基于部分碳化NH_2-MI...素类抗生素比色检测方法研究_杨翔昊.pdf

第 卷第期 年月中 国 海 洋 大 学 学 报 （）：，基于部分碳化 （）的水中四环素类抗生素比色检测方法研究*杨翔昊，郭威，孙翠竹，李媛媛，徐功娣，李锋民*（中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 ）摘要：四环素类抗生素（，）在生产中的滥用会导致其在环境中的残留，极大提高了人体感染疾病的风险，并且目前仍缺乏快速、有效的检测手段。基于 在水中易与、产生强烈络合的特性，本文制备了一种部分碳化 （）用于水中 快速检测的比色检测方法。经惰性气氛煅烧法对 （）进行改性，制备了两种改性材料，并对两种改性材料和前体的表面形貌及化学结构进行了表征。对比了 （）和 、下煅烧的改性材料与土霉素间的络合效果，实验结果表明，种材料均可与土霉素络合，煅烧得到的部分碳化材料具有最佳催化效果，并显示出良好的稳定性和分散性。在优化的检测条件下（催化剂投加量 、浓度 、浓度 、反应时间 ），在 处的吸光度值与土霉素浓度之间呈现线性关系，线性范围为 （）。本文设计的比色方法可实现实际水体中 含量的灵敏、特异性检测，为完善水体安全监管体系提供了一定的理论与技术支撑。关键词：（）；部分碳化材料；四环素类抗生素；水环境；比色检测方法中图法分类号：文献标志码：文章编号：（）：引用格式：杨翔昊，郭威，孙翠竹，等 基于部分碳化 （）的水中四环素类抗生素比色检测方法研究 中国海洋大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：*基金项目：国家重点研究发展计划项目（）；山东省重大科技创新工程项目（）资助 （）；（）收稿日期：；修订日期：作者简介：杨翔昊（），男，硕士生。：*通讯作者：抗生素作为一种广谱类药物，成本低、副作用小且具有高效抗菌性能，已广泛应用于医疗领域。其中，四环素类抗生素（，）具有价格低、见效快等特点，是动物制药和饲料生产中的首选抗菌剂，在全世界抗生素生产使用总量中排名第二，且在中国的抗生素使用中是最为频繁的一类。然而，由于在动物体内代谢吸收不完全，的 会以排泄物的形式进入到土壤以及水环境中。残留在环境中的四环素具有持续性强、不易降解等特性，可能导致细菌基因突变，产生耐药菌，从而影响细菌感染的治疗效果，经食物链传递进入人体后会引发人体肠道菌群紊乱，危害人体健康。现有的 检测方法主要包括液相色谱质谱法、酶联 免 疫 吸 附 法、分 子 印 迹 法、适 体 抗 体 检 测法、光电化学检测法、荧光检测法、表面增强拉曼散射法 等。然而，这些检测方法大多需要庞大、昂贵的仪器、繁琐的检测过程且对操作人员的专业技术要求较高，应用范围十分受限。因此，建立一种简单，灵敏，准确度高的水中 检测方法具有重要的意义。近年来，比色法因具有测定快速、成本低、不需要精密仪器、可通过肉眼直接观察等优点，在检测领域受到广泛的关注 。基于天然酶建立的比色传感器过程简单、效率高 ，但天然酶的操作稳定性低（变性和消化）、制备和纯化成本高且回收利用困难。此外，酶活性容易受到 值、温度和抑制剂等环境因素的干扰，应用于比色分析时存在缺陷 。纳米材料作为天然酶的新兴替代品，能够耐受苛刻的反应条件，展现出良好的应用前景 。其中，金属有机骨架（，）是一类由有机配体交联的金属离子所组成的多孔纳米材料。陈红霞等人使用 作为框架，制作出一期杨翔昊，等：基于部分碳化 （）的水中四环素类抗生素比色检测方法研究种能够模拟血红蛋白和 双活性位点的高效、稳定的人工酶催化剂；李风亭等人发现 对的分解具有高效催化效果，并利用适体与靶分子结合会强烈抑制 的催化活性这一原理，设计出一 种 无 标 记 的 生 物 分 子 比 色 传 感 器 。尽 管 在检测应用中表现出巨大的潜力，但是在水中稳定性较差。实现 的信号转导放大并增强稳定性，是应用 构建选择性好和灵敏度佳的检测平台的关键。刘玉堂等人研究发现，在惰性气氛中对 进行热活化可以去除其孔隙中的预配位分子及杂质（，），产生更多可作为路易斯酸位点和活性中心的协调不饱和金属位点（，）。在惰性气氛中的热解规律主要分为以下四个部分：（）时孔隙中分子的脱附；（）时有机配体开始分解；（）时进一步发生碳化；（）后碳化完全 。过高的热解温度会导致 表面产生疏水碳层，不利于其在水中的分散。因此，确定适合的煅烧温度，在保证亲水性的同时达到活化效果，对提高材料在非均相体系中与 的络合能力十分重要。研究表明，（）具有丰富的铁活性位点，可以在 的温度范围及 的 范围内表现出 较 强 的 类 过 氧 化 氢 酶 活 性。本 文 选 取 与 两种热解温度，通过惰性气氛煅烧法对 （）进行改性，制备兼具水稳定性和催化能力的衍生材料。基于材料与 间的络合倾向，设计了一种可视化比色检测方法，检测机制是在室温、弱酸性条件下，与材料的络合物能够催化 生成活性氧自由基（，），从而氧化，四甲基联苯胺（，）生成 ，溶液显蓝色。材料与方法试验材料与仪器土霉素（，）购自北京索莱宝科技有限公司，四环素（，）、购自德国钻石试剂有限公司，磺胺甲恶唑、阿莫西林、氨苄青霉素、头孢拉定购自美国 ，诺氟沙星购自上海生工生物技术有限公司，氨基对苯二甲酸、购自罗恩试剂有限公司，、，二甲基甲酰胺（，）、醋 酸钠、冰醋酸、二甲亚砜、购自国药集团试剂有限公司，所有试剂均为试剂纯，无需纯化即可使用。利用扫描电子显微镜（，日本）与透射电子显微镜（，日本）对比材料热解后的表面形貌及内部结构，在 射线衍射仪（，荷兰）上使用 辐射进行 射线衍射实验，比较种材料的晶体结构，范围为 ，扫描时间为 。材料的表面化学态通过 源的 射线光电子能谱仪（，美国）测定。使用紫外可见光分光光度计（，元析，上海）测定吸光度值，验证材料对 混合液的催化效果。使用高效液相色谱仪（，美国）同步测定实际水样中的 含量，验证比色检测方法的准确性。实验方法材料的制备 （）是通过改进前人的方法制备得到的。将 （）和 （）氨基对苯二甲酸混合在 的 中，超声 使固体完全溶解。将获得的橙色溶液转移至聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压反应釜中，在 真空烘箱中加热 后，离心 ，获得红棕色沉淀物。用与乙 醇洗涤 次，真 空 干 燥 ，得 到 （）。干燥的 （）置于陶瓷舟中，分别在 和 下的 气氛中，以 的升温速率煅烧制备获得部分碳化材料。所制备的材料命名为 ，其中 为煅烧温度。种材料催化活性的比较与检测方法的优化制备好的 （）、分别在去离子水中超声分散 ，获得催化剂储备液。将 标准溶液、溶液、催化剂储备液依次添加到 醋酸钠缓冲液中（），立刻添加 二甲亚砜溶液（）。混合液（）在室温下反应 后，分别测定 处吸光度值，比较种材料的催化性能。材料 的 催 化 性 能 可 能 会 受 到 溶 液 浓 度、溶液浓度、催化剂投加量、混合液的 值、反应时间的影响，因此采用单因素法对这些影响因素进行优化：（）溶液浓度设置为 、，（）浓度设置为 、，（）催化剂浓度设置为、，（）缓冲液的 值设置为、，（）反应时间设置为 ，实验浓度始终采用 。比色检测方法对 的检测能力分析将适量的 溶解到去离子水中，制备 、标准样品。将 不同浓度的 溶液分别添加至 中国海洋大学学报 年醋酸钠缓冲液（）中，再依次添加 溶液（）、储备液（）、溶液（）。将混合液在室温下放置 后，测定 处的吸光度值以评估检测方法的性能。阿莫西林、磺胺甲恶唑、诺氟沙星、氨苄青霉素、头孢拉定（）和四环素（）也在相同的条件下检测以揭示该检测方法的选择性。比色检测方法对实际水体中 的检测性能验证种试验用水分别为采自李村河的景观回用水、三文鱼养殖场排水口水样、流清河入海口水样，分别配制成 、加标溶液，以模拟含 的再生水、养殖废水以及入海口地表水。在优化的实验条件下，通过上述检测方法测定加标水样中的 含量，探究该方法检测实际水体中 的性能。采用 法对上述水样进行同步测定，验证比色检测方法的准确性。数据分析所有实验均进行次重复测定，实验结果表达为次测定的平均值标准差（）。从检测仪器和智能手机中导出数据及图片，采用 软件进行数据分析，使用 软件进行绘图，采用单因素检验进行差异性分析，显著性水平为 。利用公式（）计算检测方法的检出限，利用公式（）计算方法检测实际水样的相对标准偏差。（，.）。（）?。（）式中：为方法检出限；为样品的平行测定次数；为自由度为，置信度为 时的分布值；为次平行测定的标准偏差；为相对标准偏差；为某一浓度水平样品测试的标准偏差；?为某一浓度水平样品测试的平均值。结果与讨论 （）、的制备表征材料的晶相结构会影响其稳定性和化学组成，因此，为探究高温煅烧对材料的晶相结构的影响，对种材料的物相和结晶度进行了表征（见图）。所合成的 （）衍射峰与之前文献报道的图谱一致 ，表明 （）前体的成功合成。与前体相比，高温煅烧材料 的衍射峰表现出明显减弱，是因为 的煅烧在晶体表面形成薄碳层，使材料结晶度下降。随着煅烧温度的升高，具有归属于 （）的一系列 特征峰。表明经过 的煅烧，（）已经完全转变为 的单一纯晶相。图不同煅烧温度下获得的种材料的 图谱 为了探究煅烧温度对材料晶体形貌的影响，通过、对 （）以及 、的表面形貌和结构进行了表征，结果如图所示。从图（），（）可以看出，合成的 （）前体呈现出典型的八面体结构，表面光滑，粒径范围为 。从图（）与图（）中发现，经过 煅烧后的 （）虽然保持着前体的八面体图种材料的、图像 期杨翔昊，等：基于部分碳化 （）的水中四环素类抗生素比色检测方法研究结构，但表面变粗糙，内部产生细小的纳米晶体以及纳米孔，尺寸减小，表明高温热解使 （）发生了碳化，晶体受热分解并收缩，杂质被去除，内部生成 小 颗 粒。下 高 温 煅 烧 的 （）（见图（），（）晶体结构被破坏，内部产生较大粒径的 颗粒，这与的表征结果一致。为进一步探究不同煅烧温度对 （）表面官能团的影响，对三种材料的化学键和化学基团进行了表征。如图（）所示，（）前体以及煅烧后的材料都是由 、三种主要元素组成的，元素来源于氨基对苯二甲酸作为连接配体合成 时所携带的氨基。煅烧后，的 值明显低于 （），归因于煅烧去除了前体中残留的 和 从而将更多的 暴露出来。中 值的进一步减少和 峰的增加则与碳化加剧相关。与已有的研究一致，王建龙、李传浩研究发现，（）的 谱图（见图（）显示出两个拟合峰，的对应峰是在 和 处结合能分别为 、（对应于 的 键）和 、（对应于 的 键）的强峰，同时还观察到结合能为 （对应于 ）的弱峰 ，在经过惰性气氛煅烧后，与 在 （对应于 ）处出现特征峰，处的峰也观察到明显的增加，表明高温煅烧会还原 生成 ，在 处 卫星峰的减少则说明煅烧后材料稳定性的提高。图（）的 谱图在 （对应于）、（对应于）和 （对应于）处的三个特征峰，与苯环和羧基有关。对于图（）中 的 谱图在 、处出现的三个峰分别与有 机 连 接 体 中 的 、和 有关 。随着煅烧温度的升高，与 的 峰显著增加，并向高结合能的方向移动，可能是由于材料的部分碳化所导致。图种材料的 谱图 中国海洋大学学报 年 的催化能力验证及种材料的催化性能对比 （）在 存在时能催化 产生蓝色的 ，因此对本研究中制备的 的催化能力进行了验证。如图，在 溶液中单独加入 溶液或 时（见图（），（），混合液在 处无吸收峰。与 同时存在于 溶液中时，吸光度升高至 （见图（），证明 在 存在时具有催化 氧化的能力。由于 分子中具有较多的含氧官能团，能够 促 进 其 与 中 铁 离 子 的 络 合，因 此 选 取 作为 的代表，将 的 溶液添加至含有催化剂的混合液中后，混合液的吸光度升高至 ，含量越高，吸光度越强，颜色越深（见图（）（）。以上结果均表明，以 作为催化剂建立 检测方法具有可行性。（）（）、（）（）、（）（）、（）、（）（）、（）、（）图不同条件下得到的紫外可见光光谱 为了比较以 （）、作为催化剂的检测方法的灵敏度，通过线性拟合种材料作为催化剂的 浓度吸光度曲线，以斜率作为增长速率比较了种材料对 的响应能力。如图所示，以 （）为例，与 混合后，随 浓度的升高，吸光度显著增加，吸光度随 浓度的增长速率为 。、也表现出类似的趋势，增长 速 率 分 别