第三代喹诺酮类药物含氟又称为氟喹诺酮(Fluoroquinolones,FQs),具有药动性好、半衰期较长、血药浓度较高以及可与其他抗菌药物联合应用的特点[1],被广泛用于动物疾病的预防和治疗。但是在实际生产和养殖过程中,用户的不合理用药导致在动物体内蓄积过多,在食物链运转过程中,残留的FQs对人体的中枢神经系统和肝肾器官会有一定的危害和毒性[2-4]。
2015年我国农业部制定的2292号公告,禁止在动物饲料生产过程中使用培氟沙星(PEF)、洛美沙星(LOM)、诺氟沙星(NOR)、氧氟沙星(OFLX)4种兽药[5]。为了保障食品安全,快速准确地检测动物源性食品中FQs的残留量是非常有必要的。
目前常见的FQs残留检测方法有微生物联合高效液相色谱法[6]、免疫分析法[7]、色谱法[8]、光谱法[9]以及高效液相色谱-质谱联用法[10,11]等。各种检测技术应用前,需要对食物样品进行富集和分离前处理,以排除基质干扰从而提高检测仪器的灵敏度和检测结果的准确度。因此,制备对FQs具有更高敏感性与更高特异性的吸附材料显得尤为重要[12]。
在对样品的前处理中,基质固相分散技术、固相萃取及液液萃取均为常用手段。其中,固相萃取因有机溶剂消耗少、操作流程简便等优势,在分离与分析工作中应用广泛[13]。研发新型高选择性吸附材料、提升分离富集效率,已成为固相萃取技术的重要发展方向,而分子印迹技术(MIT)正是制备高特异性吸附剂的关键方法之一[14-16]。分子印迹聚合物(MIPs)仿照酶与底物、抗原与抗体的特异性识别作用合成,具备结构可以根据模板设计、识别专一性强、制备简单、成本低廉及化学稳定性好等特点,现在已经在样品前处理、传感分析及生物医药、食品安全与环境检测等诸多领域得到广泛应用。
目前,FQs-MIPs大都是以一种或两种FQs为模板进行制备[4,12],即使经过彻底的洗脱步骤,模板分子仍可能发生渗漏,从而影响分析方法的准确性[17],使用虚拟分子提供了一种简便的解决方案来规避这一问题。虚拟模板策略通过选取与目标分子结构相似的类似物作为替代模板,不仅解决了高毒性目标物难以直接印迹的问题[18],还从根本上避免了模板残留造成的“假阳性”干扰[19]。因此,探索一种结构稳定、廉价易得且与目标物结构差异较大的新型虚拟模板,在确保识别性能的同时根本性地避免模板渗漏干扰,具有重要的研究价值和实用意义。
实验采用大豆甙元做为虚拟模板制备识别FQs的MIP。由图1的结构示意图可以得知,大豆甙元属于异黄酮类化合物,具有两个酚羟基(—OH)和一个羰基(C
O);OFLX和NOR均含有氟喹诺酮母核,并具备羧基(—COOH)和酮基(C
O)结构单元。尽管三者骨架类型不同,但仍存在结构相似性,即均含有芳香环体系,可提供π-π堆积作用位点;并且均含有羰基(C
O)及羟基/羧基,可形成氢键相互作用;此外,分子空间尺寸相近,有利于在聚合过程中形成形状匹配的印迹空穴。
图1 大豆甙元、诺氟沙星和氧氟沙星化学结构图
Fig.1 Chemical structures of daidzein,norfloxacin and ofloxacin
以我国优势出口水产品中违禁兽药氧氟沙星、诺氟沙星为对象,重点研究了虚拟模板大豆甙元代替FQs抗生素制备印迹聚合物(图2)以及对目标物的吸附性能,为制备对FQs药物有特异性吸附特性的固相萃取填充材料提供技术支持。
图2 虚拟模板MIPs的制备示意图
Fig.2 Schematic diagram of the preparation of virtual MIPs
KS-600EⅠ型超声波清洗机(宁波海曙科生超声设备有限公司);BSA224S-CW型电子天平(赛多利斯科学仪器(北京)有限公司);HH-2型数显恒温水浴锅(常州国华电器有限公司);85-Ⅱ型恒温磁力搅拌器(上海维诚仪器有限公司);DZF-6020型真空干燥箱(上海贺德实验设备有限公司);UVmini-1280型紫外可见分光光度计(日本岛津公司);THZ-98A型恒温调速多用振荡器(金坛市维诚实验器材厂);SPECTRUM3FT-IR型傅里叶变换红外光谱仪(美国珀金埃尔默公司);S-4800型扫描电镜(日本日立公司)。
4,7-二羟基异黄酮(大豆甙元)、偶氮二异丁腈(AIBN)、4-乙烯基吡啶(4-VP)、乙二醇基二甲基丙烯酸酯(EGDMA)、二甲基亚砜、乙腈、奎宁、氯喹(分析纯,上海阿拉丁生化科技股份有限公司);氧氟沙星、诺氟沙星(分析纯,上海百舜生物科技有限公司);甲醇、乙酸、丙酮(分析纯,国药集团化学试剂有限公司)。
1.2.1 分子印迹聚合物的制备
取1 mmol 4,7-二羟基异黄酮和4 mmol 4-VP,溶解在12 mL V(二甲基亚砜)∶V(乙腈)=1∶2的混合液中,然后加入20 mmol EGDMA和0.04 g引发剂AIBN,制备得到预聚合反应液。把反应液放到超声波清洗器中,冰浴条件下超声 15 min;密封后放到4 ℃环境冷藏2 h;转移到 60 ℃恒温水浴锅,进行24 h本体聚合反应,最终得到白色块状聚合物。
把聚合物进行粉碎、研磨处理,在磁力搅拌条件下用丙酮沉降30 min;之后转移到铺有滤纸的布氏漏斗,依次用甲醇、蒸馏水抽滤洗涤;采用索氏抽提法去除模板分子及杂质,先用V(甲醇)∶V(乙酸)=9∶1混合溶液抽提48 h,再用纯甲醇为溶剂抽提24 h,确保模板分子完全洗脱。提取完成,放到60 ℃真空干燥箱中干燥12 h,获得白色虚拟模板MIP。非分子印迹聚合物(NIP)的制备流程与上述一致,仅不添加虚拟模板分子大豆甙元。
1.2.2 红外光谱和扫描电镜表征
分别对大豆甙元、MIP和NIP进行红外光谱测试,通过分析红外光谱图形观察分子印迹聚合物的结合位点。对MIP和NIP进行扫描电镜测试,研究表面结构特性。
1.2.3 OFLX和NOR标准曲线的制定
称取OFLX标准品,用0.1 mol/L的盐酸溶液进行溶解、定容,配制得到浓度为100 mg/L的标准储备液。分别吸取1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0 mL上述储备液到100 mL棕色容量瓶,用甲醇定容到刻度线,得到系列梯度标准工作溶液。NOR标准溶液的配制流程与OFLX一致。
采用紫外可见分光光度计对各浓度标准溶液进行全波长扫描,确定OFLX的最大吸收波长是294 nm。以0.1 mol/L盐酸溶液为空白对照,在该最大吸收波长下测定吸光度值,以吸光度值对OFLX浓度绘制标准曲线。NOR标准曲线的建立方法同上,测得最大吸收波长是278 nm。
1.2.4 静态吸附实验[20]
精确称取20 mg MIP置于100 mL棕色容量瓶内,分别加入浓度为10、20、40、50、60、80、100、120 mg/L的OFLX盐酸溶液,定容后置于振荡器中振荡4 h;5000 r/min转速离心15 min,准确移取1.0 mL上清液稀释至5.0 mL,采用紫外可见分光光度计在294 nm波长下测定其吸光度。
NIP对OFLX的静态吸附实验作为对照。
NOR的吸附平衡实验同上述方法,测定波长为278 nm。
根据测定的吸光度和标准曲线,计算吸附容量Q(mg/g),用公式(1)计算。
Q=((C0-Ce)/W)V
(1)
式中,C0为初始浓度,mg/L;Ce为吸附平衡后的浓度,mg/L;V为溶液体积,L;W为样品用量,g。
1.2.5 吸附动力学实验
分别准确称取20 mg MIP和NIP到100 mL的棕色容量瓶中,用100 mg/L OFLX盐酸溶液定容,在室温下分别振荡5、10、20、30、45、60、120、180、240 min,5000 r/min转速离心15 min,准确移取1.0 mL上清液稀释至5.0 mL,采用紫外-可见分光光度计在294 nm波长下测定其吸光度,用公式(1)计算吸附容量。
NOR吸附动力学实验同上述方法,测定波长是278 nm。
1.2.6 选择性实验
准确称取4份10 mg MIP,分别移入不同的棕色容量瓶中,分别加入5 mL(100 mg/L) OFLX标准溶液、NOR标准溶液、奎宁标准溶液以及氯喹标准溶液于各容量瓶,置于振荡器振荡4 h,5000 r/min转速离心15 min,准确移取1.0 mL上清液稀释至5.0 mL,在紫外可见分光光度计上测定其吸光度,测定波长分别为294、278、332、344 nm,计算吸附容量。
1.2.7 重复性实验
精确称取20 mg MIP置于100 mL棕色容量瓶内,用100 mg/L OFLX和NOR盐酸溶液定容,在室温下振荡4 h,5000 r/min转速离心15 min,准确移取1.0 mL上清液稀释至5.0 mL,测定溶液吸光度;将MIP回收,用V(甲醇)∶V(乙酸)=9∶1混合溶液和纯甲醇为溶剂洗脱,确保模板分子完全洗脱。放到60 ℃真空干燥箱中干燥12 h,重复进行吸附-洗脱实验9次。
1.2.8 数据处理
所有的测量数据进行3次平行实验,最终的结果取3次平行实验的平均值,并用标准偏差来表示。用origin pro进行数据分析和绘制曲线。
为明确分子印迹聚合物的结构特征,采用傅里叶变换红外光谱对MIP与NIP进行表征。如图3所示,MIP与NIP的红外光谱峰形、特征峰出峰位置高度一致,没有显著差异:2920 cm-1处的吸收峰归属于烷基链中C—H的伸缩振动,对应了聚合物骨架中的亚甲基与甲基结构;1450 cm-1处的特征峰归属于苯环骨架C
C的伸缩振动,印证了功能单体的结构特征;1030 cm-1处的吸收峰归属于C—O的伸缩振动,对应了聚合物骨架中的酯键与醚键结构。690 cm-1附近的吸收峰归属于苯环的面外弯曲振动,进一步佐证了功能单体的芳香结构。
1.大豆甙元;2.MIP;3.NIP
图3 3种材料的傅里叶红外光谱图
Fig.3 FT-IR spectra of three materials
MIP与NIP整体结构高度相似,典型吸收峰的位置和强度基本一致,表明二者具有相同的聚合物结构,能证明本次分子印迹聚合物的制备成功;二者的红外光谱与大豆甙元存在着显著差异,说明了经充分索氏抽提洗脱后,虚拟模板分子已基本去除,聚合物以交联聚合骨架为主体,无明显模板残留。
对MIP和NIP进行电镜扫描,结果如图4所示,MIP表面分布着大量形状不规则的孔洞,这些孔洞大小不一,形成了复杂的孔隙网络,为分子印迹聚合物实现对目标分子的选择性结合提供了结构基础。NIP的制备过程没有模板分子的参与,因此表面较为光滑,孔隙较少,对目标物的识别性不显著。
a.MIP;b.NIP
图4 扫描电镜图
Fig.4 Scanning electron microscope image
如图5所示,本研究分别在294、278 nm波长下,测定不同浓度OFLX、NOR溶液的吸光度。以OFLX或NOR浓度作为横坐标、吸光度值为纵坐标进行线性回归分析,得到OFLX标准曲线回归方程为y=0.0991x+0.0033,决定系数R2=0.9997;NOR的标准曲线回归方程为y=0.1342x+0.021,决定系数R2=0.9994。结果表明了两种药物的吸光度与浓度呈现良好的线性关系。
a.氧氟沙星;b.诺氟沙星
图5 标准曲线
Fig.5 Calibration curves
2.4.1 静态吸附实验
由图6可知,随着OFLX、NOR溶液浓度的增加,MIP对它们的吸附量也在增长;而NIP因为缺乏特异性印迹识别位点,吸附量增长缓慢;MIP对OFLX、NOR的吸附性能比NIP更好,在相同浓度下,MIP比NIP的吸附量大,表明MIP中印迹位点起到了关键作用。当OFLX浓度为100 mg/L时,MIP对OFLX的吸附容量(35.92 mg/g)显著高于NIP(11.23 mg/g);当NOR浓度为100 mg/L时,MIP吸附容量(40.21 mg/g)为NIP(10.51 mg/g)的3.83倍,表明了MIP对两种药物具有特异性吸附性能。
a.氧氟沙星;b.诺氟沙星
图6 MIP和NIP的吸附等温线
Fig.6 Adsorption isotherms of MIP and NIP
2.4.2 吸附动力学模型分析
采用Langmuir和Freundlich模型,分别对OFLX和NOR的MIP吸附等温线实验数据进行拟合[21],结果如表1所示。
表1 MIP对NOR和OFLX的吸附等温线参数
Tab.1 Adsorption isotherm parameters of MIP for NOR and OFLX
目标物模型参数值R2诺氟沙星(NOR)LangmuirQm/(mg·g-1)KL/(L·mg-1)41.091.0070.9911FreundlichKF/((mg·g-1)(L·mg-1)1/n)1/n2.270.7350.9683氧氟沙星(OFLX)LangmuirQm/(mg·g-1)KL/(L·mg-1)39.120.9220.9885FreundlichKF/((mg·g-1)(L·mg-1)1/n)1/n1.750.7740.9647
Langmuir模型公式:
Ce/Qe=1/(QmKL)+Ce/Qm
(2)
式中,Ce为平衡浓度,mg/L;Qe为平衡吸附量,mg/g;Qm为最大理论吸附容量,mg/g;KL为Langmuir吸附常数,L/mg。
Freundlich模型公式:
lnQe=lnKF+(1/n)lnCe
(3)
式中,KF为Freundlich吸附常数,(mg/g)·(L/mg)1/n;1/n为吸附强度系数。
对于NOR和OFLX,Langmuir模型的决定系数(R2分别为0.9911和0.9885)均高于Freundlich模型(R2分别为0.9683和0.9647),表明MIP对NOR和FLOX的吸附更符合Langmuir等温吸附模型。这说明吸附主要发生在MIP表面的均一印迹识别位点上,属于单分子层吸附行为,与印迹空穴的结构均一性特征相吻合;同时存在一定程度的非均质表面吸附贡献。该结果与红外光谱中观察到的功能基团相一致。
2.4.3 吸附动力学实验
吸附动力学曲线如图7所示,MIP对OFLX的初始吸附速率快,0~90 min内吸附容量从 7 mg/g迅速增至32 mg/g;MIP对NOR的初始吸附容量低(10 mg/g),但在0~90 min内快速增长至35 mg/g。在180 min左右,吸附容量均趋于稳定,MIP对OFLX的平衡吸附容量为35.92 mg/g,MIP对NOR为40.21 mg/g。综上可知,MIP会凭借特异性印迹孔穴,快速、高效吸附目标物OFLX和NOR。
a.氧氟沙星;b.诺氟沙星
图7 MIP和NIP的吸附动力学曲线
Fig.7 Adsorption kinetic curves of MIP and NIP
2.4.4 吸附动力学模型分析
为了进一步确定制备的MIP的吸附特征,对吸附动力学数据进行准一级和准二级动力学模型拟合[22],如表2所示。
表2 吸附动力学模型分析
Tab.2 Analysis of adsorption kinetic models
目标物聚合物准一级动力学方程k1/(min-1)Qe/(mg·g-1)R2回归方程NORMIPNIP0.02430.018832.4610.830.9480.933lnY=-0.0243tlnY=-0.0188tOFLXMIPNIP0.02020.019328.5812.130.9590.927lnY=-0.0202tlnY=-0.0193t目标物聚合物准二级动力学方程k2/(g·(mg·min)-1)Qe/(mg·g-1)R2动力学方程NORMIPNIP0.032700.0086740.6510.550.99980.9987Y=0.0185+0.0246tY=1.036+0.0948tOFLXMIPNIP0.003260.0081336.2311.320.99920.9991Y=0.234+0.0276tY=0.959+0.0883t
准一级动力学方程为:
lnY=-k1t Y=(Qe-Q)/Qe
(4)
准二级动力学方程:
(5)
式中,k1为准一级吸附反应速率常数,min-1;k2为准二级吸附反应速率常数,g/(mg·min);Qe为最终平衡时的吸附容量,mg/g;Q为不同时间的实际吸附容量,mg/g。
对于MIP和NIP,准二级动力学模型的R2均高于0.998,远优于准一级模型的R2值。并且准二级模型计算出的平衡吸附量Qe与实验值高度吻合(相对误差<2%),这表明吸附过程更符合准二级动力学模型,分子印迹聚合物对目标分子吸附以化学吸附为主,即目标分子与印迹空穴中的功能基团(如吡啶氮、酯键等)通过氢键、π-π堆积等作用力结合。
2.4.5 选择性实验
从图8中可知,MIP对OFLX的吸附容量达到了35.92 mg/g,对NOR的吸附容量达到了40.21 mg/g;而对奎宁、氯喹的吸附容量较低,分别是17.58、14.07 mg/g。OFLX、NOR的化学结构含有氟代苯环、哌嗪环等特征基团,能与印迹孔穴精准匹配,实现高效吸附;而奎宁、氯喹的喹啉环等结构与印迹孔穴适配性差,难以触发特异性结合,吸附主要依赖非特异性物理作用,导致了吸附容量低。选择性实验结果证实了,制备的MIP对FQs具有良好特异性识别能力,可有效地区分结构类似物。
图8 MIP对不同底物的选择性吸附容量
Fig.8 Selective adsorption capacities of MIP for different substrates
2.4.6 重复使用实验
分子印迹聚合物重复使用9次,分别测定对OFLX和NOR的吸附率,如表3所示。
表3 重复使用不同次数对OFLX和NOR的吸附率的影响
Tab.3 OFLX and NOR adsorption efficiency vs.number of reuse cycles
使用次数吸附率/%OFLXNOR199.199.4298.298.7395.896.3495.195.6594.394.8693.794.1792.393.2891.291.8989.490.2
从表3可以得知,在重复使用9次后,吸附率仍在89%以上,说明制备虚拟模板分子印迹聚合物对两种FQs具有较好的重复使用性能。
本研究以大豆甙元作为虚拟模板,经过本体聚合法制备了能识别FQs药物的MIP。通过傅里叶红外光谱、扫描电镜、静态吸附以及吸附动力学等手段进行表征。与已有报道的FQs-MIPs相比,实验制备的MIP对目标药物的吸附容量和特异性识别能力均处于较高水平,且在重复使用9次后仍保持89%以上的吸附率,表现出良好的稳定性和可回收性,这为固相萃取填料的实际应用提供了有力支撑。后续将MIP固相萃取与高效液相色谱等技术相结合,建立适用于食品安全监管的高灵敏度、高通量检测方法。
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