表面增强拉曼散射（SERS）与微流控技术的集成：用于先进细菌生物传感平台

《Coordination Chemistry Reviews》：Integration of surface-enhanced Raman scattering (SERS) and microfluidics for advanced bacterial biosensing platforms

　　

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  总结了基于SERS的细菌检测原理及构建模型。
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  突出了基于SERS的微流控检测技术的特点。
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  介绍了SERS微流控传感器在检测平台中的应用。
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  提出了基于SERS的细菌检测面临的挑战与未来方向。

引言

食源性疾病中的细菌感染对全球公共卫生和食品安全构成了重大挑战。食品生产和加工过程中任何环节的污染都可能导致食源性疾病的大规模暴发。因此，对食源性病原体进行快速、可靠的检测，对于早期污染筛查、疾病预防和食品安全监测至关重要[1]。将微生物感染的即时检测（POC）设计与ASSURED标准（可负担、灵敏、特异、用户友好、快速稳健、无需设备、可交付终端用户）相一致，提供了一种极具前景的策略，不仅有助于及时应对新出现的安全威胁，也为应对全球健康挑战提供了有价值的工具[2]。在各种用于POC传感器的光学检测方法中，表面增强拉曼散射（SERS）利用纳米尺度间隙中产生的局域表面等离子体共振（LSPR）效应，已被公认为一种新兴的生物分子诊断技术[3]。SERS利用入射光的非弹性散射，提供分析物的全面化学和结构信息（即"指纹"光谱），可实现从痕量级别到单分子级别的分析[4], [5]。除了提供独特的分子指纹外，SERS还具备窄光谱带宽、抗光漂白、多模态能力和无损原位检测等内在优势，正迅速发展成为疾病检测与诊断的强大分析工具[4]。然而，传统SERS在生物传感应用中仍面临若干局限性，阻碍了其作为"金标准"的有价值替代方案被终端用户所接受。微流控芯片的出现为基于SERS的生物传感提供了优秀的平台[6]。例如，微尺度的通道和腔室促进流动液体/气体样品与基底之间的相互作用，从而实现极低的检测限。此外，多通道集成的能力能够实现多重SERS检测，而引入微阀、微泵和微混合器等功能单元则可实现整个分析过程的完全自动化，显著提高了SERS检测的原位适用性[7], [8], [9]。SERS与微流控的集成展现出独特且互补的优势。

迄今为止，已有几篇综述文章讨论了SERS与微流控技术的集成[6], [8], [10], [11], [12], [13], [14]。例如，Panneerselvam等人[10]从广泛的技术角度综述了微流控-SERS技术，重点关注了SERS基底、微流控材料及相关技术方面。Ngo等人[11]讨论了癌症来源的小细胞外囊泡的分离，以及基于SERS的微流控系统的设计与检测策略。Lee等人[12]总结了近二十年来基于SERS的微器件研究，包括微流控芯片，其在癌症、心血管疾病和传染病中的应用。Wang等人[14]则专门关注循环肿瘤标志物。这些研究为理解基于SERS的微流控技术的原理、微器件类型及应用提供了全面的基础。近期的综述文章也总结了基于SERS的微流控在生物传感中的应用[6], [8], [13]。值得注意的是，一篇发表于2025年的综述考察了基于SERS的病原体检测，并包含了SERS与微流控集成的检测策略[15]。然而，该综述仅将微流控作为基于SERS的细菌检测的更广泛框架中的一个组成部分，而非将其作为核心分析平台。综上所述，在细菌检测领域，对不同微流控平台及其主要功能模块进行系统性评估仍然十分必要。为了更清晰地区分本综述与已发表的综述，表1系统比较了与SERS、微流控和细菌检测相关的代表性综述文章。这一比较进一步明确了本综述的范围和焦点。具体而言，本综述将基于SERS的微流控讨论为以细菌检测为核心的集成分析系统，而非仅将其作为SERS或微流控技术更广泛领域中的一个主题。这样的评估将有助于进一步阐明基于SERS的微流控技术在细菌检测中的最新进展，并为该技术的进一步发展和实际转化提供指导。因此，本文首先简要概述了SERS检测的基本理论和常用策略（无标记法和标记法），以及基于SERS的微流控传感器的主要构建模式（微阵列芯片、连续流芯片、纸基芯片和数字液滴芯片），以帮助读者快速把握该领域的整体概况。随后，本文详细讨论了研究人员在微流控芯片内增强细菌SERS信号时必须考虑的关键因素，包括SERS基底、目标富集与捕获、混合效率和数据分析。最后，本综述考察了基于SERS的微流控传感器在细菌检测方面的最新进展，重点关注不同类型的检测平台。本研究旨在对基于SERS的微流控在细菌检测中的应用提供系统总结与批判性分析，为这一新兴领域的未来技术创新和广泛应用提供有价值的见解和理论基础（图1）。

章节摘要

SERS的增强机制与通用检测策略

SERS增强主要源自两种机制：电磁增强（EM）和化学增强（CE）[18], [19], [20]。前者源于基底表面电磁场对拉曼散射的放大作用，而后者则依赖于吸附分子与基底之间的电荷转移（图1A）。当EM和CE同时贡献时，总的SERS信号强度（I_SERS）可表示为：$${\mathrm{I}}_{\text{SERS}}\propto {\mathrm{I}}_{\mathrm{EM}}\times {\mathrm{I}}_{\mathrm{CE}}$$

EM通常被认为是

SERS与微流控的结合

基于SERS的微流控技术通过结合SERS的分子指纹能力与微流控的精确流体操控能力，在细菌检测中展现出相当大的潜力，从而为快速、一体化的细菌检测提供了有前景的分析平台[13]。目前，基于SERS的微流控传感器可大致分为四种类型：微阵列芯片、连续流芯片、纸基芯片和数字液滴

基于SERS的微流控的关键特征

基于SERS的微流控传感器的成功开发依赖于若干关键因素，包括SERS基底的构建与优化、微通道内细菌的高效捕获、分析物与SERS标记物的有效混合以及智能数据分析[8]。以下章节将详细讨论这些关键方面。此外，表2系统比较了这四种基于SERS的微流控传感器的优势与局限性，旨在

基于SERS的微流控平台用于细菌检测

在细菌检测中，没有任何单一因素能决定最合适的微流控平台。研究人员还应考虑样品特性、检测目标和实际应用需求[101]。图7展示了四种主要基于SERS的微流控平台初步选择的简化决策流程图。该决策框架考虑了高通量、单细胞分析或数字定量、复杂样品基质、成本等关键需求以及

复杂样品中的基质效应与样品前处理

复杂的样品基质往往会干扰基于SERS的微流控平台的分析性能。真实样品，包括血液和唾液等临床样本、食品基质和环境样品，通常含有蛋白质、多糖、核酸以及各种其他基质组分。这些物质会干扰细菌识别并影响SERS信号的产生[144]。此外，非目标组分可能会吸附到SERS活性表面上，或者

结论与展望

基于SERS的微流控的一大价值在于其能够在微尺度上集成并动态控制整个细菌检测过程。首先，单片芯片可以集成样品前处理、细菌富集与捕获、分析物与基底的相互作用以及SERS检测。这种集成减少了传统多步骤操作中交叉污染和样品损失的风险。其次，细菌与识别元素之间的相互作用可以

AI及AI辅助技术在写作过程中的声明

在本文修改过程中，作者使用ChatGPT对语言进行了编辑以提升可读性。经ChatGPT辅助改进的内容约占全文的10%。使用该服务后，作者根据需要审查并编辑了内容，并对发表内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了南方应用微生物国家重点实验室开放基金项目（SKLAM007-2023）、国家自然科学基金（项目编号32541105和32402258）、广州市科技项目（202102070001）、广东省重点研发计划项目（2025B020213000）以及国家重点研发计划食品安全与营养专项（2022YFF1100700）的资助。

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