《International Journal of Biological Macromolecules》：Cellulose-based hydrogel SERS sensor for label-free detection and identification of antithyroid drugs
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抗甲状腺药物监测中，本研究开发了一种基于Ag NPs/C-CNF/PNIPAM的三维多孔水凝胶SERS传感器，实现血浆中甲巯咪唑（MMI）和硫氧嘧啶（2-TU）的快速定量检测，检测限分别低至7.48×10-9 M和2.35×10-8 M，结合机器学习实现100%准确率且无需复杂预处理。
作者：张博涵、闫欣、林萍、郑瑞萍、游瑞云、吴亚玲、陈珊、卢玉东
单位：福建闽江大学福州海洋研究所材料与化学工程学院，中国福建省福州市350108
摘要
抗甲状腺药物虽然对治疗甲状腺功能亢进至关重要，但可能会引起对患者健康有害的不良反应。因此，开发一种快速、定量的方法来监测血液中的药物浓度对于有效诊断和治疗甲状腺疾病至关重要。在本研究中，我们制备了一种三维（3D）多孔Ag NPs/C-CNF/PNIPAM水凝胶，作为表面增强拉曼光谱（SERS）的传感器。具体而言，银纳米粒子（Ag NPs）通过羧基化纤维素纳米纤维（C-CNF）稳定在聚(N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）网络中。这种水凝胶能够直接从血浆中快速分离和富集甲巯咪唑（MMI）和2-硫尿嘧啶（2-TU），无需复杂的样品预处理。该方法对MMI和2-TU的检测限（LOD）分别低至7.48×10^-9 M和2.35×10^-8 M。此外，通过将SERS与机器学习结合，所提出的方法能够准确区分添加了这两种药物的血液样本，准确率达到100%，接收者操作特征曲线（AUC）的值为1。这种基于水凝胶的平台为抗甲状腺药物的快速检测提供了可靠的解决方案，在治疗监测中具有巨大潜力。
引言
甲状腺功能亢进是由于甲状腺激素分泌过多引起的，可能导致新陈代谢加速、心血管异常、神经损伤和生殖系统紊乱。严重病例可能引发危及生命的并发症，如甲状腺危象和心力衰竭[1]。甲巯咪唑（MMI）和2-硫尿嘧啶（2-TU）等抗甲状腺药物具有很强的抗甲状腺活性，被广泛用于治疗甲状腺功能亢进[2],[3]。快速定量监测血液中残留的抗甲状腺药物浓度对于诊断和管理甲状腺疾病至关重要。已有多种药物检测方法，包括高效液相色谱[4]、荧光分析[5]、质谱[6]和电化学分析[7]。然而，这些方法存在仪器复杂、操作耗时、样品预处理繁琐以及需要高度熟练的技术人员等局限性。因此，需要开发一种成本更低、更简单、更快、更敏感的分析方法来定量检测微量药物分子。
表面增强拉曼光谱（SERS）是一种基于拉曼光谱的高度敏感的分子检测和分析技术。它利用金、银和铜等粗糙金属表面的增强效应来放大分子的拉曼散射信号，从而能够有效检测低浓度或微量样品[8]。增强机制包括化学增强（CM）和电磁场增强（EM）。CM主要依赖于分子与基底之间的电荷转移，类似于共振效应的增强机制，但其增强因子相对较低[9]。EM主要基于局部表面等离子体共振（LSPR）效应产生的强电磁场，不依赖于分析物的性质，具有更高的增强因子[10]。目前，SERS技术已广泛应用于生物医学[11]、环境监测[12]和食品安全[13]等多个领域。
SERS基底对于实现信号增强至关重要。为了最大化这些增强机制的效果，最近的研究中开发了多种基于复合材料的SERS传感器。典型的例子包括CuO/Ag复合薄膜[14]、双功能UiO-66/AgNPs/TiO2 SERS基底[15]以及ZnO/Ag复合微/纳米结构中的掺杂工程[16]。尽管上述半导体-金属杂化材料表现出优异的协同敏感性，但其制备过程通常依赖于复杂和苛刻的条件。因此，开发具有简单合成工艺且能实现显著SERS增强的SERS基底仍然是研究人员的关键目标。三维SERS基底包括水凝胶[17]、气凝胶[18]和金属有机框架（MOFs）[19]。这些3D SERS平台具有高孔隙率、大比表面积和分子筛效应，能够快速渗透和富集目标分析物，从而创建更多的“热点”，提高SERS平台的灵敏度。水凝胶是通过化学键或物理相互作用形成的三维网络结构的多孔聚合物材料，具有很强的吸水保水能力，同时保持形状和结构，具有优异的机械性能和生物相容性[20]。与复杂的纳米复合材料和其他3D材料相比，水凝胶制备过程更简单，成本更低，在即时检测应用中具有广泛的应用前景。
然而，封装在水凝胶中的金属纳米粒子容易随机分散，增加了分析物分子与金属表面之间的距离，导致SERS信号减弱和信号均匀性差。因此，迫切需要开发一种可控地将金属纳米粒子组装到水凝胶网络上的方法。这种方法应尽量减少热点间距，同时保持水凝胶的柔韧性，以构建适合分析应用的SERS水凝胶。纤维素是一种丰富的可再生有机生物材料，易于改性，既可用作胶体稳定剂，也可用作还原剂[21]。它具有亲水性、环保性、可再生性、生物降解性和低拉曼背景等优点[22]。目前，刘等人[23]使用改性纤维素作为稳定剂，增强了水凝胶网络中金属纳米粒子的分散性和稳定性，制备了高度均匀的Ag NCs/CCNF/PAAM水凝胶SERS基底。
受此工作的启发，本研究通过紫外光聚合制备了一种基于纤维素的水凝胶SERS平台，用于直接检测血浆样本中的抗甲状腺药物，技术路线如图1所示。制备的Ag NPs/C-CNF/PNIPAM水凝胶具有多孔结构。羧基化纤维素（C-CNF）使Ag NPs在水凝胶基底中更均匀地分布，有效减少了Ag NPs的聚集，从而构建了更丰富的“热点”网络。该水凝胶具有优异的特异性，能够快速分离和富集目标药物。在实际样品检测过程中，无需复杂的样品预处理。此外，还使用了支持向量机（SVM）、随机森林（RF）和多层感知器（MLP）等机器学习模型对血浆样本中的MMI和2-TU进行分类。这表明将光谱技术与人工智能结合可以扩展药物识别方法，为药物检测分析提供新的途径。
材料
详细信息见表S1。
仪器
详细信息见表S2。
Ag NPs的合成
Ag NPs的制备采用了先前报道的方法[24]。首先，称取0.017克AgNO3放入锥形烧瓶中，加入100毫升超纯水，加热并搅拌至沸腾。然后加入5毫升1% C6H5Na3O7，反应1小时后生成Ag NPs。将溶液冷却至室温，离心并浓缩至不同体积，以制备不同浓度的Ag NPs。
Ag NPs/C-CNF/PNIPAM水凝胶的形态和光谱表征
如图1a所示，Ag NPs胶体在416纳米附近表现出宽的光学吸收带，这是局部表面等离子体共振（LSPR）的特征，初步表明Ag NPs的形成。图1b中的动态光散射（DLS）显示Ag NPs的粒径分布主要集中在50–60纳米。图1c中的透射电子显微镜（TEM）分析显示Ag NPs的平均粒径约为50纳米。ζ电位测量结果如下所示：
结论
本研究通过紫外光聚合快速简便地合成了Ag NPs/C-CNF/PNIPAM水凝胶SERS平台。C-CNF使Ag NPs胶体在水凝胶网络中分散和稳定得非常好，显著提高了SERS信号的均匀性，相对标准偏差（RSD）低至3.57%。该水凝胶能够同时富集和检测血浆中的MMI和2-TU，检测限分别为7.48×10^-9 M和2.35×10^-8 M。
CRediT作者贡献声明
张博涵：撰写——原始草稿、方法学、实验设计、数据分析、概念构建。闫欣：方法学、实验设计、数据分析、概念构建。林萍：数据分析。郑瑞萍：数据分析。游瑞云：监督、资源获取、资金申请。吴亚玲：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、资源协调。陈珊：撰写——审稿与编辑、资源协调。卢玉东：撰写——
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们非常感谢中国福建省自然科学基金（2025J08275）、福建省技术创新重点研究与产业化项目（2023XQ012）以及福建省科技厅支持的指导项目（2020Y0019）的支持。
