An Intelligent Sensing Paradigm Enabled by Phosphate-Regulated Nanozyme Activation and Machine Learning for Antioxidant Discrimination at Neutral pH

化学 线性判别分析 人工智能 机器学习 生物系统 生物传感器 磷酸盐缓冲盐水 检出限 生化工程 鉴定(生物学) 判别式 线性范围 纳米技术 监督学习 复矩阵 工作(物理) 模式识别(心理学) 定量分析(化学) 样品(材料) 无机磷酸盐 抗氧化能力
作者
J J Liu,Kaiqiang Yang,Wei Zhang,Fei Liu,Wenying Li
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.6c01524
摘要

Nanozymes with oxidase-like activity hold great promise for biosensing but are severely limited by their low catalytic efficiency at neutral pH. Herein, we propose a strategy to address this limitation by using endogenous phosphorylated metabolites (e.g., ATP, CTP, GTP) as modulators to reactivate Ce-MOF nanozymes under neutral conditions. Mechanistic studies reveal that phosphate coordination tunes the Ce 3+ /Ce 4+ ratio, thus facilitating superoxide radical generation and thereby restoring oxidase-like activity. Capitalizing on the distinct regulatory profiles of ATP, CTP, and GTP, a triple-channel colorimetric sensor array was constructed. This array enabled the fingerprint-based discrimination and quantification of seven structurally similar antioxidants, achieving detection limits in the range of 0.140 to 1.91 μM. For reliable concentration-independent discrimination of antioxidants, a two-step machine learning (ML) framework was developed. An optimized K-nearest neighbors (KNN) model achieves 98.1% accuracy for concentration-independent qualitative recognition, and linear discriminant analysis (LDA) is subsequently applied for accurate quantification. The integrated platform successfully analyzed commercial health supplements, achieving a 92.0% blind identification accuracy and quantitative results with ∼3.40–6.10% error relative to labeled values. Furthermore, the platform demonstrated satisfactory performance in spiked fetal bovine serum samples, with recoveries ranging from 80.4% to 118% for three model antioxidants. This work not only provides a fundamental strategy for engineering adaptive nanozymes but also establishes an intelligent sensing paradigm for complex sample analysis under neutral conditions.
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