Adaptive Electrochemical Aptamer Sensing across Biofluid-Relevant pH Ranges via a Dual-Stage Machine Learning Framework

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作者
Wenjun He,Jihong Sun,Mark Leach,Zhenzhen Jiang,Jiafeng Zhou,Pengfei Song
出处
期刊:ACS Sensors [American Chemical Society]
卷期号:11 (8): 7234-7245
标识
DOI:10.1021/acssensors.6c01536
摘要

Reliable electrochemical sensing can be hindered by environmental variability such as pH fluctuations, ionic strength, and nonspecific adsorption, which compromise signal fidelity and quantitative accuracy. Here, we present a dual-stage machine learning-assisted electrochemical framework that decouples environmental interference from concentration-dependent responses using ferrocene-labeled DNA-gold nanoparticle (Fc-DNA@AuNP) probes as a model aptamer platform. The redox-active nanostructure generated tunable differential-pulse voltammetry (DPV) signals, whose morphology and amplitude varied systematically across ionically standardized pH-calibration media covering biofluid-relevant acidic-to-weakly alkaline regimes. Machine-learning classifiers first identified pH conditions from shape-based electrochemical descriptors including peak potential, prominence, width, and signal-to-noise ratio, achieving over 85% accuracy across four pH-variable environments (pH 3.6-8.0). Subsequently, pH-specific regressors predicted carcinoembryonic-antigen (CEA) concentrations spanning five orders of magnitude, with quantitative performance evaluated using log-scale RMSE, MAE, and R2. The combined workflow enables adaptive interpretation of distorted electrochemical profiles without requiring additional internal standards or recalibration. This study provides an application-oriented pH-adaptive interpretation strategy for aptamer-based electrochemical sensors and establishes a transferable signal-decoding layer for subsequent complex-matrix and portable analytical validation.
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