Electrochim Acta：机器学习辅助原子级精确金团簇用于高选择性电化学检测对乙酰氨基酚

对乙酰氨基酚（AC）是广泛使用的解热镇痛药物，但过量摄入会引发不可逆的肝肾损伤，因此需建立快速、灵敏、高选择性的对乙酰氨基酚检测方法。本研究合成了晶体结构解析明确的四核原子级精确Au₄(SMe)₄纳米团簇，并将其作为分子层面结构明确的电化学传感界面用于对乙酰氨基酚检测。传统纳米颗粒、碳基传感材料尺寸分布宽泛、活性位点模糊；与之相比，Au₄(SMe)₄团簇提供了可解析的结构平台，能够建立配体稳定的金活性位点、对乙酰氨基酚选择性吸附行为与电化学响应三者之间的构效关联。结构模拟结果表明：(S)-4‑甲基噻唑烷‑2‑硫酮（SMe）配体产生空间位阻效应，在稳定金核的同时暴露出具备电子活性的金位点，使Au₄(SMe)₄纳米团簇对乙酰氨基酚表现出优异电催化活性。该传感器拥有1‑30 μM、30‑179 μM 两段线性检测范围，灵敏度分别可达 8403 u A mM^-1cm^-2与1433 uAmM^-1cm^-2；检测限低至 (0.32±0.04) μM，定量限为 (1.07±0.10) μM，稳定性良好。本研究引入机器学习优化的极端随机树（Extra Trees）模型评估真实样品检测的可靠性与稳定性，显著提升传感器在复杂基质中检测痕量物质的分析能力。密度泛函理论（DFT）计算证实对乙酰氨基酚与Au₄(SMe)₄纳米团簇之间存在较强的特异性相互作用。

• 材料层面：制备得到晶体结构完全解析的原子级精确四核Au₄(SMe)₄金团簇，区别于普通多分散纳米材料，活性位点明确；配体的空间位阻实现 “稳定团簇骨架 + 暴露活性金位点” 的双重效果，用于对乙酰氨基酚电化学检测。

• 构效机制：结合单晶表征、多种材料表征与 DFT 理论计算，从分子层面阐明传感机理，明确部分暴露电子调控的 Au 位点是传感活性的本源，可以解释选择性来源，解决传统纳米传感器活性位点模糊、机理难以剖析的痛点。

• 数据处理创新：将Extra Trees 极端随机树机器学习模型引入电化学传感，替代传统线性回归，校正复杂样品基质带来的非线性偏差，提升血清、药片真实样品检测的回收率、降低 RSD，提高复杂基质下痕量检测的可靠性。

  
  

示意图 机器学习辅助Au₄(SMe)₄纳米团簇用于 AC 电化学传感的原理示意图

图1.(a) Au₄(SMe)₄纳米团簇的结构。颜色图例：金（Au）为橙色；硫（S）为黄色；氮（N）为蓝色；碳（C）为灰色。为便于观察，省略全部氢原子。(b) Au₄(SMe)₄纳米团簇的质谱图。(c) X 射线光电子能谱（XPS）全谱，以及 (d) Au 4f、(e) S 2p、(f) N 1s 的高分辨 X 射线光电子能谱。

图2.Au₄(SMe)₄纳米团簇的 (a) 扫描电子显微镜（SEM）图像，以及 (b) 金 (Au)、(c) 硫 (S)、(d) 氮 (N) 的元素映射图；(e) 透射电子显微镜（TEM）图像和 (f) Au₄(SMe)₄纳米团簇的高分辨晶格图。

图 3. (a) 空白碳纸 (CP)、SMe 配体以及Au₄(SMe)₄纳米团簇的电化学阻抗谱 (EIS)；(b) Au₄(SMe)₄纳米团簇在不同扫描速率（20‑100 mV s⁻¹）下的循环伏安曲线；(c) SMe 配体在不同扫描速率（20‑100 mV s⁻¹）下的循环伏安曲线；(d) 对应电化学双电层电容(C_dl）数值对比。

图 4. (a、b) 扫描速率为(0.05V/s)条件下，空白碳纸（CP）、SMe 配体与Au₄(SMe)₄纳米团簇在含有 100 μM 对乙酰氨基酚（AC）体系中的循环伏安（CV）曲线和差分脉冲伏安（DPV）曲线；(c) 0.1 mM 对乙酰氨基酚在不同 pH 条件下的差分脉冲伏安响应；(d) 不同 pH 条件下的氧化峰电流密度(J_pa）与氧化峰电位(Epa)；(e) 氧化峰电流密度(J_pa）与扫描速率的线性关系；(f) 峰电位(Ep)与扫描速率对数(log v)关系曲线。

图5. (a、b) Au₄(SMe)₄纳米团簇检测不同浓度对乙酰氨基酚（AC，1‑179 μM）的差分脉冲伏安（DPV）曲线与校准曲线；(c、d) Au₄(SMe)₄纳米团簇检测对乙酰氨基酚的干扰实验；(e)Au₄(SMe)₄纳米团簇传感器放置 30 天后的稳定性；(f) 5 根不同电极的重现性；(g) Au₄(SMe)₄纳米团簇以及AC@Au₄(SMe)₄纳米团簇的最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占分子轨道（LUMO）；(h) 分子 @Au₄(SMe)₄纳米团簇复合物（分子分别为 AC、抗坏血酸 AA、尿素 UR、葡萄糖 Glu、精氨酸 Arg）的几何结构及其吸附能(E_ad)，单位为 eV。

图6. (a) 电化学传感测试前后Au₄(SMe)₄纳米团簇的粉末 X 射线衍射（PXRD）图谱；(b) 电化学传感测试前后的 X 射线光电子能谱（XPS）全谱，以及 (c) C 1s、(d) N 1s、(e) S 2p、(f) Au 4f 的高分辨 X 射线光电子能谱。

图7.(a‑d) 10 种不同机器学习回归模型得到的决定系数（R²）、均方根误差（RMSE）、相对性能偏差（RPD）与平均绝对误差（MAE）。

本研究利用金丰富的配位方式，精准合成了 (S)-4‑甲基噻唑烷‑2‑硫酮配体保护的四核金团簇。结构分析表明：SMe 配体借助空间效应有效稳定Au₄(SMe)₄骨架，同时配位不饱和的中心金原子得到充分暴露，成为高效电催化活性中心。得益于Au₄(SMe)₄纳米团簇对对乙酰氨基酚优异的选择性与电催化活性，所构建传感器展现出出色分析性能：线性范围宽达 1‑179 μM，检测限为 (0.32±0.04) μM，定量限为 (1.07±0.10) μM（信噪比分别为 3 和 10）。该传感器选择性强、稳定性优异，在实际样品的对乙酰氨基酚检测中获得理想加标回收率。DFT 理论模拟阐释了Au₄(SMe)₄纳米团簇对对乙酰氨基酚的高选择性来源；配体的保护作用也赋予材料良好化学稳定性。与此同时，经优化的极端随机树（Extra Trees）模型表现出优秀拟合能力与稳定预测效果，保障实际样品定量检测的准确度与可靠性。更为关键的是，本研究证实原子级精确 Au₄团簇可以用作药物分析的电化学传感界面。传感器的传感性能来源于部分暴露、电子结构可调控的金位点，为对乙酰氨基酚提供吸附与电子转移位点；相较于传统金纳米颗粒，原子精确的 Au₄团簇可以实现更清晰的构效关系解析。因此，本工作为开发具有可解析活性界面的原子精确团簇基电化学传感器提供了新思路。

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