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基于机器学习融合电化学指纹的传感器校准方法

  • 杨皓宇 1, 2 ,
  • 李爱学 2 ,
  • 赵春江 , 1, 2
展开
  • 1. 上海海洋大学 信息学院,上海 201306,中国
  • 2. 北京市农林科学院智能装备技术研究中心,北京 100097,中国
赵春江,博士,研究员,研究方向为智慧农业。E-mail:

杨皓宇,硕士研究生,研究方向为机器学习与农业传感器。E-mail:

收稿日期: 2025-12-31

  网络出版日期: 2026-03-30

基金资助

新一代人工智能国家科技重大专项(2022ZD0115702)

A Calibration Method for Sensors Integrating Machine Learning with Electrochemical Fingerprint

  • YANG Haoyu 1, 2 ,
  • LI Aixue 2 ,
  • ZHAO Chunjiang , 1, 2
Expand
  • 1. College of Information Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China
  • 2. Research Center of Intelligent Equipment, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China
ZHAO Chunjiang, E-mail:

YANG Haoyu, E-mail:

Received date: 2025-12-31

  Online published: 2026-03-30

Supported by

National Science and Technology Major Project(2022ZD0115702)

Copyright

copyright©2026 by the authors

摘要

【目的/意义】 电化学传感器受限于基底电极的品控波动、修饰过程误差及环境干扰等因素,导致不同批次间存在性能差异,使得每个传感器在实际检测前均需进行独立、耗时的人工校准,严重制约其规模化应用。为避免繁琐的人工校准流程,提出了一种数据驱动的机器学习(Machine Learning, ML)校准策略,该策略能够在保证电化学传感器检测精度的同时,提升检测效率。 【方法】 以检测猪肉中棕榈酸(Palmitic Acid, PA)的分子印迹电化学传感器为模型体系,首先制备传感器并表征。进而构建多模态数据集:从45根电极的电化学阻抗谱、循环伏安曲线和差分脉冲伏安曲线中提取具有物理意义的多个特征作为电极指纹,以指纹特征和浓度为输入,相应浓度下的响应电流变化值为输出,构建一个根据电极指纹信息智能预测传感器标准曲线的ML校准模型。 【结果和讨论】 经ML校准后,传感器对猪肉样本PA含量的检测结果显示出良好的准确性,检测同一样本的相对标准偏差为5.01%,回收率在96.05%至105.30%之间,均符合检测要求。此外,将传感器检测结果与传统气相色谱-质谱联用技术的测量值进行对比,两者结果差异在可接受范围内。 【结论】 本研究证实了提出的ML校准策略在实际样品分析中的可靠性,为实现电化学传感器的免人工标定提供了一种切实可行的技术策略,为实现其规模化应用奠定了技术基础。

本文引用格式

杨皓宇 , 李爱学 , 赵春江 . 基于机器学习融合电化学指纹的传感器校准方法[J]. 智慧农业, 2026 : 1 -13 . DOI: 10.12133/j.smartag.SA202601004

Abstract

[Objective] Electrochemical sensors offer advantages such as high sensitivity, rapid response, and ease of miniaturization. However, performance variations across different sensor batches—caused by factors including substrate quality fluctuations, modification process errors, and environmental interference—necessitate independent and time-consuming manual calibration for each sensor prior to practical use. To address this issue, a data-driven calibration strategy integrating machine learning (ML) with electrochemical fingerprinting is proposed. This approach aims to uncover the intrinsic relationship between sensor characteristics and response behavior, enabling accurate prediction of calibration curves for newly fabricated electrodes, thereby enhancing testing efficiency while maintaining detection accuracy. [Methods] Using a molecularly imprinted polymer (MIP) electrochemical sensor for detecting palmitic acid (PA) in pork as a model system, the following investigations were systematically conducted. First, a MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/screen-printed electrode (SPE) sensor was fabricated and comprehensively characterized for its electrochemical behavior using electrochemical methods. Subsequently, a multimodal dataset for ML model training was constructed: electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and cyclic voltammetry (CV) curves were collected from 45 bare SPEs in [Fe(CN)₆]³⁻ solution, from which five characteristic parameters—charge transfer resistance (Rct), constant phase element (CPE), anodic peak current (Ipa), cathodic peak current (Ipc), and peak potential separation (ΔEp)—were extracted. After fabricating these electrodes into MIP sensors, the thionine oxidation peak current I₀ was measured in blank solution using differential pulse voltammetry (DPV) as the sixth feature. Each electrode was then tested with six concentrations of PA standard solutions, recording the corresponding DPV response currents Iᵢ. The standard solution concentration served as the seventh feature, forming 270 sets of "feature-concentration-response" data pairs. Using electrode fingerprint features and PA standard solution concentrations as inputs, and the response current change ΔI (i.e., I₀-Iᵢ) as the output, four models—artificial neural network (ANN), decision tree (DT), random forest (RF), and support vector regression (SVR)—were constructed, with hyperparameters optimized via grid search. Finally, based on comprehensive evaluation of metrics including coefficient of determination (R²), root mean square error (RMSE), mean absolute error (MAE), and relative prediction deviation (RPD) on the prediction set, the optimal model was selected for subsequent validation with real samples. [Results and Discussions] Electrochemical characterization confirmed successful fabrication of the MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE sensor: DPV showed significant recovery of the oxidation peak current after template molecule elution, while EIS revealed a decrease in charge transfer resistance Rct from 1.04 kΩ before elution to 240 Ω after elution, confirming effective formation of imprinted cavities. The sensor exhibited good selectivity for PA, with interference responses substantially lower than that for PA. Within the concentration range of 1–1 000 μM, ΔI showed excellent linear correlation with LogCPA. Among the ML models compared, ANN demonstrated optimal performance, outperforming DT, RF, and SVR across all metrics. The ANN also showed the closest performance between training and prediction sets with no obvious overfitting, indicating its effectiveness in learning deep mappings between multimodal features and sensor responses. Using the trained ANN model, 14 newly fabricated MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE sensors were employed to validate the practical applicability of the predicted calibration curves. First, in tests with 80 μM PA standard solution, concentrations measured by five electrodes closely matched the actual value, with a relative standard deviation (RSD) of 4.34%. Second, in actual pork sample analysis, results from five electrodes showed excellent agreement with reference values obtained by traditional gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS), yielding an RSD of 5.01%. Finally, in spiking recovery experiments, four electrodes at spiking levels of 300, 400, 500, and 600 μM achieved recovery rates ranging from 96.05% to 105.30%. These results conclusively demonstrate that the ANN model trained on electrode fingerprint features can accurately predict electrode-specific calibration curves, enabling direct application of sensors to real sample analysis without manual calibration curve determination. [Conclusions] This study successfully developed and validated an intelligent sensor calibration strategy integrating electrochemical fingerprinting with machine learning.The strategy achieves accurate prediction of individual sensor calibration curves. In practical application to PA detection in pork samples, the ML-calibrated sensors demonstrated excellent accuracy and stability. Without reliance on complex equipment or massive labeled datasets, this approach balances detection precision and efficiency, providing a viable technical pathway for standardized fabrication and scalable deployment of electrochemical sensors, with potential to advance their transition from laboratory research to practical commercial applications.

0 引 言

电化学传感器因其灵敏度高、响应快速和易于微型化等优点,在环境监测1、临床诊断2、食品安全3及智慧农业4等领域展现出巨大的应用潜力。然而在实际应用中,由于基底电极本身的质量差异、修饰过程的人为误差,以及环境因素等,即使遵循完全相同的修饰方案和步骤,所制备出的传感器在性能上仍存在差异5。其结果便是,针对同一目标物,不同批次制备的传感器的标准曲线往往存在一定偏差。为了获得准确的定量分析结果,目前通常需要对每一根传感器进行单独的人工标定。这一过程极大降低了检测效率、增加了时间和人力成本,成为制约其规模化应用的瓶颈之一。
研究人员针对这一挑战已提出了一些策略。ROEHRICH等6提出使用快速傅里叶变换电化学阻抗谱(Fast Fourier Transform Electrochemical Impedance Spectroscopy, FFT-EIS)直接测量电子转移速率(Rate of Electron Transfer, ket)的方法,该物理量不受传感器表面适配体的修饰密度的影响,从而实现免校准检测,但这一方法高度依赖于特定的适配体构象变化机制,难以拓展至更广泛的传感体系。APOSTOLOPOULOS等7利用随机森林(Random Forest, RF)模型进行多传感器协同校准,显著降低了同型号传感器之间的输出差异,尽管如此,该策略的实施高度依赖于高质量参考仪器所提供的大规模训练数据,且模型内在的“黑箱”特性使其难以从电化学机理层面解释和追溯预测偏差的来源,因而在复杂实际样本中的泛化能力与稳健性仍有待验证。综上所述,现有研究虽从电化学机制和数据建模两个维度对传感器差异进行了补偿,但仍存在机制普适性差或模型可解释性不足等问题。如何兼顾高精度、高效率且强普适性的传感器校准,仍是当前领域内亟待突破的关键难题。
为实现电化学传感器免人工标定的智能化检测,本研究提出一种机器学习(Machine Learning, ML)融合电化学指纹的校准策略。该策略的核心是通过提取传感器在多种电化学方法中具有明确物理意义的特征指纹,结合ML学习并预测传感器固有的性能差异。具体而言,选取能够有效表征电极界面特性的电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)、循环伏安法(Cyclic Voltammetry, CV)和差分脉冲伏安法(Differential Pulse Voltammetry, DPV)中的相关参数,作为多模态特征数据输入,并以特定浓度下的电流响应作为输出,构建一个能够依据单个传感器的特征数据快速预测其专属标准曲线的智能模型。为验证该方法的可行性,制备了一种检测猪肉样品中棕榈酸(Palmitic Acid, PA)含量的一次性电化学传感器,并以此作为研究实例,系统评估所提出ML校准策略的校准效果。经过评估,ML校准后的传感器性能够满足检测要求。该策略不依赖于特定传感体系或目标分析物,能够为各类电化学传感器的研发与标准化提供参考,并为其走向实际应用与商业化奠定技术基础。

1 材料与方法

1.1 试剂与材料

羧基化氧化石墨烯(Carboxylated Graphene Oxide, COOH-GO)和沸石咪唑酯骨架材料-8(Zeolitic Imidazolate Framework-8, ZIF-8)购自先丰纳米材料科技有限公司(中国,南京)。硫堇(Thionine, Thi)、壳聚糖(Chitosan, CS)、吡咯(Pyrrole, Py)、PA、油酸(Oleic Acid, OA)、亚油酸(Linoleic Acid, LA)、棕榈油酸(Palmitoleic Acid, POA)、亚麻酸(Linolenic Acid, ALA)、氯化钠(Sodium Chloride, NaCl)、氯化钾(Potassium Chloride, KCl)、色氨酸(Tryptophan, Trp)、亮氨酸(Leucine, Leu)、葡萄糖(Glucose, Glu)、乳糖(Lactose, Lac)购自西格玛试剂有限公司(美国,密苏里州圣路易斯)。0.01 mol/L pH 7.4磷酸盐缓冲溶液(Phosphate Buffered Saline, PBS)购自索莱宝科技有限公司(中国,北京)。其余试剂均为分析纯,整个实验均使用超纯水制备溶液。超纯水使用美国密理博公司(美国,伯灵顿)的超纯水系统Millipore-simple UV现做现用。

1.2 仪器与设备

所有的电化学测量都是在CHI760E电化学工作站(上海辰华仪器有限公司,中国)上进行的。配备X射线能谱分析(Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS)的场发射扫描电子显微镜(Field-Emission Scanning Electron Microscopy, FESEM)系统(ZEISS, SEM 500, 德国)用于研究不同修饰的丝网印刷电极(Screen-Printed Electrode, SPE)表面形貌。使用配备有单色Al Kα X射线辐射源(Thermo Fisher, Nexsa, USA)的光谱仪记录不同修饰电极的X射线光电子光谱(x-ray photoelectron spectroscopy, XPS)。使用傅里叶变换红外光谱仪(德国布鲁克有限公司,Invenio R)采集不同修饰电极的傅里叶变换红外光谱(Fourier-Transform Infrared Spectroscopy, FTIR)。SPE购自波探科技有限公司(中国,威海),工作电极和对电极由碳基材料组成,参比电极由银/氯化银组成,构成三电极系统。

1.3 传感器的制备

使用CV在PBS中活化SPE(-0.2~1.2 V,10圈)。如图1所示,将1.5 mg/mL COOH-GO、1.5 mg/mL ZIF-8、15 mM Thi和2 mg/mL CS进行混合,超声2 h至均匀分散后,在工作电极表面滴涂15 μL该复合材料,烘箱40 ℃烘干,以制得Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE。其中,COOH‑GO8与ZIF‑89用于协同提升传感器的检测灵敏度;由于PA本身不具备电催化活性,使用Thi提供电化学信号。接着,配制1.6 mM的PA溶液与8 mM的Py混合溶液,将电压范围设置为0~1 V,循环圈数设置为10个循环,通过CV法电聚合分子印迹聚合物(Molecularly Imprinted Polymer, MIP),随后将0.1 M 氢氧化钠(Sodium Hydroxide, NaOH)溶液滴至电极的工作区域,孵育5 min以去除PA模板分子,此时,膜层中形成与PA空间结构高度匹配的印迹空腔,从而实现对PA分子的特异性识别。最后,在超纯水中清洗电极去除残留的NaOH后制得MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE。
图1 MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE的制备过程

Fig. 1 Preparation process of MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE

1.4 电化学测量

采用DPV对PA进行检测分析,电压范围设置为-0.6~-0.1 V,采样间隔时间为0.05 s,振幅电位为0.025 V。所有电化学实验均在室温下进行(约25 ℃)。EIS用于ML数据集的采集,以及不同修饰步骤电极的验证,在5 mM的[Fe(CN)63-/4-溶液(含0.1 M KCl)中进行实验,设定频率范围为10 mHz~100 kHz,信号振幅为10 mV。CV用于ML数据集的采集,在5 mM的[Fe(CN)63-/4-溶液(含0.1 M KCl)中进行实验,电压范围设置为-0.3~0.6 V,采样间隔电位为0.001 V,扫描速率为0.05 V/s。

1.5 实际样品的电化学检测

样品为超市内购买的猪五花肉,将猪肉冷冻后研磨,取5 g样品置于20 mL无水乙醇溶液中超声1 h,用冷冻离心机离心15 min,设置温度参数为25 ℃,转速设置为8 000 r/min,取上清液用PBS稀释100倍后放入4 ℃冰箱中保存待用。测试时,滴加40 μL稀释后的样本在传感器表面,孵育3 min后进行DPV测试。

1.6 实际样品的气相色谱-质谱联用检测

采用气相色谱-质谱联用法(Gas Chromatography-Mass Spectrometry, GC-MS)作为对照,测定同一猪肉样本中PA的含量。称取100 mg研磨后样品于15 mL干燥的带塞玻璃管中,加入3 mL正己烷和3 mL的1%乙酰氯甲醇溶液,螺旋盖密封完好后,振荡混匀,80 ℃±1 ℃ 水浴2 h,期间每隔20 min振荡1次,水浴后取出冷却至室温,转移至50 mL离心管,用3 mL碳酸钠溶液清洗玻璃管2次,合并碳酸钠溶液于50 mL离心管中,振荡混匀,2 000 r/min离心10 min,吸取上清液作为测试液,待GC-MS分析。
气相色谱分析使用SH-RT-2560色谱柱(膜厚0.20 μm,长度100.0 m,内径0.25 mm),柱箱温度为40 ℃,进样口温度为250 ℃,进样方式为不分流,吹扫流量为3.0 mL/min,总流量为30.0 mL/min。质谱分析的离子源温度为230 ℃,接口温度为250 ℃,溶剂延迟时间为13.5 min,检测器电压为相对于调谐结果0.7 kv,采集方式为多反应监测(Multiple Reaction Monitoring, MRM)。

1.7 模型的选用与评估

本研究使用人工神经网络(Artificial Neural Network, ANN)、支持向量机回归(Support Vector Regression, SVR)、RF和决策树(Decision Tree, DT)这4种经典ML模型,用于对比模型训练的效果,最终将效果最佳的一种模型用于实际样品检测。这些算法均在Jupyter Notebook环境下基于Python实现。
为评估所拟合模型的预测精度,研究采用多项统计指标进行评价。决定系数(Coefficient Of Determination, R2)作为相关系数的平方,其最大值为1,表示因变量的变异可由自变量的变异完全解释。R2值越高(越接近 1),说明自变量对因变量的解释能力越强,模型拟合效果越好。其中,Rₜ2与Rₚ2分别代表训练集与预测集的决定系数。平均绝对误差(Mean Absolute Error, MAE)值越小,表明预测误差越低。均方根误差(Root Mean Square Error, RMSE)用于衡量预测值与实际值之间的偏差,反映样本的离散程度;在非线性拟合中,RMSE越小,模型的预测精度越高。相对预测偏差(Relative Prediction Deviation, RPD)用于评估模型的预测稳定性,其值越大,表明模型的泛化能力越强。上述各参数的计算如公式(1)~公式(5)所示。
R 2 = 1 - i = 1 n ( y i - y ^ i ) 2 i = 1 n ( y i - y ¯ ) 2
M A E = 1 n i = 1 n | y i - y ^ i |
R M S E = 1 n i = 1 n ( y i - y ^ i ) 2
R P D = S D R M S E  
S D = 1 n - 1 i = 1 n ( y i - y ¯ ) 2
式中: y i为第i个实际值; y ^ i为第i个预测值; y ¯为实际值的均值; n为样本数量,个; S D为预测样本的标准差。

2 结果与讨论

2.1 电极的表征

采用SEM和EDS对电极修饰的过程进行了表征。裸SPE表面干净整洁(图2a)。对于Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE,可以看到片层结构的COOH-GO,以及颗粒样的ZIF-8(图2b)。对于洗脱前的MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE,可观察到粗糙的膜结构(图2c),表明MIP被成功制备到电极上。用NaOH洗脱后,MIP未观察到明显的变化(图2d)。由于SPE的工作电极是碳基底的,所以它的EDS结果只含有C元素(图2e)。对于Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE,由于H元素是无法检测的,故其EDS显示除了C元素,还存在Cl、S、N、Zn和O。其中,由于Thi具有C、Cl、S、N,ZIF-8具有C、N、Zn,COOH-GO具有C、O,CS具有C、O、N,因此,EDS显示元素与Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS复合材料组成一致(图2f)。对于洗脱前的MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE,由于功能单体Py(具有C、N)和模板分子PA(具有C、O)都没有引入新元素,因此EDS结果仍然呈现C、O、N、Cl、S和Zn元素(图2g)。对于MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE洗脱后(图2h),EDS结果仍然呈现C、O、N、Cl、S和Zn元素,证明MIP无洗脱液残留,表明MIP的成功制备。
图2 裸SPE、Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE、MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE洗脱前和洗脱后的SEM图像和EDS图像

Fig. 2 SEM images and EDS images of bare SPE, Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE, MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE before elution and after elution

采用FTIR对裸SPE、Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE及MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE的表面组成进行了分析,光谱如图3a所示。在裸SPE电极中,1 188 cm-1和1 066 cm-1处的吸收峰分别归属于C-O单键的伸缩振动,这可能是SPE碳基底在制备过程中引入的少量含氧官能团所致。对于Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE,3 309 cm-1处的宽吸收带可归因于CS分子中O-H伸缩振动与N-H伸缩振动的叠加10。3 097 cm-1处的弱吸收峰来源于Thi芳香环中C-H的伸缩振动11。1 714 cm-1处的特征峰对应于COOH-GO中羧基的C=O伸缩振动12。1 602 cm-1处的吸收峰归属于-OH的弯曲振动13。1 458 cm-1和1 409 cm-1处的吸收峰分别对应于ZIF-8中咪唑环的骨架振动14以及-CH₃的弯曲振动15。1 343 cm-1处的吸收峰归因于Thi中C-N键的伸缩振动,以及CS酰胺Ⅲ带中C-N伸缩振动与N-H弯曲振动的耦合。1 248 cm-1处的吸收峰可归因于CS中C-O-C的伸缩振动16。1 098和1 017 cm-1处的强吸收带分别对应于CS伯醇和仲醇的特征吸收17。873与724 cm-1处的吸收峰则来自CS吡喃糖环上C-H的面外弯曲振动18。上述特征峰证实了Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE的成功构建。在MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE中,1 596 cm-1处的强吸收峰则来源于COOH-GO芳香骨架与聚吡咯(Polypyrrole, PPy)主链C=C伸缩振动19的共同作用。1 489与1 452 cm-1处的吸收峰归属于PPy中吡咯环的骨架振动20。1 314 cm-1处的吸收峰归属于PPy中C-N键的特征伸缩振动21。1 034 cm-1处的强吸收峰归因于吡咯环中C-H面内弯曲振动C-C伸缩振动22。红外光谱特征的结果证实了MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE的成功制备。
进一步,采用XPS对裸SPE、Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE及MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE的表面组成进行了分析。如图3b所示,裸SPE仅存在C和O的特征峰;当电极修饰Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS复合材料后,与裸SPE相比,Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE中出现了N、S、Cl和Zn元素特征峰,表明复合材料已成功修饰电极表面;制备MIP后,由于聚吡咯没有引入新的元素,因此MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE表面元素不变,证实MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE的成功制备。MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE的高分辨率XPS谱图示于图3c~图3f。对于C 1s核心能级(图3c),在288.1、286.3、284.7 eV处的XPS峰分别与C=O、C-O和C-C有关23。C=O主要来源于COOH-GO的羧基和CS的酰胺 I 带,C–O来源于COOH-GO和CS的羧基以及COOH-GO的环氧基,C-C来源于COOH-GO的石墨骨架和CS的糖环骨架。对于N 1s核心能级(图3d),在398.9、298.3 eV处的XPS峰分别与PPy的C-NHx 24和ZIF-8咪唑配体的C-N25有关。对于S 2p核心能级(图3e),在164.6、163.4 eV处的XPS峰分别与Thi的S 2p1/2和S 2p3/2有关26。对于Zn 2p核心能级(图3e),在1 043.9、1 020.8 eV处的XPS峰分别与ZIF-8的 Zn 2p3/2和Zn 2p1/2有关27。XPS结果证实各修饰层均成功构筑于电极表面。
图3 传感器制备过程的FTIR和XPS表征

Fig.3 Characterization of the sensor preparation process by FTIR and XPS.

2.2 MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE检测PA的性能

采用DPV来验证MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE检测PA的可行性,如图4a所示,曲线a为活化后的SPE的DPV图像,在-0.6~-0.1 V的电压范围内都没有明显的氧化信号峰。曲线b为修饰Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS复合材料后的DPV图像,在-0.35 V左右产生了明显的氧化峰,这是由于Thi的氧化引起的28。曲线c为在Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE表面聚合MIP后的DPV图像,由于形成的MIP膜会阻碍电子转移,所以曲线c的氧化峰相较于曲线b有大幅下降。曲线d为去除PA模板分子后的MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE的DPV图像,去除模板分子后会在MIP薄膜上留下大量空穴,对电子转移的阻碍作用减弱,所以相较于洗脱前,洗脱后的氧化峰会升高。
EIS表征如图4b所示,通过等效电路拟合得到裸SPE电极具有1.98 kΩ的Rct。修饰Thi、ZIF-8、COOH-GO和CS的复合材料后,由于电极的导电性和活性面积显著增强,得到Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE的Rct为66 Ω。当MIP在Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE表面聚合时,Rct增加至1.04 kΩ,这是由于MIP的形成阻碍了电子传递。从MIP洗脱PA后,Rct降低至240 Ω,这是因为通过洗脱在MIP中产生许多空腔。EIS得到的结果与DPV一致,证明了传感器的制备是成功的。
图4c所示,曲线e为MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE在不含PA的工作溶液中的DPV图像,曲线f为MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE在含有100 μM PA的工作溶液中的DPV图像,曲线f的氧化峰明显低于曲线e的氧化峰,是因为PA与分子印迹位点结合,导致电子转移受到阻碍。曲线g为NIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE在不含PA的工作溶液中的DPV图像,曲线h为NIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE在含有100 μM PA的工作溶液中的DPV图像。曲线g与曲线h的峰值差不是特别明显,是因为NIP上没有与PA特异性结合的印迹位点,仅是PA的吸附作用阻碍了部分电子转移。曲线e与曲线f峰值差与PA的浓度有关,将曲线e的峰值记为I 0,曲线f的峰值记为I 1,电流差值ΔI=I 0-I 1,ΔI可用于PA的定量分析,以上结果证明使用MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE检测PA是可行的。
选择性是电化学传感器的一项重要性能指标,将MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE分别置于相同浓度的NaCl、KCl、Trp、Leu、Glu、Lac、OA、LA、POA、ALA和PA溶液中进行选择性测试。如图4d所示,该传感器对于PA的响应是最强的,表明该PA传感器具有非常好的选择性。最后,为建立传感器定量分析的校准依据,采用DPV对不同浓度的PA标准溶液进行检测。结果如图4e所示,随着PA浓度从低到高逐渐增加,对应的DPV氧化峰电流呈现规律性下降。这一现象源于PA分子与传感器识别位点结合后会阻碍界面电子转移,浓度越高,占据的有效反应位点越多,对电子传递的抑制效应越强,从而导致峰电流降低。基于上述浓度依赖关系,以PA浓度的对数LogCPA 为横坐标,以不含PA时的DPV氧化峰电流与各浓度下DPV氧化峰电流的差值ΔI为纵坐标,绘制传感器的校准曲线(图4f)。在1至1 000 μM的宽浓度范围内,ΔILogCPA 之间呈现良好的线性关系。经线性拟合,得到回归方程为ΔI(μA)=20.750 5 LogCPA (μM)+17.793 2(R 2=0.994 9),表明该传感器在该区间内具有可靠的定量能力,可用于实际样品中PA的浓度测定。
图4 MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE传感器检测PA的性能

注:曲线a、b、c、d分别为裸SPE、Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE、洗脱前MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE、洗脱后MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE在PBS缓冲液中的DPV曲线。曲线e、g分别为MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS /SPE和NIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS /SPE在PBS缓冲液中的DPV曲线。曲线f、h分别为MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS /SPE和NIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS /SPE在100 μM PA溶液中的DPV曲线。

Fig.4 Performance of MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE sensor for detecting PA.

2.3 机器学习预测MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE的标准曲线

由于使用的电极本身及修饰过程中人为及环境因素造成的差异,不同的MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE传感器的标准曲线存在差异。为了提升传感器检测实际样本时的准确性,在测试实际样本之前,通常需要测试每一根MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE传感器的标准曲线,然后再用于实际样品的标定,时间成本较高并且较为繁琐,严重制约了电化学传感器的推广应用。在此,如图5所示,使用了45根裸SPE在铁氰化钾溶液中测试了EIS和CV曲线。在EIS数据中,Rct直接反映电极界面电荷转移的难易程度,其值越低说明电极反应动力学越快、性能越优异;恒定相位元件(Constant Phase Element, CPE)表征电极表面的非理想电容行为,通过其参数可评估界面粗糙度或分布均匀性,进而判断电极的稳定性和效率。因此,从EIS谱中提取了Rct和CPE。在CV数据中,I paI pc和ΔE p共同揭示了电极的催化效率、反应动力学,以及界面电荷传输性能,是评价电极材料电化学性能的关键指标,因此,将这三个参数提取作为特征。随后用这些电极制备了45根MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE传感器,使用它们在空白的PBS缓冲液中扫描了Thi的氧化峰,其峰高反映了电极完成修饰之后的差异,因此也作为特征并记为I₀。接着,每根电极采集了6个标准浓度点,记录下了每个浓度点对应氧化峰高Ii,共记录了270组浓度对应的电流数据。最后,将电极的指纹特征(Rct、CPE、I paI pc、ΔE pI₀)和标准液浓度作为特征输入,标准液浓度对应的氧化峰高Ii 作为目标输出,构建数据集和ML模型,使模型能够根据电极的指纹特征预测出标准浓度下的电流响应。
图5 ML模型训练与预测过程示意图

Fig.5 Schematic diagram of the ML models training and prediction process

由于超参数直接决定ML训练的效果,因此采用网格搜索优化方法来优化超参数是必要的。该方法是一种系统地遍历多个超参数组合的方法,通过穷举搜索所有可能的超参数组合来找到最优的模型参数。超参数最优结果如下:对于ANN模型,设置批处理规模(batch_size)为64,隐藏层维度(hidden_dim)为128,学习率(learning_rate)为0.001,网络层数(num_layers)为3;对于DT模型,设置树的最大深度(max_depth)为10,分裂时考虑的最大特征数(max_features)为sqrt,叶节点最小样本数(min_samples_leaf)为1,节点最小样本数(min_samples_split)为2;对于RF模型,设置max_depth为10,max_features为sqrt, min_samples_leaf为1,min_samples_split为2,n_estimators为200;对于SVR模型,设置正则化参数(C)为100,误差容忍度(epsilon)为0.2,核系数(gamma)为0.001,核函数类型(kernel)为径向基函数核(Radial Basis Function kernel, RBF)。
对四种机器学习模型在传感器标准曲线的预测任务中的表现进行了系统评估。如表1图6所示,在各自最优参数组合下,各模型展现出不同的泛化特性。DT与RF在训练集上表现优异,但在预测集上性能下降明显,呈现出较明显的过拟合现象;SVR在两项数据上差异相对较小,但仍存在一定程度的过拟合;而ANN在训练集与预测集上的性能最为接近,未表现出明显过拟合。具体而言,ANN在预测集上的R 2最接近1,RMSE与MAE最低,且RPD最高,综合表现优于其他三种模型。这种性能差异可能与各模型处理多特征输入的学习机制有关。本研究采用的多模态电化学指纹特征包含丰富且可能具有噪声的信息。DT和RF所采用的贪婪分割策略,可能过度依赖某些局部特征或偶然出现的噪声模式,从而导致对训练数据细节的过度拟合。RF虽然通过集成多棵子树提升了稳定性,但在有限样本的高维特征空间中,特征子集采样仍可能引入冗余信息,影响最终泛化能力。SVR依托结构风险最小化原则及核函数映射,对过拟合具有一定抑制能力,但在特征维度较高时,其模型复杂度仍可能随特征交互的增加而上升,从而限制其泛化表现。ANN在本任务中展现出更稳健的预测能力,这可能得益于其分布式表征与权重共享机制,使其能够从多模态特征中学习特征间的深层关联与平滑表示,从而降低对单一特征或随机扰动的敏感度。实验结果表明,在本研究设定的条件下,ANN能够基于有限的多维特征输入,有效学习传感器响应与目标物浓度之间稳健的映射关系,为后续实现免手工标定的快速校准提供了可能的技术路径。
表1 DT、RF、SVR和ANN模型训练效果的评估指标

Table 1 Evaluation metrics for model training performance of DT, RF, SVR, and ANN

模型

名称

训练集 预测集
RT 2 RMSE MAE RPD RP 2 RMSE MAE RPD
DT 0.995 5 2.266 0 0.955 9 14.914 3 0.805 9 12.228 7 8.887 8 2.269 9
RF 0.978 1 5.003 0 3.153 7 6.755 1 0.823 4 11.664 7 8.112 6 2.379 6
SVR 0.966 3 6.200 3 3.079 0 5.450 7 0.904 6 8.572 9 6.305 1 3.237 8
ANN 0.949 5 7.095 0 5.257 1 4.450 6 0.949 0 7.521 4 5.818 6 4.427 6
图6 DT、RF、SVR和ANN模型训练效果散点图

Fig.6 Scatter plots of training performance for DT, RF, SVR, and ANN models.

2.4 训练的模型在实际应用时的准确性验证

使用14根新的SPE在[Fe(CN)₆]3-/4-中测得Rct、CPE、Ipa、Ipc和ΔEp,随后用这些SPE制备MIP/Thi-COOH-GO-ZIF-8-CS/SPE,在PBS溶液中测出I₀。将上述Rct、CPE、Ipa、Ipc、ΔEp、I₀与标准液的浓度输入已训练的ANN模型中,预测每根修饰电极在标准浓度下的响应电流Iᵢ。基于响应电流变化值ΔI(即I₀—Iᵢ)与PA浓度对数之间的线性关系,建立每根电极的预测标准曲线。
首先,采用第1—5号电极的预测标准曲线,验证其在测试标准溶液时的准确性。将80 μM PA溶液滴加至电极表面,孵育3 min后测得响应电流I80,计算ΔI(I0—I80)并代入对应电极的标准曲线,得到5组PA浓度测定值。如表2所示,这5组实验测定值与实际浓度(80 μM)基本一致,相对标准偏差(Relative Standard Deviation, RSD)为4.34%,表明预测模型具有良好的准确性。
表2 ANN预测的传感器标准曲线在检测5次80 μM PA标准溶液时的准确性

Table 2 Accuracy of the sensor calibration curve predicted by ANN in five consecutive tests with 80 μM PA standard solution

传感器编号 测得浓度/μM
1 80.20
2 78.80
3 80.34
4 88.88
5 82.22
平均值 82.09
RSD 4.34%
随后,将实际猪肉样本溶液分别孵育于第6—10号电极表面3 min,使样本中的PA分子与MIP印迹位点充分结合,再进行DPV测试,获得响应电流Iₛ。通过将ΔI(I0—Iₛ)代入对应电极的预测标准曲线,计算得到该猪肉样本中PA的浓度。如表3所示,5根电极对同一猪肉样本的测定结果与作为参照的GC-MS方法所得浓度相近,且RSD值为5.01%在可接受范围内,说明该方法在实际样本检测中具备良好的准确性。
表3 ANN预测的传感器标准曲线与传统GC-MS法在检测猪肉样本PA含量时的准确性对比

Table 3 Accuracy of the sensor calibration curve predicted by ANN in detecting PA content in the pork sample

电化学检测方法 GC-MS法对比结果/(mg/g)
传感器编号 测得稀释后样本浓度/μM 转换为原始样本浓度/(mg/g)
6 428.76 43.99 38.99
7 378.23 38.81 39.80
8 388.01 39.81 38.64
9 377.16 38.70 40.70
10 379.74 38.96 39.73
平均值 390.38 40.05 39.57
RSD 5.01% 5.01% 1.81%
进一步使用第11—14号电极进行加标回收实验,以评估预测标准曲线在不同浓度PA样本中的适用性。在经表3测试的同一猪肉样本中分别添加300、400、500与600 μM的PA标准溶液,依次孵育于上述4根电极3 min后进行DPV测定。如表4所示,四个加标水平的回收率介于96.05%至105.30%之间,表明该方法在检测不同浓度的猪肉样本时依旧具有良好的准确性。
表4 ANN预测的传感器标准曲线测得的猪肉样本PA加标回收率

Table 4 Recovery rate of PA in pork sample measured using the sensor calibration curve predicted by ANN

传感器编号 加标量/μM 测得浓度/μM 回收率/%
稀释后的猪肉样本 0 390.38
11 300 706.29 105.30
12 400 779.85 97.37
13 500 870.64 96.05
14 600 975.28 97.48

3 结 论

本研究开发并验证了一种数据驱动的ML校准策略,通过将EIS、CV与DPV等多模态数据作为电极的“指纹信息”,所构建的模型能够精准预测单个电极的专属校准曲线,用于以分子印迹传感器检测猪肉样本中PA含量的实际案例中,该策略展现出卓越的可靠性:经校准后,传感器检测同一样本的RSD为5.01%,回收率在96.05%至105.30%之间,且结果与GC-MS标准方法高度一致。这充分验证了该策略在实际复杂样本分析中的有效性。该策略可以将传感器从繁琐的“一电极一标定”模式中解放出来,提高检测效率;还可为各类电化学传感器的标准化制备提供参考,为推动电化学传感器的规模化应用奠定了技术基础。

本研究不存在研究者以及与公开研究成果有关的利益冲突。

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