基于竞争差异驱动的单金纳米线Ag@Pt纳米酶传感平台集成机器学习用于多种四环素类抗生素的精准识别

《Food Chemistry》：Competitive difference-driven Ag@Pt nanozyme on a single gold nanowire sensing platform integrated with machine learning for accurate identification of multiple tetracycline antibiotics

　　

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  空心树状Ag@Pt纳米颗粒展现出优异的过氧化氢酶样活性，并提供大量SERS热点。
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  四环素类化合物（TCs）与TMB之间的竞争性反应争夺活性氧物种，导致SERS-EC信号发生变化。
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  机器学习辅助的SERS-EC双模态传感实现对四环素类化合物的精确识别和超灵敏检测。
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  各类四环素类化合物之间的结构差异产生独特的化学指纹，从而实现清晰区分。
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  单根金纳米线作为平台，具有优异的空间时间分辨率和良好的生物相容性。

引言

四环素类抗生素（TCs）是应用最广泛的广谱抗生素之一，其分子结构中均含有一个共同的氢化萘四烯骨架（Qi等人，2025），常见品种包括米诺环素（MC）、四环素（TET）、土霉素（OTC）、金霉素（CTC）和多西环素（DOX）（表S1）。由于其生产成本较低、制备工艺简单且抗菌效果显著，这些药物在畜牧业、水产养殖业和食品加工行业中被广泛用于感染防治（Liu等人，2018；Xu, Wang等人，2023）。然而，四环素类抗生素的过度使用和不当施用导致其在食品中残留和蓄积严重，由此带来了重大的健康风险，包括胃肠不适（Gaspari等人，2024）、神经异常（Xu, Yang等人，2023）以及抗生素耐药性的产生（Liu等人，2018）。因此，开发一种高灵敏、快速且简便的方法来识别和检测多种四环素类残留物，对于食品安全和公共卫生具有至关重要的意义。目前，常用的四环素类检测技术主要包括高效液相色谱-质谱联用（HPLC-MS/MS）（Pang等人，2024）、毛细管电泳（CE）（Wu等人，2016）和酶联免疫吸附测定（ELISA）（Ji等人，2020）。尽管这些传统方法在准确性和灵敏度方面表现优异，但它们普遍面临仪器昂贵、操作繁琐、检测时间长以及对操作人员专业要求高等问题，从而限制了其在实验室以外实际场景中的应用。为解决这些问题，涌现了许多较为先进的检测方法，如比色法（Cui等人，2025）、荧光法（Yao等人，2021）和化学发光分析法（Meyer等人，2020）。虽然这些方法具有分析性能好、响应快速以及适用于现场检测等优势，但在实际应用中仍面临诸多挑战，包括环境条件的波动、仪器差异以及操作步骤的不一致。这些因素可能会影响精确监测所需的可靠性。更重要的是，这些分析方法在准确区分不同类型四环素类化合物方面也存在一定的局限性。

表面增强拉曼散射（SERS）作为一种强大的分析技术，凭借其高灵敏度、非破坏性、操作简便和快速检测等突出优势，在众多科学研究和实际应用领域中得到了广泛应用（Chen等人，2026；Dai等人，2025；Liu, Zhou, Wang等人，2019）。例如，Chen团队提出了一种超分子等离子体纳米颗粒-镜面（NPoM）平台用于SERS手性感测，实现了对芳香族氨基酸对映体的高分辨率识别和对映选择性区分（Zuo等人，2026）。Huang等人（Huang, Wei等人，2023）报道了使用两种金纳米结构作为SERS基底来检测喹啉，展示了SERS在环境中抗生素污染无标记实时传感方面的潜力。另一方面，电化学（EC）分析技术因其操作简单、响应快速和仪器成本低等优势而受到研究人员的广泛青睐（Badea等人，2019；Cao等人，2024；Huang, Sun等人，2023）。例如，Zhu团队开发了一种将信号放大与CRISPR/Cas12a技术相结合的新型电化学生物传感平台，用于检测抗生素和农药残留（Zhu等人，2025）。

在四环素类检测方面，大多数方法通常基于"锁钥"策略进行设计，针对特定四环素类化合物实现了理想的检测性能（Kumar等人，2025；Meng等人，2019）。然而，实际污染体系中往往同时含有多种四环素类化合物。因此，有必要建立一种新的方法，既能检测不同类型的四环素类化合物，又能有效区分其类别。此前，Wei团队利用杂原子掺杂石墨烯构建了色谱型纳米酶传感器阵列，实现了对芳香族农药的检测（Yunyao Zhu等人，2020）。该阵列表现出优异的辨别能力，能够识别浓度为5至500 μM范围内的五种不同农药，同时还能够区分各农药的浓度变化以及两种农药混合比例差异。各类四环素类化合物之间的结构差异主要体现在母环上的取代基不同，这使得设计一种能够同时检测和区分多种四环素类化合物的传感器阵列成为可能（Huang等人，2021）。

基于上述调研，本工作旨在构建一种基于装饰有具有优异过氧化物酶样（POD-like）活性的空心树状Ag@Pt纳米颗粒（NPs）的单根金纳米线（Au NW）的超灵敏传感平台，用于多种四环素类化合物的精确检测，如图1所示。具体而言，如图1A所示，本研究合成了空心树状Ag@Pt纳米颗粒，其展现出先前报道的优异POD样催化活性（Du等人，2023）。此外，空心树状结构赋予了该材料较大的比表面积，其丰富的纳米间隙和纳米级尖端使得能够形成更密集的"热点"分布，从而显著提高了SERS检测的灵敏度（Lee等人，2022；Liu等人，2022；Yang, Pan等人，2023）。随后，在H₂O₂存在的情况下，Ag@Pt纳米颗粒可催化其分解产生大量活性氧物种（ROS），进而将3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）氧化为氧化TMB（ox-TMB）（Guo等人，2025）。利用两条互补的修饰有巯基的单链DNA，通过PtS键和AuS键，将Ag@Pt纳米颗粒分别负载到单根金纳米线上（图1B）（Zhou等人，2026）。然而，当引入四环素类化合物时，它们与TMB竞争ROS，从而抑制TMB的氧化过程（图1C）。基于四环素类化合物与TMB之间的ROS竞争反应，构建了一种高灵敏、简便且快速的SERS/EC双模态传感策略。该单根金纳米线具有尺寸小、比表面积大和生物相容性优异等特点（Dai等人，2025；Yanyan Zhu等人，2022），为检测提供了优异的平台，并进一步提高了灵敏度和稳定性。值得注意的是，由于各类四环素类化合物的分子结构存在差异，本研究将SERS/EC双模态检测与强大的机器学习技术相结合，成功识别并有效区分了五种四环素类化合物（MC、TET、OTC、CTC和DOX）（图1D）。本研究将纳米酶的高效催化活性、单根金纳米线平台小型化带来的显著优势以及机器学习技术相结合，实现了对环境和食物链中多种四环素类化合物的灵敏准确识别。此外，与单信号输出模式相比，SERS/EC双模态检测能够实现信号之间的相互验证，有效消除人为误判，同时丰富检测信息，使分析结果更加全面和可靠（Chen等人，2025；Cheng等人，2022）。

部分摘要

空心树状Ag@Pt纳米颗粒的合成

空心树状Ag@Pt纳米颗粒的制备采用两步法：首先合成Ag纳米颗粒，然后以其为模板合成Ag@Pt纳米颗粒。

首先，将三口烧瓶中的49 mL去离子水加热至沸腾，随后加入50 μL 0.1 M抗坏血酸（AA）溶液。一分钟后，依次滴加1 mL 0.01 g/mL柠檬酸钠溶液和1 mL 2.5 mg/mL硝酸银溶液，混合物立即从无色变为黄色。该黄色

Ag@Pt纳米颗粒和纳米探针的制备与表征

在Ag@Pt纳米颗粒的合成过程中，首先以抗坏血酸（AA）和柠檬酸钠作为还原剂，以硝酸银作为银源，通过一步还原法制备Ag纳米颗粒（Zhang等人，2024）。随后，将H₂PtCl₆·6H₂O加入到含有表面活性剂Brij58和所合成Ag纳米颗粒的混合溶液中。最后通过AA还原铂前驱体，形成Ag@Pt纳米颗粒。图1A中的透射电子显微镜（TEM）图像显示

结论

综上所述，本工作成功构建了一种基于单根金纳米线的纳米酶介导的纳米传感系统。所合成的Ag@Pt纳米颗粒表现出优异的POD样活性，可催化过氧化氢分解产生活性氧物种（ROS）。产生的ROS随后作为TMB与四环素类化合物竞争反应的反应物。此外，这些Ag@Pt纳米颗粒具有空心树状结构，与核壳结构相比提供了更丰富的SERS"热点"，显著

CRediT作者贡献声明

Yan Zhou（周燕）：撰写初稿、调查研究、数据整理、概念构思。Yaohui Xu（徐瑶辉）：验证、软件、调查研究、形式分析。Yu Jin（金宇）：方法论、数据整理。Qingshan Dai（戴青山）：指导、项目管理、形式分析、概念构思。Yongxin Li（李永新）：撰写—审阅与编辑、指导、调查研究、资金支持、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知的财务利益或个人关系冲突。

致谢

本工作获得国家自然科学基金（编号：22574004）、安徽省自然科学基金（编号：2308085MB56）和安徽省教育厅科学研究重点项目（2023AH040032）的资金支持。

Yan Zhou|Yaohui Xu|Yu Jin|Qingshan Dai|Yongxin Li