基于混合价铈金属有机框架的集成微流控传感器阵列，用于机器学习辅助的抗氧化生物标志物识别

《Journal of Colloid and Interface Science》：Integrated microfluidic sensor array based on mixed-valence cerium metal organic framework for machine learning-assisted identification of antioxidant biomarkers

便携式微流控芯片结合MVCM材料实现六种抗氧化剂的智能检测，通过氧化酶活性催化TMB显色生成RGB指纹，机器学习分析准确率达100%，适用于复杂样本的POCT检测。

　　

金瑞云|张盼|姜松军|田路遥|王志星|朱春楠|郑东云|刘超|卢金瑞|李倩|袁俊辉|王媛|林晓东

北京大学集成电路学院先进微纳制造技术国家重点实验室，北京 100871，中国

摘要

准确识别抗氧化剂对于健康评估和食品安全至关重要，然而传统的分析方法通常具有便携性和操作效率方面的局限性。本文提出了一种基于混合价铈金属有机框架（MVCM）的集成微流控比色传感器阵列，用于灵敏且模式化地识别六种关键的抗氧化生物标志物。MVCM表现出优异的氧化酶样活性，密度泛函理论（DFT）计算表明其催化能力源于狭窄的带隙（0.63 eV）以及对H₂O₂和O₂的优化吸附能。所得到的MVCM能够将3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）氧化为蓝色产物oxTMB。通过利用生物硫醇和酚类分子对MVCM-TMB系统的不同抑制作用，建立了一个高维的红-绿-蓝（RGB）比色指纹数据库。结合机器学习辅助的主成分分析（PCA），该传感器阵列在4–32 μM的线性范围内对这六种抗氧化剂实现了100%的分类准确率，并在复杂的二元和三元混合物系统中保持了稳健的区分性能。该平台进一步被转化为一种便携式的聚二甲基硅氧烷（PDMS）-玻璃微流控芯片，并结合智能手机成像技术，实现了对实际样品中抗氧化剂成分的可靠评估。总体而言，这项工作提供了一种低成本、无需仪器、非侵入性的即时检测（POCT）和个性化氧化应激监测方法。

引言

抗氧化剂在维持生物系统的氧化还原平衡和调节氧化应激方面发挥着关键作用。它们的主要功能是清除或中和活性氧（ROS），从而保持细胞内氧化还原过程的动态平衡[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。然而，当ROS的产生超过内源性抗氧化防御系统的能力时，过量的ROS会对蛋白质、脂质和核酸等生物大分子造成氧化损伤，并与多种慢性疾病的发病和发展密切相关，包括癌症、心血管疾病、糖尿病和神经退行性疾病[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。因此，准确高效地检测抗氧化剂对于健康评估、食品质量控制及相关工业应用具有重要意义[11]。

目前，抗氧化剂分析主要依赖于高效液相色谱（HPLC）、气相色谱（GC）和电化学方法[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。尽管这些方法具有高灵敏度和定量准确性，但它们往往受到“锁钥”特异性识别的限制，难以同时检测复杂系统中的多种成分。为了克服这些瓶颈，基于交叉反应识别策略的比色传感器阵列应运而生。这些阵列通过模拟生物嗅觉/味觉系统，利用多个非特异性受体生成特征性的“指纹模式”。当与主成分分析（PCA）等机器学习算法结合使用时，这种方法能够实现结构相似分析物之间的深度区分。纳米酶由于其制备简单、稳定性高和可调节的催化性能，已成为构建比色传感器阵列的核心材料[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。特别是金属有机框架（MOFs）由于其高度可调的多孔结构和金属活性位点，在多通道模式识别方面具有巨大潜力[22]、[23]、[24]。然而，将基于MOF的纳米酶阵列从实验室概念验证转化为实际应用仍面临挑战。尽管最近的研究成功使用了PtPd@MnO₂ [25]或Ce-MOFs [26]等平台进行目标区分，但仍存在一些关键限制。首先，大多数现有阵列仅在简单的环境样品中得到了验证，其在复杂生物或食品基质中的稳健性尚未得到充分证明。其次，依赖手动移液（96孔板）的传统检测格式极易受到混合和温度波动的影响，导致显著的背景噪声并影响重复性。越来越多的最新研究表明，基于纳米酶的传感器阵列和便携式比色平台正在快速发展。例如，最近有报道指出，基于MOF的纳米酶比色阵列结合智能手机读出功能，可用于复杂基质中的多组分区分，展示了MOF衍生催化阵列在实际生物传感应用中的扩展潜力[27]、[28]。同时，最近的综述强调纳米酶传感器阵列和基于MOF的纳米酶传感系统正朝着更高集成度、实际样品验证和即时检测应用的方向发展[29]。然而，许多当前的研究仍然仅关注阵列区分或便携式读出功能，而MOF纳米酶工程、机制解释、多组分抗氧化剂识别和微流控微型化的集成仍然有限。为了解决这一挑战，微流控技术为提升纳米酶传感性能提供了理想的平台。通过在微米尺度上精确操控流体，微流控芯片创造了高度可控且均匀的微环境，显著减少了样品基质的随机干扰，提高了信噪比[30]、[31]、[32]。此外，其高度集成的架构不仅简化了操作程序，还实现了与智能手机成像的无缝结合，弥合了实验室研究与便携式即时检测之间的差距[33]、[34]。

本文开发了一种基于MVCM的集成微流控比色传感器阵列，用于抗氧化剂的模式化识别（图1）。MVCM表现出优异的氧化酶样活性，并催化TMB氧化为蓝色产物oxTMB。通过利用六种抗氧化剂（CYS、GA、GSH、CA、VC和TA）对MVCM-TMB系统的不同抑制作用，生成了独特的比色指纹。然后，将该传感策略集成到一个具有中央注射端口和多个外围样品室的微流控芯片中，确保了高度可控和同时发生的反应。这些指纹通过基于智能手机的RGB提取进行处理，并使用机器学习算法（特别是PCA）进行分析，以实现高精度的数字区分。这种便携式、无需仪器的平台为复杂食品和生物基质中氧化应激相关生物标志物的非侵入性监测提供了可靠的解决方案。

材料与试剂

硝酸铈(III)六水合物（Ce(NO₃)₃·6H₂O，99.99%）和1,3,5-苯三羧酸（H₃BTC，98.96%）购自Macklin Biochemical Co., Ltd.（上海，中国）。还原型谷胱甘肽（GSH，98%）、咖啡酸（CA，98%）和单宁酸（TA，≥95%）也购自Macklin Biochemical Co., Ltd.（上海，中国）。L-半胱氨酸（L-Cys，98%）、没食子酸（GA，99%）、3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB，99.5%）、氢氧化钠（NaOH，≥99.5%）、过氧化氢（H₂O₂，30 wt%）

Ce-MOF和MVCM的表征

首先，通过低温溶热法合成了MVCM。如图1A所示，合成的MVCM粉末呈黄色。通过SEM对Ce-MOF和MVCM的形态进行了表征。如图1B所示，Ce-MOF呈现光滑的纳米棒状结构，与先前的报道一致[36]。相比之下，MVCM显示出类似的棒状形态，但表面明显更粗糙（图1C）。此外，能量色散X射线光谱（EDS）确认了其均匀性

结论

总之，本研究通过集成MVCM、比色传感器阵列和微流控技术，建立了一种用于多组分抗氧化剂模式识别的稳健分析策略。得益于MVCM增强的氧化酶样催化活性，以及DFT计算的电子结构和优化的反应物吸附行为，所构建的系统生成了稳定且高度可重复的RGB指纹。因此，可以

CRediT作者贡献声明

金瑞云：撰写——原始草稿，方法学，数据管理。张盼：监督，资金获取。姜松军：数据管理。田路遥：数据管理。王志星：软件。朱春楠：方法学。郑东云：可视化，概念化。刘超：资源。卢金瑞：软件。李倩：方法学。袁俊辉：软件，资源。王媛：软件。林晓东：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：6257030650）的支持。