0.08~650μmol/L SFX 牛奶/血清[10] 10 RGO/Pd NPs GCE DPV/CV 50nmol/L 0.05~1μmol/L CAP 水/蜂蜜[41] 11 GR-β-CD/CuO NPs GCE CV 0.6nmol/L 0.002~210μmol/L MTZ 药品[11] 12 GNFs GCE DPV 0.15nmol/L/0.38nmol/L 0.5~5.5nmol/L MNZ/CAP 药物[62] 13 Si-Fe/NOMC GCE DPV 0.03μmol/L 1~500μmol/L CAP 药品[62] 14 Mn2O3 TNS SPCE DPV 4.26nmol/L 0.015~1.28μmol/L/1.35~566.3μmol/L CAP 鲜牛奶[63] 15 (l-cys)/Au NPs/RGO GCE DPV 3pmol/L 1~1.0×1011pmol/L10~1.0×108pmol/L LEV 血清[31] 16 MIP/MIOPPy-Au NPs SPCE DPV 0.65μmol/L 1~20μmol/L TC 食品[3] 17 MIP/GNW/GO GCE DPV 7.1nmol/L 20~950nmol/L CEF 血清[45] 18 MIP/CDs/CS/AuNPs GCE CV 0.757nmol/L 1~1000nmol/L Patulin 苹果汁[56] 19 MIP-MWCNTs-GR SPCE SWV 50nmol/L ~ β-lactam 牛奶[38] 20 MIP-COF/GO GCE DPV 0.16μmol/L 0.5~200μmol/L SDZ 牛/猪/鸡[64] 21 MIP/GNU/GO GCE ASV 0.1nmol/L 0.293~0.07μmol/L AZT 血清[52] 注：LuVO4(钒酸镥)；GRS(石墨烯纳米片)；MoS2(二硫化钼)；NH2-MWCNT(氨基功能化碳纳米管)；ND(纳米金刚石)；PBnc(普鲁士蓝)；pRGO(部分还原的氧化石墨烯)；ANSA(6-氨基萘-2-磺酸)；Cu2S NC(硫化亚铜纳米球)；SWCNTs(单壁碳纳米管)；1-B-3-MIHFP (1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸氢铵)；RGO(还原氧化石墨烯)；GNFs(石墨烯纳米薄片)；Si-Fe/NOMC(铁氮共掺杂有序介孔碳硅纳米复合材料)；Mn2O3 TNS(锰(Ⅲ)氧化物纳米结构)；L-cys(聚半胱氨酸)；MIOPPy(分子印迹过氧化聚吡咯)；GNW(金纳米线)；GNU(金纳米晶)；SPCE(丝网印刷碳电极)；GCE(玻碳电极)；SPE(丝网印刷电极)；CPE(碳糊电极)；ASV(微分脉冲阳极溶出伏安法)；SWV(方波伏安法)；LSV(线性扫描伏安法)；EIS(电化学阻抗谱)；CLO(氯唑西林)；NFT(呋喃妥因)；SMR(磺胺嘧啶)；PZA(吡嗪酰胺)；MNZ(甲硝唑衍生物)；NFX(诺氟沙星)；SMZ(磺胺甲恶唑)；MTA(甲硝唑)；SFX(磺胺恶唑)；CAP(氯霉素)；LEV(左氧氟沙星)；TC(四环素)；CEF(头孢克肟)；Patulin(棒曲霉素)；β-lactam(β-内酰胺)；SDZ(磺胺嘧啶)；AZT(阿奇霉素)。
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表 4 用于测定抗生素的纳米级生物电化学传感界面
Table 4. Nanoscale electrochemical biosensor interface for the determination of antibiotics
序号 纳米传感界面 生物信号 传感技术 检测限 线性范围 目标物 样品基质 文献 1 Ag/2D Cu-TCPP(Fe)/MWCNTs/GCE Ab2/Ab1 CV 0.395ng/mL 1.186~28.051ng/mL SAs 自来水 [65] 2 Ag NPs/SWCNHs/Ab/Cag/Au NDs/GCE Ab2/Ab1 LSV 0.12ng/mL 0.33~63.81ng/mL SAs 河水 [66] 3 Pt NWA/ β-lactamase CV 10.5μmol/L 20~310μmol/L Penicillin 鸡肉/牛肉 [40] 4 PEI/TetX2/NPGCE TetX2 CV 0.41μmol/L 0.5~5μmol/L TC 牛奶 [67] 5 OMC-AuNPs/CNFs Apt DPV 45μmol/L 45~87.3pmol/L STR 牛奶 [39] 6 M-NMOF Apt SWV 0.16/0.19pmol/L ~ KAN/CAP 食品 [49] 7 GCE/GQDs-N-S/AuNPs/Y-DNA Apt EIS 0.0033pmol/L 0.01~812.21pmol/L STR 血清 [8] 8 Apt/AuNPs/GQD-SH/GCE Apt DPV 0.033pmol/L 0.1~700pmol/L STR 动物源食品 [17] 9 GCE/PCNR/GR-Fe3O4-AuNPs/ssDNA Apt DPV 0.028nmol/L 0.05~200nmol/L STR 牛奶 [46] 10 Py-M-COF Apt EIS 6.07/0.04fg/mL ~ ENR/AMP 血清 [60] 注：2D Cu-TCPP(Fe)(二维铜-铁金属有机骨架)；SWCNHs(单壁碳纳米角)；PEI(聚乙烯亚胺)；Pt NWA(铂纳米线)；TetX2(单加氧酶)；OMC-AuNPs(介孔碳金纳米颗粒)；NPGCE(纳米多孔玻碳电极)；M-NMOF(纳米金属有机骨架)；GQDs-N-S(功能化石墨烯量子点)；GQD-SH (硫醇石墨烯量子点)；Ab1(一抗)；Ab2(二抗)；β-lactamase(β-内酰胺酶)；Apt(适配体)；STR(链霉素)；SAs(磺酰胺)；KAN(卡那霉素)。
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