疏水性诱导自组装的纳米尖端树枝状金SERS基底用于机器学习辅助的灵敏抗生素检测

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Hydrophobicity-induced self-assembly of nano-tipped dendritic gold SERS substrates for machine-learning-assisted sensitive antibiotic sensing

　　

摘要

抗生素在医学、畜牧业和农业中应用广泛，但其过度使用会导致严重的环境污染，威胁生态系统和人类健康。表面增强拉曼散射（SERS）在超灵敏检测方面具有巨大潜力，但其广泛实际应用受到阻碍，原因在于缺乏同时具备高重现性、超灵敏度和低成本制备性的基底。本文提出了一种疏水性诱导自组装策略，制备树枝状金纳米颗粒（Au NPs）基底，克服了简便低成本制备与超高检测灵敏度之间的根本性矛盾。通过将扩散限制聚集与疏水表面上的增强非均匀流场相结合，形成了紧密堆积的树枝状金纳米颗粒。这些颗粒形成了超高密度电磁热点，局域场约为孤立金纳米颗粒对的四倍。所得基底可实现抗生素的无标记、快速、高灵敏检测，对诺氟沙星的检测限达到100 ng L^?1，比现有方法提高1–2个数量级。同时，通过机器学习辅助光谱分类，可在10 μg L^?1水平区分诺氟沙星与土霉素的混合物，并可在河水中检测到低至1 μg L^?1的抗生素残留。总体而言，本工作提出了一种简单、经济且超灵敏的SERS基底策略，为环境监测、水安全评估和生物医学诊断提供了实用工具。

引言

抗生素是一类广泛用于预防细菌感染和控制致病微生物的药物[1]–[4]。自发现并实现量产以来，抗生素在推动人类医疗保健[5]、畜牧业[6]、农业[7]和水产养殖[8]方面发挥了关键作用。在这些领域中，抗生素的临床医学、动物养殖和水产养殖应用尤为广泛。然而，抗生素的大量且常常不加管制的施用导致未代谢、未吸收的残留物释放到地表水、土壤和地下水系统中[9]。由此造成的环境积累使抗生素被列为新兴污染物，对生态系统、公共健康和可持续食品生产构成重大风险[10]、[11]。这些问题凸显了对准确、快速且可在现场部署的检测策略的迫切需求，以监测水生环境中的抗生素残留。

传统上，抗生素检测依赖于生物免疫分析、液相色谱法（LC）、质谱法（MS）及其联用技术（LC-MS）[12]–[14]。尽管生物免疫分析常用于抗生素的初步筛选，但往往受限于检测时间较长和精度不足的问题。尽管色谱法和质谱法检测精度高，但其样品前处理和分析流程耗时[15]–[18]。此外，精密仪器的高昂成本严重阻碍了快速现场实时分析。光学检测策略在应对分析时间过长和仪器昂贵方面具有显著优势[19]、[20]。例如，基于荧光的技术可实现快速且高特异性的检测[21]。表面等离子体共振（SPR）方法易于与各种功能材料集成，实现对不同类型抗生素的检测[22]。光电化学方法也提供了较高的检测精度[23]。在这些光学技术中，表面增强拉曼散射（SERS）由于其能够实现快速且高特异性检测而受到越来越多的关注[24]、[25]。

值得注意的是，SERS被公认为一种实用且前景广阔的技术，能够克服传统实验室方法的局限性。它已被广泛应用于化学、生物学、环境科学及相关领域[26]–[29]。与通常需要复杂前处理和漫长分析周期的传统方法不同，SERS能够实现无损且快速的检测。此外，SERS具有出色的特异性、超高灵敏度和单分子指纹识别能力，使其成为一种极具前景的无标记检测方法。然而，SERS基底的制备日益复杂，通常需要集成多种功能材料以实现足够的拉曼信号增强，这阻碍了其可扩展性和实际应用[30]、[31]。因此，开发一种简单但有效的SERS策略，并具有强增强能力，以满足日益增长的抗生素检测需求，显得尤为重要。

为应对传统分析技术的挑战并释放SERS在实际应用中的全部潜力，我们开发了一种疏水性诱导自组装策略，制备树枝状金纳米颗粒（Au NPs）基底，用于检测水中的痕量抗生素残留（图1）。该设计利用了超小金纳米颗粒在疏水性增强非均匀蒸发场下的尺寸依赖扩散限制聚集（DLA）行为，实现了紧密堆积的树枝状等离子体网络的形成[32]、[33]。该树枝状Au NPs基底中的纳米颗粒紧密组装，具有纳米级颗粒间距，形成了具有高度弯曲纳米尖边缘的扩展分级结构。这导致了高密度电磁场热点[34]–[36]，其电磁强度约为两个Au NPs的四倍。

此外，采用结晶紫作为标准探针分子进行评估，获得增强因子（EF）为0.8 × 10¹⁰，检测限低至8 × 10^?15 M。因此，该树枝状SERS基底成功应用于痕量抗生素检测领域，实现了超低检测限100 ng L^?1（诺氟沙星），比现有技术低1–2个数量级。此外，该策略在区分诺氟沙星（10 μg L^?1）和土霉素（10 μg L^?1）的1:1混合物方面同样可靠。同时，采用该制备方法制备的树枝状SERS基底表现出良好的实用性和适应性，其检测限（LOD: 1 μg L^?1）低于此前报道的方法。与现有技术相比，本工作具有更简便的制备方法、更低的检测限、更强的增强因子和良好的稳定性（表S1）[37]–[40]。凭借分析性能与实际可用性的平衡，所提出的树枝状SERS平台在环境监控、水质评估和食品药品安全控制方面具有可观的应用前景。

各节摘要

材料

氯金酸（HAuCl₄，23.5–23.8%）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。柠檬酸钠（C₆H₅Na₃O₇，98%）购自上海麦克林生化科技有限公司。结晶紫（CV，95%）购自国药化学试剂有限公司。诺氟沙星（NFX，98%）和土霉素（OTC，98%）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。所有化学品均为分析纯，未经进一步纯化直接使用。乙醇为

树枝状SERS基底的表征与模拟

本研究采用透射电子显微镜（TEM）系统对Au NPs的尺寸和形貌进行了研究。图2b显示了Au NPs均匀的形貌，呈现均匀球形，直径约为8 nm，尺寸分布较窄（图S2），表明所采用的合成方法实现了高单分散性。

Au NPs通过疏水性诱导自组装策略形成了定义明确的树枝状基底（图2c）。该基底为

结论

总之，我们报告了一种简便且经济有效的疏水性诱导自组装策略，用于合成树枝状Au NPs作为SERS基底，用于新兴污染物的定量分析。该树枝状Au NPs基底中的每个颗粒具有纳米级颗粒间距，呈现出紧密堆积的扩展结构，并带有高度弯曲的纳米尖边缘。这导致了高密度的电磁场热点，约为

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（52525005, U24A20188, 52370003, 52270008）、中央公益性科研院所基本科研业务费（1630042024006）、北京新星计划学科合作专项（20240484737）、广东省重点学科研究加强计划（2025ZDJS035）资助。

常心雨|廖敏|孟舒娟|孟辰辰|陈玲玲|张蒙

北京航空航天大学电子信息工程学院，北京 100191，中国