基于Co掺杂ZnS-CdS量子点的复合传感器开发及其在乳制品中头孢克肟和四环素检测的应用研究

《Scientific Reports》：Development of co-doped ZnS-CdS quantum dots based composite sensor for the detection of cefixime (CXM) and tetracycline (TET), and application in real samples from local dairies

本研究针对抗生素滥用导致的食品安全隐患，开发了一种基于ZnS-CdS/Co量子点的荧光传感器，通过SEM、PL、EDX、FT-IR和XRD等多维表征技术，实现了乳制品中头孢克肟(CXM)和四环素(TET)的高灵敏检测。研究采用中心复合设计(CCD)优化参数，获得4.5 nM(CXM)和5.2 nM(TET)的检测限，在真实牛奶样品中回收率达93.16-106%，为食品安全监测提供了创新解决方案。

　　

抗生素滥用已成为全球公共卫生的重大挑战，特别是乳制品中残留的头孢克肟(CXM)和四环素(TET)可能引发过敏反应、肠道菌群失调及耐药性等问题。传统检测方法如色谱-质谱联用技术虽精准但成本高昂，而免疫分析法又存在灵敏度不足的缺陷。面对这一技术瓶颈，来自伊朗伊斯兰阿扎德大学Sanandaj分校和Kermanshah分校的Shakiba Javaheri、Fatemeh Keshavarzi和Changiz Karami研究团队创新性地开发了钴掺杂硫化锌-硫化镉(ZnS-CdS/Co)量子点复合传感器，相关成果发表在《Scientific Reports》上。

研究团队采用水热合成法制备ZnS-CdS/Co量子点，通过扫描电子显微镜(SEM)确认其2-5 nm的球形形貌，能量色散X射线光谱(EDX)显示Cd元素占比达60.9%。X射线衍射(XRD)证实材料具有立方晶系结构，傅里叶变换红外光谱(FT-IR)在423 cm^-1和518 cm^-1处分别检出Cd-S和Zn-S特征峰。通过光致发光(PL)测试确定335 nm为最佳激发波长，在580 nm处产生强荧光发射。研究采用中心复合设计(CCD)优化检测条件，对pH(4-8)、温度(20-60℃)和时间(3-10 min)三因素进行系统调控，最终确定CXM和TET检测的最优参数组合。

在"Characterization of Co-doped ZnS-CdS"部分，SEM图像显示量子点呈均匀分散的球形结构，EDX线扫分析证实Zn、Cd、S、Co元素的成功掺杂。XRD图谱中2θ=27.7°(CdS)和29.6°(ZnS)的特征峰表明复合材料的结晶性良好。"Optical properties"章节揭示量子点在335 nm激发下产生强荧光，且发射强度随抗生素浓度增加呈规律性降低。"Response of ZnS-CdS/Co"实验证明该传感器对14种常见抗生素中仅对CXM和TET产生特异性响应，其他物质引起的荧光变化可忽略不计。

通过"Statistical analysis"的方差分析(ANOVA)显示，pH和时间对荧光强度比(F₀/F)的影响最为显著(p<0.0001)。三维响应面图直观呈现参数间的交互作用，确定CXM检测最佳条件为pH 6.5、40℃、6.5 min，TET为pH 6.0、42.5℃、6.5 min。"Detection of TET"章节显示传感器在0-900 nM范围内呈现两个线性区间(R²>96%)，检测限达5.24 nM；而"Detection of CXM"部分则展示其对6-1200 nM CXM的双线性响应(R²>90%)，灵敏度为4.5 nM。干扰实验证实Ca²⁺、Mg²⁺等常见离子及蛋白质对检测无显著影响。

在实际应用部分，研究团队从当地Bistoon和Kalleh乳业采集生乳样本，经三氯乙酸沉淀蛋白处理后进行加标回收实验。结果显示CXM回收率在96.0-100.77%之间，TET回收率为93.16-106%，验证了方法的可靠性。该研究成功将纳米材料的光学特性与统计学实验设计相结合，建立的检测系统较传统方法成本降低80%，分析时间缩短至10分钟内。

这项研究的突破性在于：首次将Co掺杂ZnS-CdS量子点应用于抗生素多残留检测，通过CCD优化使灵敏度达到纳摩尔级别；开发的传感器对复杂基质(如牛奶)具有强抗干扰能力；建立的方法无需复杂前处理即可实现现场快速筛查。研究成果为食品安全监管提供了新型技术工具，对遏制抗生素滥用、保障公众健康具有重要意义。未来研究可进一步拓展该传感器在环境水体、肉类等复杂基质中的应用，并开发便携式检测设备以实现更广泛的市场推广。