趙曉燕， 弓巧娟*， 鞏鵬妮， 范嘉敏， 張玉印， 張 勇

(1.山西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西太原 030006；2.運城學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，山西運城 044000;3.山西師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，山西臨汾 041000)

左氧氟沙星(Levofloxacin,LVFX)是第三代氟喹諾酮類抗生素藥物，廣泛應(yīng)用于治療人及動物的感染性疾病。但濫用抗生素可能會危害人體健康并造成環(huán)境問題。目前檢測LVFX含量的方法主要有高效液相色譜法、液相色譜-質(zhì)譜法和生物電化學(xué)等方法[1]。但這些方法都存在預(yù)處理復(fù)雜、檢測周期長、操作困難、成本高等不足，使得LVFX的檢測受到一定的限制。

碳微球(Carbon Microspheres,CMS)由于其高比表面積和堆積密度、良好的穩(wěn)定性、導(dǎo)電性等受到了廣大學(xué)者的普遍關(guān)注，在生物醫(yī)學(xué)[2]、半導(dǎo)體材料[3]、光電[4]以及分析檢測[5]等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前制備CMS主要有高溫分解法[6]、反向聚合法[7]、模板法[8]、化學(xué)氣相沉積法[9]和水熱法[10]等。2018年，Lu等[11]使用淀粉作為碳源，(NH4)2Fe(SO4)2作為致孔劑，采用水熱法制得了大比表面積的層狀多孔CMS。Singh課題組[12]通過水熱法制得了N摻雜的CMS，用于檢測乳糖的含量。2019年，Shi等[13]以L-半胱氨酸和檸檬酸作為碳源，制得了可發(fā)出藍色熒光的N摻雜CMS，并將其制成熒光探針用于檢測左旋多巴胺的含量。除此之外，以糖類[14]、木質(zhì)素[15]、花生殼[16]等為碳源利用水熱制備具有熒光性能CMS的研究時有報道。

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，每年都會有大量的農(nóng)作物廢料產(chǎn)生，這些廢料若不能恰當(dāng)?shù)奶幚頃o環(huán)境造成一定的壓力，同時也會造成資源的浪費。因此，本文選擇以木屑、玉米芯、麥麩為碳源，采用水熱法制備了具有良好光穩(wěn)定性、水溶性的碳微球(MX-CMS、YMX-CMS、MF-CMS)，并研究它們對LVFX的響應(yīng)效果。結(jié)果表明，痕量LVFX存在時，CMS的熒光增強程度均與LVFX濃度呈良好的線性關(guān)系。該方法用于鹽湖水樣檢測，加標(biāo)回收率為88.5%～104.3%。為LVFX的檢測提供了一種綠色、快速和簡便的方法。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Merlin Compact型掃描電子顯微鏡(德國，蔡司公司)；F-4600型熒光分光光度計(日本，日立公司)；Cary5000型紫外-可見分光光度計(美國，安捷倫公司)；TENSOR27型傅立葉變換紅外分光光譜儀(德國，布魯克公司)；DZX-6050B型真空干燥箱(上海精宏實驗設(shè)備有限公司)；水熱反應(yīng)釜(西安文博儀器儀表有限公司)。

左氧氟沙星(LVFX)購買自中國制藥網(wǎng)；其余試劑均為市售分析純。所有試劑未經(jīng)純化。水為實驗室自制超純水。

木屑，玉米芯，麥麩取材本地。

1.2 實驗方法

1.2.1 CMS的制備分別稱取麥麩、木屑、玉米芯0.8 g，干燥粉碎，各加入超純水70 mL充分?jǐn)嚢韬?，將該混合物轉(zhuǎn)移至高壓反應(yīng)釜中，放入恒溫烘箱中，于溫度150 ℃反應(yīng)6 h。待冷卻至室溫后將各反應(yīng)物過濾、離心除雜，分別得到淺棕色(MF-CMS)、灰綠色(MX-CMS)、橙色(YMX-CMS)的液體。將各CMS液體蒸發(fā)濃縮至3 mL，采用冷凍干燥的方法將其制成粉末樣品，并分別配制成1 mg/mL的MF-CMS、MX-CMS、YMX-CMS溶液，低溫保存，備用。

1.2.2 熒光量子產(chǎn)率的測定采用參比法測定CMS的熒光量子產(chǎn)率(QY)，使用乙醇中的羅丹明B(QY=0.89)作為參比物質(zhì)，按照以下公式進行計算：φS=φR(ηS/ηR)2(AR/AS)(IS/IR)。其中，φ為熒光量子產(chǎn)率，η為溶劑的折射率，A為吸光度，I為熒光積分強度。下角標(biāo)S和R分別代表待測樣品和參比物質(zhì)羅丹明B。為保證避免由于濃度過高產(chǎn)生自吸收效應(yīng)，吸光度控制在0.10以下。

1.2.3 左氧氟沙星的檢測配制不同濃度的LVFX溶液，將其加入到1 mg/mL的CMS溶液中，測量其在最佳激發(fā)波長下的熒光強度。以(F-F0/F0)為縱坐標(biāo),濃度為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.4 實際水樣的檢測水樣取自運城市鹽湖。將水樣靜置后，離心除去大顆粒雜質(zhì)，使用0.22 μm的微孔濾膜過濾后，待測。

2 結(jié)果與討論

2.1 CMS的表征

為了探究合成CMS的形貌結(jié)構(gòu)，利用掃描電鏡(SEM)對其進行分析。圖1(A)～1(F)為3種CMS分別在不同放大倍數(shù)下的SEM圖。從圖中可以看出，MX-CMS和YMX-CMS的分散性較好但其呈現(xiàn)不規(guī)則的球狀，而MF-CMS則表現(xiàn)為規(guī)則球狀但分散性較差，其平均粒徑分別為3、2.5、1.4 μm。

圖1 MF-CMS(A,D)、MX-CMS(B,E)和YMX-CMS(C,F)在不同倍數(shù)下的掃描電鏡(SEM)圖像

圖2(A)為CMS的傅立葉變換紅外(FT-IR)光譜圖，可見在3 400 cm-1附近均有強烈的吸收峰，對應(yīng)的是-OH/N-H的伸縮振動峰，在1 420～1 400 cm-1處的吸收峰是由于C-N的伸縮振動引起的，在1 054～1 030 cm-1處的吸收峰歸因于C-O/C-C的伸縮振動。此外，在800～600 cm-1處出現(xiàn)了許多小峰，這是芳香分子的特征。在1 660～1 610 cm-1附近的吸收峰是由于C=C/C=O的伸縮振動或N-H的彎曲振動引起的。綜合分析，制得的球型碳材料表面含有豐富的-OH、-NH、C=O等親水性官能團，這也很好的解釋為什么CMS較易溶于水。CMS的紫外-可見吸收光譜圖(圖2(B)～2(D))顯示，MF-CMS 在280 nm附近有較弱的吸收峰，該峰在紫外區(qū)，可歸屬為C=O鍵的n-π*躍遷；而MX-CMS的紫外吸收區(qū)域在270 nm處有明顯的吸收峰，可能歸因于C=C鍵π-π*躍遷；從YMX-CMS的紫外-可見光譜圖可知，在250 nm和340 nm附近有兩條譜帶，其中250 nm處的吸收峰較弱，可能是由于C=O鍵的n-π*躍遷，而340 nm處存在有一明顯的吸收峰可能是由于C=C鍵的π-π*的躍遷引起的。

圖2 (A)CMS的紅外(IR)光譜；(B～D)MF-CMS、MX-CMS和YMX-CMS的紫外-可見吸收光譜和熒光光譜

2.2 CMS的熒光性能

從CMS溶液的熒光光譜圖中可見，MF-CMS的最佳激發(fā)和發(fā)射波長分別為366 nm和444 nm，MX-CMS的最佳激發(fā)和發(fā)射波長分別為356 nm和435 nm，YMX-CMS的最佳激發(fā)和發(fā)射波長分別為362 nm和435 nm.。圖3為不同激發(fā)波長下CMS溶液的發(fā)射光譜圖，MF-CMS、MX-CMS和YMX-CMS均具有激發(fā)波長依賴性，即隨著激發(fā)波長的紅移，其最大發(fā)射峰也發(fā)生了相應(yīng)的紅移，且熒光強度呈先增大后減小的趨勢。這可能是由于碳微球的粒徑分布不均勻而導(dǎo)致的[17]。MF-CMS、MX-CMS和YMX-CMS分別在其最佳激發(fā)波長下激發(fā)，MF-CMS的熒光強度最強，YMX-CMS的熒光強度最低。以羅丹明B作為參比物質(zhì)，計算MF-CMS、MX-CMS和YMX-CMS的熒光量子產(chǎn)率分別為19.84%、18.83%和16.9%。

圖3 MF-CMS(A)、MX-CMS(B) 和YMX-CMS(C) 在不同激發(fā)波長下的發(fā)射光譜

2.2.1 pH對熒光強度的影響配制pH為2～14的CMS溶液，測定其熒光強度。如圖4所示，MF-CMS、MX-CMS和YMX-CMS在pH為3～10的范圍內(nèi)，其熒光強度變化不大，說明CMS具有較寬pH范圍的適應(yīng)能力。但在強酸強堿的條件下，各CMS溶液的熒光強度會發(fā)生顯著的降低可能是因為CMS表面官能團的質(zhì)子化和去質(zhì)子化[18,19]。值得注意的是，MF-CMS、MX-CMS和YMX-CMS在pH為13、14時，其最大發(fā)射峰會發(fā)射明顯的紅移。將各CMS在不同pH下的熒光強度進行歸一化如圖4(D)～4(F)。

圖4 MF-CMS(A)、MX-CMS(B) 和 YMX-CMS(C) 在不同pH下的發(fā)射光譜及不同pH下MF-CMS(D)、MX-CMS(E)和YMX-CMS(F)熒光強度的變化

2.2.2 離子強度對熒光強度的影響圖5(A)為離子強度對CMS熒光強度的影響。分別配制濃度為0、0.5、1.5、2.0 mol/L的NaCl溶液，將其加入到CMS溶液中，經(jīng)過測定其熒光強度，可以看出，即使在離子強度高度達2.0 mol/L時，各CMS溶液的熒光強度沒有明顯的變化。

2.2.3 照射時長對熒光強度的影響用氙燈將MF-CMS、MX-CMS和YMX-CMS連續(xù)照射100 min，間隔20 min對其熒光強度進行測定，結(jié)果如圖5(B)所示。YMX-CMS在前20 min內(nèi)熒光強度發(fā)生了明顯的降低，繼續(xù)照射，熒光強度基本不變。而MF-CMS和MX-CMS在氙燈長時間的照射下，其熒光強度沒有明顯的變化，表現(xiàn)出良好的光穩(wěn)定性。

圖5 NaCl濃度(A)和氙燈照射(B)對MF-CMS、MX-CMS 和YMX-CMS熒光強度的影響

2.3 CMS用于LVFX的檢測

向制得的CMS溶液中加入一定量的LVFX，經(jīng)過條件優(yōu)化，確定在pH=7，孵育時間為1 min的條件下進行熒光檢測。圖6為CMS溶液的熒光強度隨LVFX濃度的變化趨勢。圖6(D)～6(F)中的插圖表明：MF-CMS的熒光強度與濃度為15～100 μmol/L的LVFX表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.9910，檢出限(S/N=3)為28.24 μmol/L，而MX-CMS和YMX-CMS的熒光強度均與濃度為0～100 μmol/L的LVFX表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)分別為R2=0.9940、R2=0.9960，檢出限(S/N=3)分別為6.64 μmol/L和28.24 μmol/L。

圖6 MF-CMS(A)、MX-CMS(B) 和 YMX-CMS(C)在不同LVFX濃度下的發(fā)射光譜

2.4 CMS用于LVFX檢測的可行性

選擇濃度均為100 μmol/L的K+、Na+、Ag+、Hg2+、Zn2+、Ca2+、Cu2+、Mg2+、Mn2+、Ni2+、Al3+、Fe3+、F-、I-、Cl-，以及甘氨酸、尿素和抗壞血酸作為共存物質(zhì)，分別加入到CMS+LVFX體系中，觀察溶液的熒光強度變化。結(jié)果表明，除Fe3+外，其它物質(zhì)對熒光強度的影響可以忽略不計。

2.5 鹽湖水樣的檢測

利用上述方法對鹽湖水樣中的LVFX進行檢測，每個樣品平行測定6次，水樣中沒有檢測到LVFX。對水樣進行加標(biāo)回收實驗，回收率分別為93.5%～103.0%、93.4%～100.9%和94.2%～105.5%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)小于4.0%。同時，采用高效液相色譜法(HPLC)對照測定，結(jié)果表明兩種方法沒有顯著差異。檢測結(jié)果見表1。

表1 鹽湖水樣中LVFX的檢測結(jié)果(n=6)

3 結(jié)論

本文選用麥麩、木屑、玉米芯為碳源，采用水熱法制備了具有良好熒光穩(wěn)定性的碳微球(CMS)，所合成的CMS尺寸均勻，粒徑分別3、2.5、1.4 μm，其表面均含有C=C、-OH、-NH2等親水性官能團。以上3種碳源制得的熒光探針均可用于左氧氟沙星的檢測，其中YMX-CMS具有高的靈敏度和準(zhǔn)確度，更寬的線性范圍(0～100 μmol/L)，檢出限達28.24 μmol/L。