硫酸盐导向银枝晶：用于超灵敏SERS治疗药物监测的增强稳定性平台

《Advanced Science》：Sulfate-Directed Silver Dendrites with Enhanced Stability for Ultrasensitive SERS-Based Therapeutic Drug Monitoring

本文报道了一种通过将前驱体从AgNO3替换为Ag2SO4，快速制备硫酸盐介导银枝晶（s-AgDs）的方法。SO42?离子在纳米尺度上扮演双重角色，既引导形成多分支枝晶结构，又同时钝化表面防止氧化，显著延长了稳定性。所得s-AgDs在环境条件下储存至少七个月仍能保持优异的表面增强拉曼散射（SERS）性能，并展现出亚皮摩尔级灵敏度、高重现性（RSD < 8%），成功应用于水相和血浆基质中五种临床相关药物的治疗药物监测（TDM），展示了其在床旁检测（POCT）中的巨大潜力。

引言

治疗药物监测（TDM）对于危重患者至关重要，因其药代动力学多变且对标准治疗反应降低。当前TDM技术如高效液相色谱法（HPLC）、液相色谱-质谱联用（LC-MS）和免疫分析法虽分析严谨，但需复杂样品前处理、专业人员及仪器。表面增强拉曼散射（SERS）技术通过金属纳米结构的等离子体激元激发，可将弱拉曼信号放大数个数量级，结合紧凑型拉曼系统，使其在床旁检测（POCT）中极具吸引力。银基SERS基底通常比金提供更强的SERS增强，但其高氧化性导致性能随时间退化。枝状纳米结构因其多分支分形几何形状和众多“热点”而提供高SERS增强。然而，银枝晶（AgDs）商业部署的主要障碍仍是数天内性能丧失。因此，迫切需要抗氧化的设计，在保持等离子体行为的同时保护表面。

结果与讨论

2.1 AgDs的形貌与生长机制

研究通过硅（Si）和硫酸银（Ag₂SO₄）之间的电偶置换反应合成了AgDs，取代了传统的硝酸银（AgNO₃）前驱体。该反应在氢氟酸（HF）环境中进行，约2.5分钟内促进多分支结构形成。Ag₂SO₄提供更高的Ag⁺通量和硫酸盐环境，有利于各向异性枝晶生长，而AgNO₃由于硝酸盐相关的副反应导致生长缓慢和形成致密聚集体。扫描电子显微镜（SEM）图像显示了明确的多分支枝晶形态，具有广泛的表面粗糙度，有利于增强SERS活性的局部电磁场。透射电子显微镜（TEM）显示结构均匀，枝晶分支中仅有少量晶界。X射线衍射（XRD）图谱证实了面心立方（FCC）晶体结构，以（111）晶面为主反射。观察到的圆形尖端和分支形态是动力学控制的快速生长特征。枝晶的演化过程受热力学和动力学因素相互作用控制。由于Ag₂SO₄相比AgNO₃具有更高的银离子可用性（化学计量比为2:1），它维持了陡峭的浓度梯度，从而加强了动力学驱动的枝晶生长。

2.2 硫酸盐相关的表面化学

除了银离子浓度和反应时间，共存阴离子的类型对生长行为和最终形貌起关键作用。用AgNO₃时银生长慢得多，形成具有减少3D形态的聚集体（AgA）。结构复杂性和等离子体热点密度的降低导致较低的SERS灵敏度。X射线光电子能谱（XPS）进一步验证了表面化学计量。在s-AgDs中，Ag 3d_5/2峰出现在368.1 eV，与金属银参考值（368.2 eV）相比有轻微（0.1 eV）偏移，表明主要为Ag⁰特性。相比之下，硝酸盐衍生的聚集体（n-AgAs）显示出明显的0.3 eV偏移（至367.9 eV），表明表面氧化并形成AgO/Ag₂O等物种。s-AgDs的S 2p谱解析出两个双峰：低结合能组分与硫原子和银键合（S-Ag: 162 eV）相关，而高结合能组分与氧化物（S-O: 168.4 eV）相关，进一步验证了SO₄^2?作为钝化层的化学吸附。拉曼光谱也证实了SO₄^2?存在于s-AgDs表面。结果表明，SO₄^2?具有双重功能：通过增加电子转移速率加速AgD生长，并进一步钝化表面。这种联合效应改善了s-AgDs的结构清晰度和环境适应性。

3 s-AgDs的分析性能

3.1 稳定性

为了将SO₄^2?的表面钝化转化为实际性能，研究监测了s-AgDs长达18个月的SERS活性。老化后的基底在SERS测量前于4-MBA溶液（10^?5M）中孵育10分钟。平均SERS光谱显示，新鲜制备、1个月和1.5个月老的样品之间具有优异的信号保留，3个月后信号略有下降。7个月时，观察到SERS强度适度降低和变异性增加，这可能是由于表面部分降解。18个月后，SERS信号显著降低，可能由于环境污染物和随时间推移的表面降解。s-AgDs在长达七个月的储存期内稳定的信号保留证实了SO₄^2?钝化提高了银的耐久性。

3.2 灵敏度

为测量s-AgDs的灵敏度，使用4-MBA作为探针分子。s-AgDs在浓度为10^?5至10^?14M的4-MBA水溶液中孵育10分钟。结果展示了1070和1590 cm^?1处特征4-MBA峰的清晰一致检测，低至10^?13M。由此确定检测限（LOD）为0.49 pM，定量限（LOQ）为0.92 pM。在超低浓度（～10^?11–10^?13M）下，SERS强度降低，并观察到微小的峰位移/线形变化，这归因于单层或亚单层吸附状态以及低表面覆盖度下的取向效应。s-AgDs可靠的亚皮摩尔级SERS灵敏度使其在生物医学分析中对于低丰度分析物定量具有吸引力。计算了4-MBA的分析增强因子（AEF），在最低可检测浓度（10^?10–10^?13M）下，AEF值范围从2.2 × 10⁸到4.5 × 10¹⁰，为AgDs基底提供了定量基准。

3.3 重现性

为了量化批内（点对点和样品间）和批间变异性，在50个点上共收集了600个光谱。重现性在三个层面进行评估：点对点、样品间和批间。点对点重现性显示相对标准偏差（RSD）为3.3%，表明优异的局部均匀性。样品间重现性通过比较批次4中的3个重复样本进行分析，RSD值分别为4.5%、5.3%和5.9%，说明了基底的一致性能。最后，通过比较所有四个批次的平均SERS强度评估批间重现性，RSD值分别为5.5%、5.4%、7.5%、7.2%。在所有情况下，RSD值均保持在10%以下，证明了不同合成批次之间良好的一致性。批次内3%–6%和批次间≤ 8%的RSD表明s-AgDs提供了可靠的SERS信号，这对于受监管临床环境中的定量生物分析工作流程是必要的。

4 在人血浆中TDM的应用

为了测试s-AgDs对TDM的临床相关性，评估了水相和人血浆基质中一组多样化的临床相关药物。选定的药物包括6-硫鸟嘌呤、厄洛替尼、甲氨蝶呤、阿霉素和莫西沙星，代表了不同的化学结构、多样的表面相互作用特性和光谱指纹。尽管存在表面的SO₄^2?，但未观察到显著的信号干扰。每种药物在测试浓度下均表现出独特且清晰可识别的光谱指纹，证实了s-AgDs适用于痕量级SERS药物检测。为了模拟真实的临床场景，将相同药物以相同浓度加标到未经处理、未稀释的人血血浆中，显著增加了分析基质的复杂性。虽然SO₄^2?背景对药物光谱的干扰极小或无干扰，但在较低测试药物浓度（1 μg/mL）下出现了强烈的血浆背景。只有6-硫鸟嘌呤在1 μg/mL浓度下保留了清晰可识别的光谱特征，这可能是由于其与s-AgDs的有利相互作用。相比之下，阿霉素可可靠检测低至10 μg/mL，而厄洛替尼、甲氨蝶呤和莫西沙星表现出较高的检测阈值，分别为50 μg/mL，这可能是由于较弱的相互作用或血浆基质背景的较强光谱干扰。这种基质干扰强调了在低浓度临床检测中最大化检测灵敏度需要进行血浆样品前处理步骤的必要性。然而，这些数据也表明，当药物具有有利的相互作用时，我们的s-AgDs可以直接应用于未经处理的血浆样品，为复杂生物基质中的TDM提供即时且简化的方法。为了实现更低浓度的目标药物检测，应用了血浆样品制备方法，使用乙腈基蛋白沉淀从血浆中有效减少背景干扰。s-AgDs的检测限在水溶液和血浆中均进行了评估。s-AgDs在经处理的血浆基质中对每种药物的检测限（LOD）和定量限（LOQ）进行了总结。6-硫鸟嘌呤的检测限最低（0.02 μg/mL），受益于有利的硫醇-金属相互作用。阿霉素（0.3 μg/mL）位居第二，可能归因于其高固有拉曼截面，紧随其后的是厄洛替尼（5.4 μg/mL），可能由于其独特的炔烃模式位于拉曼沉默区，最小化了与血浆组分的光谱重叠。甲氨蝶呤（14.8 μg/mL）显示出较高的检测限，可能受其pH依赖性吸收特性影响。莫西沙星（19 μg/mL）显示出最高的检测限，可能由于其结构复杂性和与金属表面的有限相互作用。这些发现表明，利用药物特定的化学和结构特性，结合简单的蛋白去除步骤，可以显著提高s-AgDs在复杂生物基质中用于稳健且灵敏的POCT平台的实际适用性。

5 结论

本研究提出了一种通过简单的前驱体切换（从AgNO₃到Ag₂SO₄）快速稳健制备硫酸盐介导银枝晶（s-AgD）基底的方法。SO₄^2?离子在纳米尺度上发挥双重作用，引导多分支枝晶结构的形成，同时钝化表面防止氧化，显著延长了稳定性和保质期。因此，这些s-AgDs表现出出色的等离子体稳定性，其在环境储存条件下至少七个月内保持SERS性能就是明证。此外，这些s-AgDs表现出强大的分析性能，具有亚皮摩尔级灵敏度，批内和批间重现性始终低于8%。为了证明这些s-AgDs在生物分析应用中的实际适用性，成功展示了它们可用于水相和血浆基质中五种独特药物的灵敏TDM。一些药物（6-硫鸟嘌呤和阿霉素）甚至在未稀释血浆中也能在痕量浓度下被检测到。简单的蛋白沉淀步骤可可靠定量人血浆中所有五种化学多样性药物（6-硫鸟嘌呤，0.02 μg/mL；阿霉素，0.3 μg/mL；厄洛替尼，5.4 μg/mL；甲氨蝶呤，14.8 μg/mL；莫西沙星，19 μg/mL）。即使在复杂血浆背景存在下，这种高分析性能也凸显了s-AgDs在实际临床场景中应用的强大潜力。总之，这些结果将s-AgDs定位为一个稳定、可重现的SERS平台，适用于转化治疗药物监测。展望未来，报告的硫酸盐辅助稳定策略可能扩展到其他易氧化等离子体金属（如Cu、Al），以实现可控生长和更长保质期。结合手持式拉曼仪器和机器学习辅助光谱解读，s-AgDs可以支撑下一代便携式POC诊断。更广泛地说，这项工作说明了纳米级生长控制和表面化学如何解决SERS中长期存在的稳定性障碍，推进可靠、临床相关的拉曼分析。