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快速高选择性检测铜绿假单胞菌的镍锌硒纳米传感器通过机器学习优化和aptamer修饰实现非侵入式唾液监测，检测限1.69 CFU/mL，线性范围101–10? CFU/mL。
Sehrish Hanif|Sana Kousar|Nosherwan Adil|Naeem Akhtar|Ahlam I. Al-Sulami|Safi Ullah Khan|Arsalan Ahmed|Bushra Yaqub|Muhammad Ali Khan
摘要
在呼吸道感染中快速且高度选择性地检测铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）对于改善患者护理、减少不必要的抗生素使用及相关医疗成本至关重要。由于对快速可靠诊断方法的需求不断增加，已经探索了许多用于检测P. aeruginosa的材料；然而，这些材料仍然存在灵敏度低、选择性差以及依赖侵入性采样的问题，这限制了它们的实时应用。为了解决这一挑战，本文报道了一种基于双金属镍锌硒化物（NiZn-Se）的纳米传感器的合成，并对其进行了P. aeruginosa特异性适配体的功能化处理。通过机器学习（ML）优化了传感器的成分（Ni和Zn的比例），以提高灵敏度，而选择性则通过特定的适配体实现。所得到的ML优化NiZn-Se适配传感器对P. aeruginosa表现出极高的灵敏度，检测限低至1.69 CFU/mL，并具有宽线性范围（101–108 CFU/mL）。此外，即使在多次循环使用后，该传感器仍能保持超过96%的响应率。重要的是，这种设计的ML优化NiZn-Se适配传感器已成功应用于人类唾液中P. aeruginosa的实时、无创监测，显示出其在临床应用中的巨大潜力。据我们所知，这是首次报道使用ML优化NiZn-Se适配传感器实现高效、无创和实时监测P. aeruginosa的研究。
引言
呼吸道感染仍然是全球主要的健康挑战，常常导致严重的并发症，如呼吸衰竭、败血症休克、肺部感染（包括慢性阻塞性肺疾病、囊性纤维化）和多器官功能障碍，尤其是在免疫系统受损的人群中[1]。常见的细菌病原体包括肺炎支原体、肺炎链球菌、肺炎衣原体、流感嗜血杆菌和铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）[2]。其中，P. aeruginosa由于其生物膜形成能力、适应性和多重耐药性，成为医院获得性呼吸道感染的主要原因，导致住院时间延长和预后不良[3]、[4]。世界卫生组织的ESKAPE病原体列表显示，P. aeruginosa的抗生素耐药性在全球范围内上升，对公共卫生构成了严重威胁，估计每年导致超过50万人死亡[5]。因此，耐药性P. aeruginosa的日益普遍突显了迫切需要快速、灵敏和选择性的诊断方法，以便进行针对性治疗。传统的诊断方法依赖于鼻咽或咽喉拭子采样，这些方法具有侵入性、劳动强度高且存在感染风险。相比之下，唾液作为一种无创、安全且诊断可靠的替代品，富含呼吸道生物标志物[6]、[7]。
目前，传染病的诊断和预防主要依赖于实验室诊断技术[6]、[8]。因此，已经采用了多种技术来检测P. aeruginosa，包括比色法[9]、细胞培养[10]、聚合酶链反应[11]、酶联免疫吸附测定[12]、[13]、平板计数[14]和分光光度法[15]。尽管这些方法能够提供可靠的结果，但大多数方法耗时较长、成本较高，并且需要熟练的人员操作，这限制了它们在实时应用中的使用[16]。相比之下，电化学方法作为一种有前景的替代方案，具有小型化、便携性、高灵敏度和选择性以及操作简便等优点，特别适合快速准确的病原体检测[17]、[18]。
在过去十年中，各种纳米材料被用于P. aeruginosa的电化学监测。这些材料包括但不限于碳基材料，如碳纳米管和石墨烯纳米片，虽然具有高灵敏度，但重现性和选择性较差。另一方面，贵金属纳米复合材料虽然灵敏度高，但合成成本高且复杂[19]、[20]。在这种情况下，基于过渡金属的纳米复合材料（包括硫化物[21]、氧化物[22]和硒化物[21]）被认为是P. aeruginosa检测的潜在替代品。有趣的是，金属硫化物具有良好的导电性，但结构不稳定且催化稳定性低；而过渡金属氧化物虽然稳定，但导电性有限[23]。相比之下，基于过渡金属硒化物的纳米复合材料显示出更好的导电性、稳定性和催化活性；然而，它们的性能通常受到活性位点有限和电荷转移缓慢的限制[24]。为了解决这些问题，双金属硒化物纳米复合材料应运而生，其中金属间的协同作用显著增强了氧化还原活性、电子转移和整体催化效率，同时提高了稳定性和灵敏度[25]。然而，仅凭灵敏度不足以进行临床诊断，高选择性同样关键，以确保在复杂生物介质中准确识别病原体。为了提高选择性，已经使用了多种天然受体，包括抗体、酶和适配体[26]。与抗体和酶相比，基于适配体的生物传感器因其长期稳定性、灵活的修饰性、低成本以及对目标分析物的高亲和力而受到广泛关注。适配体被称为“人工抗体”，是一种单链DNA或RNA，由于其高度有序的三维结构，能够与特定目标结合，形成精确的结合口袋，适用于蛋白质、细菌和病毒等目标分析物。适配体是多功能生物受体，可以与其他纳米材料集成，通过适配体发生显著的结构重排来识别目标，这种重排可以直接转化为可测量的电化学信号，使适配体成为敏感和选择性检测病原体的理想选择[27]。
尽管在开发具有多功能组合的纳米结构电极材料方面取得了令人印象深刻的进展，但要有效优化各个金属组分并阐明它们对整体电化学响应的影响仍然是一个主要挑战[28]。这种复杂性源于复杂的数据集、催化活性的变化以及在双金属框架内避免聚集的难度[29]。为了克服这些限制，机器学习（ML）作为一种强大的人工智能模型，通过（i）快速分析复杂的实验数据，（ii）精确识别对电化学响应有重大影响的关键金属成分，提供了变革性的结果[30]。这种数据驱动的策略成功减少了传统试错实验的需要，从而减少了时间、成本和材料消耗，同时实现了高灵敏度的精确调整[31]。最终，将ML与材料合成参数相结合，使得实验参数与设计材料的电化学性能之间建立了精确的相关性[32]。
为了解决上述挑战，本文合成了一种基于双金属硒化物（NiZn-Se）的纳米传感器，并在其表面功能化了P. aeruginosa特异性适配体。有趣的是，选择NiZn-Se是为了利用Ni和Zn的协同作用来提高电催化性能，而适配体的功能化则增强了传感器对P. aeruginosa的选择性。为了进一步提高设计的NiZn-Se适配传感器的电化学性能，通过ML算法和实验数据集优化了Ni和Zn的比例组合，以获得最佳的电荷转移电阻（Rct）。与单金属对应物（如NiSe和ZnSe）相比，设计的ML优化NiZn-Se适配传感器对P. aeruginosa表现出更强的电流响应和更低的Rct。此外，该适配传感器的检测限低至1.69 CFU/mL，线性范围宽（101–108 CFU/mL），使其在文献报道的竞争平台中处于领先地位。这种性能的提升归因于Ni和Zn金属的ML优化，有助于增强电子导电性并加速高效的电荷传输。最后，设计的ML优化NiZn-Se适配传感器已成功应用于人类唾液中P. aeruginosa的精确监测，凸显了其在实时应用中的潜力。尽管所提出的适配传感器在实验条件下表现出良好的稳定性，但仍需要进一步研究以评估其大规模生产和长时间储存的重复性，以实现实时应用。
部分摘录
化学品和试剂
合成和电化学测试中使用的所有试剂和溶剂均为超纯度和分析级。通过授权的本地分销商Sigma-Aldrich提供了以下产品：乙醇（C2H5OH）、硒粉、氰化铁钾（K4[Fe(CN)6）、六水合硝酸镍(II)（Ni(NO3)2·6H2O）、氰化铁钾（K?[Fe(CN)?]）和Zn(NO3)2.6H2O。此外，还使用了磷酸盐缓冲盐水（PBS）、多巴胺（DA）和肼一水合物（N2H4·H2O）。
形态和结构研究
通过扫描电子显微镜（SEM）分析深入研究了合成的NiZn-Se纳米复合材料的形态特征[37]。NiSe纳米复合材料的SEM图像显示形成了粒径为110–170 nm的聚集球形颗粒（见图1A）。ZnSe的SEM图像显示出粒径为80–180 nm的不规则晶体状结构（见图1B）。NiZn-Se纳米复合材料的SEM图像显示了
结论
总之，我们采用水热法合成了基于机器学习（ML）优化的双金属硒化物（NiZn-Se）纳米复合材料，设计了一种高性能的电化学适配传感器，用于精确监测P. aeruginosa。随后，通过ML优化系统评估了各个金属组分对合成材料传感性能的影响。对合成材料的成分和形态进行了分析
CRediT作者贡献声明
Sehrish Hanif：撰写——原始草案、软件、方法论。Sana Kousar：撰写——审稿与编辑、软件。Nosherwan Adil：撰写——审稿与编辑、软件、方法论。Naeem Akhtar：撰写——审稿与编辑、验证、概念化。Ahlam I. Al-Sulami：验证、软件、研究。Safi Ullah Khan：验证、软件、方法论。Arsalan Ahmed：撰写——审稿与编辑。Bushra Yaqub：软件、方法论。Muhammad Ali Khan：撰写——审稿与
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢巴基斯坦高等教育委员会（HEC）在项目编号20-16236/NRPU/R&D/HEC/2021-2020下的财政支持。
