金属有机骨架纳米传感器检测食品中的四环素类抗生素

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:yaoyanfeiyu
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动物性食品生产中四环素类抗生素(TCs)的过量使用或滥用会对与遗传信息解码和蛋白质合成有关的重要生物过程造成毁灭性影响,极大的增加了人体感染疾病的风险。传统检测TCs的方法大多过程繁琐,费时且需要昂贵的仪器和训练有素的专业人员。因此,开发廉价、简单、灵活和通用的策略/技术来检测TCs对动物性食品的安全控制至关重要。以荧光材料为信号平台的荧光分析法被认为是一种简单、快速、灵敏、易于操作、成本低廉的方法。金属有机骨架(MOFs)材料具有大的比表面积、可裁剪的结构、易于功能化的优异特性使其在抗生素检测中显示出巨大的潜力。然而,MOFs在抗生素残留检测方面仍存在特异性不强、检测灵敏性低和应用范围窄等不足。本研究针对动物性食品典型的TCs(四环素(TET)、多西环素(DOX)、土霉素(OTC)和金霉素(CTC))残留,针对性地设计了4种能够特异性识别TCs的功能化MOFs荧光传感器,实现了动物性食品中TCs残留的灵敏检测并探讨了TCs与MOFs之间的特异性作用机制,为构建和完善动物性食品安全监管提供了一定的技术和理论支撑。论文主要研究内容和取得的研究结果如下:(1)三维功能化Zr-MOF荧光传感器检测TCs通过一步溶剂热法合成了Ui O-66-X(X=NH2、OH、COOH、Br和NO2)五种不同官能团功能化的Zr-MOFs纳米材料,以荧光信号为指标筛选出最佳荧光MOFs材料—Ui O-66-NH2作为探针,构建了检测方法,探究了其检测机制并评估了其用于检测动物性食品中TCs的可行性。结果表明:五种不同官能团功能化的MOFs的荧光信号强弱排序为:Ui O-66-NH2>Ui O-66-COOH>Ui O-66-OH>Ui O-66-NO2>Ui O-66-Br。Ui O-66-NH2为正八面体结构,平均粒径为260 nm。Ui O-66-NH2在酸性条件下荧光信号稳定,具有强的抗光漂白能力。Ui O-66-NH2的–NH2能够将电子转移给TCs,同时发生内滤效应(IFE),导致荧光猝灭。最佳检测条件为:探针浓度为40.0 mg/L;p H为6.0;孵育时间为10 min和检测温度为室温。TCs的最低检测限(LODs)分别为68.6nmol/L(TET)、78.4 nmol/L(DOX)和124.9 nmol/L(OTC),均低于国际和国内标准规定的检测限。在常见的干扰物质存在的条件下,该探针可选择性的检测TCs。用此传感器检测动物性食品(鱼肉、鸡肉、猪肉、鸡蛋和牛奶)中的TCs残留获得可接受的回收率(95.64-100.82%),表明Ui O-66-NH2纳米荧光传感器对食品基质中TCs的检测具有良好的适用性。本方法具有材料易于合成和操作简单的优点,不过在特异性和灵敏度方面仍显不足。(2)二维氨基功能化Al-MOF荧光传感器检测TCs在优化出的2-氨基对苯二甲酸(NH2-BDC)有机配体的基础上,选择了五种不同的金属离子(Zr4+、Al3+、Cr3+、Ti4+和Fe3+)为金属源通过一步水热/溶剂热合成了不同金属源MOFs,以荧光信号和荧光寿命为指标,选择出最佳荧光MOFs材料—NH2-MIL-53(Al),探究了其荧光检测性能和机制,评估了NH2-MIL-53(Al)纳米探针用于检测动物性食品中TCs的可行性。结果表明:五种不同金属源合成的MOFs的荧光信号强弱排序为:NH2-MIL-53(Al)>NH2-MIL-53(Ti)>Ui O-66(Zr)-NH2>NH2-MIL-101(Cr)>NH2-MIL-88B(Fe)。NH2-MIL-53(Al)具有最短的平均荧光寿命,表明其最低的配体-金属电荷转移效率,因此发射出最强的荧光信号。相比于Ui O-66-NH2,NH2-MIL-53(Al)具有更宽的p H适用范围(p H 6.0-10.0)、更快的响应时间(25 s)和更好的抗干扰性。NH2-MIL-53(Al)检测TCs的LODs(DOX:40.36 nmol/L;TET:26.16nmol/L;OTC:62.05 nmol/L)比Ui O-66-NH2低。此传感器在常见动物性食品中定量检测TCs的回收率为85.15-112.13%,检测结果与HPLC法一致(p>0.05)。NH2-MIL-53(Al)纳米传感器合成简单、成本低和对环境友好,可替代HPLC法用于检测动物性食品中TCs。本法的灵敏度仍显不足。(3)三维ZIF-8纳米粒子界面耦合Al-MOF荧光传感器检测TCs在二维NH2-MIL-53(Al)的基础上,通过MOF-on-MOF法将三维ZIF-8菱形正十二面体纳米粒子通过界面耦合到NH2-MIL-53(Al)纳米片上构建了ZIF-8/NH2-MIL-53(Al)双MOFs异质结构,实现了对TCs的富集和检测,以提高检测的灵敏度。通过批试验和荧光滴定试验探究了材料的富集性能和荧光检测性能,评估了ZIF-8/NH2-MIL-53(Al)检测动物性食品中TCs残留的灵敏性与可行性。结果表明:包覆在NH2-MIL-53(Al)纳米片上的ZIF-8纳米粒子具有较小的尺寸和较大的比表面积,显著提高了其对TCs的吸附能力。特别是ZIF-8的吡啶N与NH2-MIL-53(Al)表面丰富的–NH2对TCs具有较高的亲和力,通过促进光诱导电子转移和内滤效应,显著提高了传感器的灵敏度。方法的LODs(DOX、TET、OTC为1.2μg L-1和CTC为2.2μg L-1)比NH2-MIL-53(Al)传感器的LODs低至少约10倍,甚至优于其他已报道的传感器。ZIF-8/NH2-MIL-53(Al)传感器对动物性食品中(猪肉、鱼肉和牛奶)的TCs检测的回收率为92.84-103.22%。此外,ZIF-8/NH2-MIL-53(Al)纳米复合材料具有良好的水/热稳定性、较广的p H(4.0-10.0)适应性、较强的抗干扰能力和良好的可重复利用性,是一种检测TCs的理想纳米荧光传感器。(4)3D分层级Al-MOF@Mo/Zn-MOF异质结荧光传感器检测TCs在ZIF-8/NH2-MIL-53(Al)的基础上调控MOF-on-MOF复合材料的结构,以期进一步提高对TCs的富集预浓缩,实现TCs的超灵敏检测。通过内部扩散生长法合成3D分层级Al-MOF@Mo/Zn-MOF异质结构,通过批试验和荧光滴定试验探究材料的预浓缩效应和荧光检测性能。在此基础上,评估了3D分层级对动物性食品中的TCs检测性能。结果表明:合成的Al-MOF@Mo/Zn-MOF异质结构为分层级的纳米花结构,平均粒径大小约为1μm。Al-MOF@Mo/Zn-MOF的比表面积约1830 m2 g-1。DOX、TET、OTC和CTC的最大吸附容量为1673.02、1629.07、1564.94和1782.99 mg g-1;在MOF/水系统(KMOF/water)中TCs的溶解度分配系数经计算为8822、8612、5691和13504。较大的KMOF/water表明TCs倾向于优先进入Al-MOF@Mo/Zn-MOF的孔,从而达到预浓缩和提高检测灵敏度的效果。Al-MOF@Mo/Zn-MOF具有超低的LODs(DOX,TET,OTC和CTC的LODs分别为0.56、0.53、0.58和0.86 nmol/L)和抗干扰性,LODs值比NH2-MIL-53(Al)传感器低两个数量级。实际食品样品中的TCs检测的回收率为87.07-116.44%。该3D分层Al-MOF@Mo/Zn-MOF异质结构可实现动物性食品中TCs残留的超灵敏检测。
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