通过反应特异性分子识别实现多种活性氧物种的机械可解释性表面增强Raman散射（SERS）鉴别

《Biosensors and Bioelectronics》：Mechanistically Interpretable SERS Discrimination of Multiple Reactive Oxygen Species via Reaction-Specific Molecular Recognition

　　

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  一种反应特异性的SERS平台能够区分三种代表性的活性氧（ROS）。
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  Au@CeO₂结合了等离子体增强效应和具有氧化还原活性的界面位点。
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  三种拉曼探针能够选择性识别H₂O₂、·O₂^-和·OH
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  不同的拉曼指纹特征使得ROS的区分具有机制可解释性。
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  细胞内SERS能够区分活化的HepG2细胞中的主要ROS种类。

引言

活性氧（ROS）是一类多种多样的氧衍生反应分子，包括自由基（如超氧阴离子·O₂^-和羟基自由基·OH）以及非自由基氧化剂（如过氧化氢H₂O₂）（Liu et al., 2025a）。在正常的生理条件下，ROS通过线粒体氧化磷酸化和各种酶促反应不断产生（Zhang et al., 2025b），在细胞信号传导、免疫反应、能量代谢和氧化还原稳态中起着不可或缺的作用（Lin et al., 2025）。然而，ROS的过度积累会破坏氧化还原平衡，引发氧化应激（Wang et al., 2025a），导致蛋白质、脂质和核酸受到不可逆的损伤（Zhou et al., 2023）。这种氧化损伤与许多疾病的发生和发展有关（Ouyang et al., 2026），包括癌症、神经退行性疾病、心血管疾病、代谢综合征和慢性炎症性疾病（Zhang et al., 2025a）。尽管它们通常被统称为ROS，但不同的ROS种类具有不同的化学性质和生物学功能（Karampinis et al., 2023）。例如，H₂O₂相对稳定，作为氧化还原信号传导中的重要二级信使（O'Lone et al., 2024），而·O₂^-主要在线粒体电子传递过程中产生，反映了线粒体的呼吸活性（Yang et al., 2025b）。相比之下，·OH在生物相关的ROS中具有最高的氧化潜能，几乎会立即与附近的生物分子发生反应，导致严重的氧化损伤（Ding et al., 2026）。因此，识别具体是哪种ROS产生比简单地测量总ROS水平更具信息价值。然而，由于ROS的寿命短、化学反应性强（Karges, 2026）、生理浓度低、快速转化（Zhu et al., 2026）以及在复杂生物环境中的明显时空异质性（Zhang et al., 2026），选择性区分单个ROS仍然具有很大挑战性。许多广泛使用的ROS检测方法的选择性有限，主要只能检测与氧化应激相关的变化（Pesapane et al., 2026），因此需要补充控制方法来确定涉及的氧化剂（Ismail et al., 2025）。这使得准确的ROS监测对于阐明氧化应激机制、评估线粒体功能和理解疾病进展至关重要。

已经开发了许多分析方法，包括荧光成像、电化学传感、比色测定、电子顺磁共振（EPR）和质谱（Pavelescu et al., 2026）。其中，荧光成像因其高灵敏度和与活细胞分析的兼容性而被最广泛采用（Yin et al., 2025）。然而，大多数市售的荧光探针会对多种ROS同时产生响应，难以准确区分化学性质不同的ROS（Zeng et al., 2024）。电化学和比色方法通常需要对探针或电极进行复杂修饰，并且对于结构相似的ROS选择性强度有限（Wang et al., 2026）。虽然EPR被公认为是检测自由基的金标准，但其依赖于自旋捕获试剂和专用仪器，限制了其在生物学研究中的常规应用（Chen and Lin, 2026）。更重要的是，无论使用哪种分析技术，大多数当前的方法主要是通过整体信号变化来识别ROS，其分析结果并不直接与潜在的化学反应相关（Wang et al., 2025b）。因此，仍需要能够选择性识别单个ROS并提供机制可解释的分析信号的传感策略（Park et al., 2023）。表面增强拉曼光谱（SERS）具有高灵敏度和内在的分子指纹信息，使其成为ROS分析的理想平台（Chen et al., 2025）。我们在这项研究中利用不同ROS的化学反应性差异，设计了能够区分ROS的探针（Liu et al., 2021; Xia et al., 2021）。通过开发反应响应型拉曼探针，我们旨在将ROS相关的反应与拉曼光谱的特征变化联系起来（Liu et al., 2025b; Zhang et al., 2024）。在这个设计中，通过反应特异性的分子识别来实现ROS的鉴定，从而使测量的拉曼信号能够直接与潜在的化学过程相关联。为此，我们使用了Au@CeO₂核壳纳米结构作为SERS基底。等离子体金核提供了强大的电磁增强效应，而CeO₂壳层促进了界面电荷转移，并由于其丰富的氧空位和可逆的Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对，促进了基底表面的ROS响应反应（Li et al., 2025）。

在本研究中，我们报道了一种探针功能化的Au@CeO₂核壳SERS平台，该平台能够选择性区分多种ROS种类。评估了三种反应响应型拉曼探针——4-巯基苯基硼酸（4-MPBA）（Diao et al., 2025）、硝基蓝四唑胺（NBT）（Zhang et al., 2023）和4-氨基噻酚（4-ATP）——分别用于选择性地识别H₂O₂、·O₂^-和·OH（Tanwar et al., 2022）。我们通过定量校准、选择性测试、荧光和电子顺磁共振验证，以及使用HepG2细胞构建的细胞内氧化应激模型实验，系统地评估了该平台的检测性能。通过将反应特异性的分子识别与拉曼指纹分析相结合，本研究提出了一种机制可解释的策略来区分多种ROS种类，并为氧化应激、线粒体功能障碍和其他与氧化还原相关的生物过程的研究提供了一个多功能分析平台。

章节片段

材料与方法

材料与方法详见补充材料。

Au@CeO₂ SERS平台的设计原理

该传感策略将基底构建、反应响应性分子识别和细胞应用整合在一个共同的Au@CeO₂ SERS框架内。通过将三种化学响应型拉曼探针与具有氧化还原活性的基底结合，该平台将不同的ROS相关反应转化为可区分的比率光谱响应。

如图1A所示，金核提供了拉曼信号放大的等离子体增强效应，而CeO₂壳层

结论

在这项工作中，我们开发了一种Au@CeO₂核壳SERS平台，用于通过整合三种反应特异性的拉曼探针（4-MPBA、NBT和4-ATP）来选择性检测H₂O₂、·O₂^-和·OH。每种探针在与相应的目标ROS反应时会产生特征性的拉曼光谱变化，从而能够在共同的Au@CeO₂框架上并行进行反应特异性区分和定量分析。

Ting Song：可视化、数据分析、数据管理。 Weize Yuan：撰写初稿、可视化、软件开发、数据分析、数据管理。 Ping Jiang：撰写与编辑、监督、资源管理、项目策划、方法学设计、研究实施、资金争取、概念构思。 Lei Li：撰写与编辑、验证、监督、资源管理、项目策划、方法学设计、研究实施、资金争取。 Yuxuan Zhou：可视化、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所报道的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号82574153）的支持。

>Weize Yuan|Ting Song|Wangheng Qian|Yutong Zhu|Yu Shen|Konghao Peng|Yuxuan Zhou|Lei Li|Ping Jiang