Fluorescence Sensing of Cefixime Antibiotic Using Metal-Organic Framework-Quantum Dots Composite: Synthesis, Characterization and Mechanistic Study

Abstract

This study successfully designed and fabricated a novel fluorescence-based sensing platform by integrating boron and nitrogen co-doped carbon dots (B,N-CDs) with the UiO-66 metal-organic framework. Comprehensive characterization techniques confirmed the successful synthesis and structural integrity of the hybrid material and verifying the retention of the UiO-66 crystalline framework and the successful doping of B and N elements within the carbon dots. The resulting B,N-CD@UiO-66 nanocomposite exhibited excellent fluorescence sensing capabilities for cefixime (CFX), demonstrating a low detection limit of 4.21 nM, a broad linear response range of 0–100 nM, and a fast detection time of 4.4 seconds. Fluorescence quenching was primarily governed by static quenching, with a minor contribution from inner filter effects. The sensor showed high selectivity towards CFX and also exhibited remarkable stability, maintaining over 97% of its fluorescence intensity after 60 days, and demonstrated good reusability over multiple sensing cycles. Furthermore, the sensor was successfully applied to detect CFX in complex real samples such as honey, tap water, and seawater, yielding satisfactory recovery rates (96.9% to 101.63%) and low relative standard deviations (1.54% to 5.34%). These results affirm the potential of the B,N-CD@UiO-66 nanocomposite as a versatile and highly sensitive sensing system for practical applications in environmental surveillance, food quality monitoring, and clinical diagnostics. Keywords: Cefixime Detection; Fluorescence Sensor; Carbon Dots; Metal-organic Framework; B,N Co-doping; Antibiotic Quenching.

Bu çalışma, bor ve azot ile eş katkılanmış karbon noktacıklarının (B,N-CD'ler) UiO66 metal-organik iskelet (MOF) ile birleştirilmesiyle yenilikçi bir floresans tabanlı algılama platformu tasarlayıp başarıyla üretmiştir. Kapsamlı karakterizasyon teknikleri, hibrit malzemenin başarılı sentezini ve yapısal bütünlüğünü doğrulamış, ayrıca UiO-66'nın kristal yapısının korunduğunu ve karbon noktacıkları içinde B ve N elementlerinin başarıyla katkılandığını teyit etmiştir. Elde edilen B,N-CD@UiO-66 nanokompoziti, sefiksim (CFX) için mükemmel floresans algılama yetenekleri sergilemiştir; 4.21 nM gibi düşük bir tespit limiti, 0–100 nM arasında geniş bir lineer yanıt aralığı ve 4.4 saniye gibi hızlı bir algılama süresi göstermiştir. Floresans söndürme mekanizması esas olarak statik söndürme ile gerçekleşmiş, iç filtre etkilerinin katkısı ise küçük olmuştur. Sensör, CFX'e karşı yüksek seçicilik göstermiştir ve %97'den fazla floresans yoğunluğunu 60 gün sonra bile koruyarak olağanüstü bir stabilite ortaya koymuştur. Ayrıca, çoklu algılama döngülerinde iyi yeniden kullanılabilirlik sergilemiştir. Sensör ayrıca bal, musluk suyu ve deniz suyu gibi karmaşık gerçek örneklerde CFX tespiti için başarıyla uygulanmış; %96.9 ila %101.63 arasında tatmin edici geri kazanım oranları ve %1.54 ila %5.34 arasında düşük bağıl standart sapmalar elde edilmiştir. Bu sonuçlar, B,N-CD@UiO-66 nanokompozitinin çevresel izleme, gıda kalitesi kontrolü ve klinik tanı gibi pratik uygulamalarda kullanılabilecek çok yönlü ve son derece hassas bir algılama sistemi olma potansiyelini doğrulamaktadır. Anahtar Kelimeler: Sefiksim Tespiti; Floresans Sensör; Karbon Noktacıklar; Metalorganik Iskelet; B,N Eş-doplama; Antibiyotik Söndürme.