增强抗生素检测的适配体传感器：环丙沙星的案例

为控制耐药菌株，研究人员开发环丙沙星适配体传感器，检测限达 3 nM，有重要意义。

　　

抗生素检测新挑战与新突破

在全球范围内，抗生素耐药性已成为严重威胁公众健康的问题。世界卫生组织（WHO）曾警示，未来 35 年预计有 3 亿人会因抗生素耐药性而过早死亡。在欧洲联盟（EU），每年超 2.5 万人死于抗生素耐药菌引发的感染。在黎巴嫩，抗生素耐药菌导致的医疗费用急剧上升，患者住院时间延长，费用大幅增加。

为了有效控制抗生素耐药问题，快速、高效且经济的抗生素检测方法至关重要。传统的实验室分析方法，如高效液相色谱、气相色谱和质谱等，虽然精准，但存在仪器昂贵、操作复杂、样本准备繁琐等缺点。电化学传感器和生物传感器作为新兴技术，具有便携、生物相容性好、检测灵敏等优势，逐渐受到关注。

在此背景下，来自黎巴嫩圣灵大学（Holy Spirit University of Kaslik）和法国里昂第一大学（Université Claude Bernard Lyon 1）等机构的研究人员开展了一项关于环丙沙星（ciprofloxacin）检测的研究。该研究成果发表在《BMC Chemistry》杂志上，为抗生素检测领域带来了新的突破。

研究方法

研究人员主要采用了电化学检测技术，利用便携式电位仪（portable potentiostat）对传感器进行表征。实验中使用了丝网印刷碳电极（screen-printed carbon electrodes，SPCEs）和石墨烯电极（G1 graphene electrodes），通过循环伏安法（cyclic voltammetry，CV）和电化学阻抗谱（electrochemical impedance spectroscopy，EIS）对电极表面的分子沉积和电化学变化进行监测。同时，利用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）观察电极表面的形态变化。

研究中，首先对 SPCE 进行预处理激活伪参比微电极。然后，通过循环伏安法在电极表面沉积羧甲基苯胺（carboxymethylaniline，CMA），接着用 N - 羟基琥珀酰亚胺（N-hydroxysuccinimide，NHS）和 1 - 乙基 - 3 -（3 - 二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐（1-(3-dimethylaminopropyl)?3-ethylcarbodiimide hydrochloride，EDC）激活 CMA 上的羧基，将定制的氨基修饰的环丙沙星寡核苷酸适配体（DNA aptamer）孵育在电极上，再用乙醇胺封闭未反应的位点，最后将不同浓度的环丙沙星抗生素标准溶液孵育在电极上进行检测。

研究结果

1. 电极制备与表征：通过 CV 和 EIS 对电极预处理、CMA 沉积、适配体孵育和环丙沙星孵育等步骤进行电化学表征。结果显示，CMA 成功沉积在电极表面，且适配体和环丙沙星的孵育均引起了电极电化学性质的显著变化。SEM 图像也证实了 CMA 的沉积改变了电极表面形态，而适配体由于尺寸较小，SEM 无法明显区分其孵育前后的形态变化。
2. 阻抗响应：随着环丙沙星标准溶液浓度的增加，传感器的阻抗响应幅度发生显著变化。通过对 EIS 数据的拟合分析，得到校准曲线。该曲线显示，ΔR_ct% 与环丙沙星浓度的对数呈线性关系，相关系数为 0.97。据此计算出检测限（limit of detection，LOD）为 3 nM（1 ng/mL），动态范围为 10 nM 至 100 μM。此外，两个适配体传感器之间的重现性为 10%。
3. 特异性研究：研究人员考察了妥布霉素、头孢曲松、氧氟沙星和诺氟沙星等干扰化合物对适配体传感器响应的影响。结果表明，在 10 μM 浓度下，这些干扰化合物对传感器的阻抗响应没有显著影响。同时，在 1/10 稀释的预免疫血清存在下，传感器对高达 100 μM 的环丙沙星仍能保持良好的响应，证实了该传感器具有较高的特异性，能够在实际血液样本中检测环丙沙星。
4. 石墨烯电极结果：研究人员对石墨烯电极也进行了相同的实验流程。结果显示，石墨烯电极对实验方案有较好的响应，与碳电极相比，石墨烯电极的 ΔE 更小，峰值强度增加 30%，表明其具有更高的电子转移速率。但该研究仅对石墨烯电极的结果进行了比较，未进行量化和阻抗分析。

研究结论与讨论

本研究成功开发了一种用于检测环丙沙星的适配体传感器，该传感器基于丝网印刷碳电极，结合便携式电位仪，实现了对环丙沙星的快速、灵敏检测。研究中使用的实验方案具有创新性，通过电化学方法固定适配体，无需昂贵的纳米材料即可达到 3 nM 的检测限，且具有良好的特异性和重现性。该方法不仅节省时间和成本，减少溶剂使用，对环境友好，还能检测微克和纳克级别的抗生素，优于传统的色谱和光谱分析方法。

然而，该研究也存在一定的局限性。例如，虽然研究结果显示能够达到纳摩尔级别的检测限，但仍有进一步降低检测限至飞摩尔级别的空间，以更好地发挥该生物传感器的纳米技术优势。此外，目前的研究尚未对该传感器在实际应用场景中的适用性进行验证，如在食品、环境和临床样本中的大规模检测。不过，研究人员表示未来将针对这些方面开展进一步的研究。

总体而言，这项研究为抗生素检测提供了一种新的有效方法，有望在食品质量控制、环境监测和临床诊断等领域发挥重要作用，对保障公众健康和控制抗生素耐药性具有重要意义。