综述：TMB介导的催化SERS系统：应用、创新与未来前景

《TrAC Trends in Analytical Chemistry》：TMB-Mediated Catalytic SERS systems: Applications, Innovations, and Future Prospects

表面增强拉曼散射（SERS）技术因高灵敏度和分子特异性成为分析化学重要工具。TMB作为氧化产物ox-TMB可转化为Raman活性分子，其催化氧化机制与多模态传感结合显著提升检测性能，在疾病诊断、环境监测和食品安全中展现广泛应用潜力。

　　

王玉彤|张思航|尹青春|魏静|刘家伟|吴龙

海南大学食品科学与工程学院，国家市场监督管理总局热带果蔬质量安全重点实验室，海口570228，中国

摘要：

表面增强拉曼散射（SERS）是一种强大的分析技术，具有简单性、超高灵敏度、分子指纹特异性和快速检测能力。拉曼探针的开发对于提升SERS性能至关重要。值得注意的是，3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）是一种广泛使用的显色底物，具有独特的氧化还原、电化学和光谱特性。TMB的氧化形式（ox-TMB）可作为SERS探针，实现灵敏可靠的SERS检测。将TMB-SERS与其他分析技术结合，可以实现多模式传感，提高疾病诊断、环境监测和食品安全等应用中的检测精度。尽管TMB已在关于SERS底物、探针、纳米酶辅助SERS和催化传感的综述中提及，但针对TMB介导的催化SERS的综合性、以底物为中心的综述仍然缺乏。本文系统总结了TMB的化学和氧化还原特性，阐明了其拉曼激活机制，并重点介绍了其应用。

引言

表面增强拉曼散射（SERS）作为一种强大的振动光谱技术，具有超高灵敏度、分子指纹特异性、非破坏性操作以及与便携式仪器的兼容性。由于SERS能够检测到单分子水平的信号[1]，它在分析化学领域受到了广泛关注，应用范围包括生物分子的检测[2]、[3]、食品安全危害[4]、[5]、环境污染物[6]、[7]、药物化合物[8]、[9]以及疾病生物标志物[10]、[11]。此外，SERS还能高精度地实现分析物的分子结构表征[12]、[13]。例如，Zanchi等人利用SERS对酰胺-芳香族衍生物进行了表征，得到的结果与NMR分析结果一致[14]。

拉曼探针在决定SERS测定的分析性能（包括灵敏度、选择性和光谱重现性）方面起着关键作用。选择传统的SERS探针通常需要满足以下条件：（i）该分子具有较大的拉曼散射截面，从而能够产生强烈的拉曼信号；（ii）通过化学键合或物理相互作用在SERS底物表面稳定吸附；（iii）光谱复杂度低；（iv）在激光照射下具有光稳定性。有机小分子和染料分子是最常用的SERS探针分子[15]、[16]。源自有机小分子的拉曼探针通常包含硫醇（-SH）或氨基（-NH₂）等官能团，这些官能团对贵金属SERS底物（如金（Au）和银（Ag）具有很强的结合亲和力[17]。基于染料分子的拉曼探针通过静电力与等离子体底物的表面电荷相互作用[15]、[16]。此外，这些分子具有较小的分子尺寸、稳定的拉曼信号，并能够形成致密的自组装单层，从而实现可重复的SERS信号产生[18]。然而，它们的实用性可能受到非特异性吸附、底物依赖性和在基于反应的传感方案中的适用范围有限等限制。一些典型的拉曼探针在表1中进行了总结。

3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB）于1974年合成，是ELISA和酶或纳米酶辅助测定中最常用的显色底物之一[35]、[36]、[37]。除了其众所周知的比色行为外，TMB还具有与SERS检测高度相关的独特氧化还原特性。虽然天然TMB几乎不具有拉曼活性，但其氧化产物（TMB^+•和TMB²⁺）表现出强烈的共振拉曼散射（RRS）信号，这一现象最早由Misono等人于1997年报道[38]。TMB的氧化产物（ox-TMB）不仅具有强烈的拉曼信号，还具备其他光学特性[39]，这使得ox-TMB可以用于下一代比色、电化学和光学生物传感器的集成[40]、[41]、[42]、[43]。这些进展强调了TMB在多信号检测系统中的广泛应用潜力，凸显了其在环境监测、食品安全、生物医学分析和毒素检测等实际应用中的重要性。

尽管纳米酶辅助SERS和催化传感已经得到了广泛研究，且TMB经常被用作这些研究中的模型底物[44]、[45]、[46]，但目前尚无专门针对TMB介导的催化SERS的机制和分析方面的综述。现有的关于底物[47]、[48]、检测策略[49]、[50]、[51]和探针设计[52]、[53]、[54]、[55]、[56]的综述提供了总体概述，但没有专门讨论TMB作为拉曼活性底物和ox-TMB作为SERS探针的内容。鉴于此，有必要对TMB介导的催化SERS系统进行更深入和专门的探讨，特别是及时且聚焦于ox-TMB作为SERS探针的应用的综述。本文系统总结了TMB的化学和氧化还原特性，阐明了其拉曼激活的机制，并总结了其在基于催化氧化反应的SERS检测中的应用（图1）。此外，我们还概述了设计原则、当前面临的挑战以及该领域的未来发展方向。

TMB的化学特性

TMB自发现以来已有超过50年的历史，已成为比色测定中最常用的显色底物[57]。与联苯胺相比，TMB具有更高的催化效率和更大的摩尔消光系数，同时具有更低的致突变性和致癌性[35]、[36]、[58]、[59]。此外，TMB还表现出高灵敏度和稳健性，这归功于其高效的催化氧化动力学及其氧化产物的卓越稳定性[60]、[61]。

TMB在SERS检测中的应用

随着TMB及其氧化产物（ox-TMB）多样且优异特性的开发和探索，TMB已从传统的比色底物发展成为催化SERS底物，而ox-TMB才是实际产生信号的拉曼活性物种。自应用于SERS检测以来，TMB-SERS平台通过将目标识别事件转化为可测量的信号，实现了对各种痕量分析物的高选择性和定量分析。

最新进展与创新

TMB介导的催化SERS已从孤立的应用演示发展到催化化学、底物工程和多模式分析策略的合理整合。除了依赖纳米酶驱动的氧化外，最近的研究还强调了对TMB氧化路径的精确控制、SERS活性热点的微调以及催化和等离子体功能的架构级耦合。这种方法论的演变使得SERS更加可重复、稳健

挑战与限制

TMB及其氧化产物（TMB^+•和TMB²⁺不仅用于比色检测，还因其独特的SERS特性而被广泛用于SERS检测。基于TMB的SERS检测方法相比传统的比色方法具有显著优势。从方法论的角度来看，SERS在信号放大策略方面优于比色法。此外，虽然比色测定通常受到

未来发展方向

TMB-SERS技术是一个高效的分析平台，它结合了多功能探针的分子特异性和SERS的卓越灵敏度。这项技术的持续发展预计将朝着三个主要方向推进：先进底物材料和传感器架构的设计、扩展到新兴应用领域，以及与复杂数据分析的整合。复合和混合SERS底物的最新进展

结论

TMB本身不具有拉曼活性，只有在催化氧化成氧化形式ox-TMB后才会变得具有拉曼活性。在SERS检测中，TMB作为催化底物，而其氧化产物ox-TMB才是实际产生信号的拉曼活性物种。TMB良好的光谱和电化学特性，以及其高稳定性，为开发可靠且灵敏的TMB-SERS传感平台提供了有力支持

CRediT作者贡献声明

张思航：监督、研究。王玉彤：撰写——初稿。吴龙：监督、资源提供、概念构思。刘家伟：监督、研究。魏静：监督、研究。尹青春：研究

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（42388101和32360622）、海南省院士创新平台（YSPTZX202152）的专项研究基金，以及国家市场监督管理总局热带果蔬质量安全重点实验室的开放项目（TDYJ-2024003, KF-2025001）的支持。