细胞代谢涉及一系列复杂的生物反应，包括细胞生长和繁殖的途径以及细胞微环境的维持。这些方面相互关联且相互依赖，共同构成了细胞代谢网络。该网络由复杂的机制调节，确保细胞能够有效适应环境变化并执行其生物功能。与疾病发生和发展相关的关键代谢物相关生物标志物可以作为生理和病理过程的生物标志物，从而准确评估疾病的发作和进展[1]。代谢物相关生物标志物的浓度通常在组织结构和功能出现异常之前就已经发生变化。因此，这些标志物可以指示结构、生理、遗传或生化参数的变化，为疾病的存在、严重程度或进展提供线索[2]。代谢物相关生物标志物可以在体液或组织中检测到，它们的产生、释放或浓度变化要么直接与细胞代谢过程相关，要么受到代谢重编程的间接调控。它们包括直接参与代谢途径的小分子代谢物，以及由于代谢改变而表现出异常表达或分泌的循环肿瘤细胞（CTCs）和循环肿瘤DNA（ctDNA）。这些标志物为疾病的早期诊断、治疗监测和精准医疗提供了重要的价值。通常，生物标志物的异常表达可能比临床影像学发现得更早，这突显了它们在疾病诊断领域的潜在应用价值。通过检测代谢物相关生物标志物，我们可以深入了解代谢过程，从而有助于更好的诊断、预后评估、药物筛选和治疗。
代谢物相关生物标志物的发现主要依赖于代谢组学、高通量分析、生物信息学分析等技术。代谢组学研究生物体内的所有代谢物及其变化，允许对生物体内的代谢产物进行广泛筛查。它能够比较不同生物条件或生物体下代谢途径和代谢物的功能障碍，从而识别新的代谢物相关生物标志物[3]。高通量分析技术可以快速准确地测量大量样本中的代谢物水平。利用质谱和核磁共振等技术，可以同时检测多种代谢物，有助于发现代谢物生物标志物。生物信息学分析整合并分析来自基因组学、转录组学和蛋白质组学的数据，揭示代谢途径中的关键代谢物，进一步揭示它们在生物体内的功能和作用，从而为代谢物相关生物标志物的发现提供线索。
疾病代谢物的变化可以反映结构、生理、遗传或生化参数的变化，有助于准确评估疾病的存在和严重程度，从而显示出诊断潜力[4]。过去几十年中，已经开发出多种用于测量和分析代谢物相关生物标志物的技术。质谱和核磁共振提供了高灵敏度和分子特异性，用于蛋白质组和代谢组学分析，而流式细胞术和细胞学检测则可以实现对疾病状态的细胞水平表征[5, 6, 7]。核酸扩增和测序方法能够高度敏感地检测遗传变异和调控分子[8]。同时，生物传感作为一种强大的策略，通过光学[9]、电化学[10]、压电[11]或固态转换方法[12]将生物识别事件转化为可测量的信号，为靶标分析物提供高灵敏度。这些多样技术的应用极大地改善了疾病诊断、预后和治疗监测。然而，每种方法都有其自身的缺点。质谱和测序需要复杂的样本制备；成像方法需要特殊的仪器系统且成本较高。此外，生物传感器可能会受到复杂基质的干扰，实际临床应用中信号不稳定且重复性差。这些局限性要求开发具有高灵敏度和特异性、快速响应能力的互补和创新方法，以便在复杂的生物样本中进行实时测量[13]。这些技术的应用有助于在临床环境中更准确地诊断疾病，更好地监测疾病进展，并制定针对性的治疗计划。然而，这些传统技术在灵敏度、稳定性和操作复杂性方面仍面临一些挑战。此外，疾病生物标志物在血液或组织中的浓度通常非常低，尤其是在早期阶段，这给准确检测带来了困难。因此，迫切需要开发快速且响应迅速的生物标志物检测方法，以实现疾病的早期识别和有效评估预后。
表面增强拉曼散射（SERS）是一种高灵敏度的光谱技术，它利用金属纳米结构（如金、银）表面产生的等离子体效应显著增强目标分子的拉曼散射信号。当激光光照射到金属纳米颗粒上时，会激发局域表面等离子体共振，导致金属表面的电磁场显著增强[14, 15, 16]。这种增强的电磁场显著提升了吸附在金属表面的分子的拉曼散射信号。与荧光成像相比，SERS具有多个优势：（1）高灵敏度：贵金属表面的局域表面等离子体共振可以显著增强拉曼信号，增强因子通常超过109-1011，使得单分子水平的检测成为可能；（2）高特异性：SERS光谱中呈现的分子振动和旋转信息以“指纹”形式存在，可以区分目标代谢物与其他化合物；（3）多重检测能力：SERS光谱峰的窄峰宽（半宽通常小于1纳米）仅为荧光光谱峰宽度的很小一部分，从而最大程度地实现多种成分的同时检测，在相同的激发波长下可以检测到多种目标。
在实际应用中，传感器的性能常常受到基质效应（蛋白质、脂质、电解质）、批次间变异性和校准漂移的影响，这些因素会影响所有生物传感器[17, 18, 19]。电化学生物传感器具有低成本集成和连续操作的优点，但存在表面污染和多重检测能力有限的缺点[20, 21, 22]。无标记的SPR技术提供实时亲和信号和稳定的定量结果，但温度控制增加了复杂性[23]。尽管荧光/化学发光检测具有高分析灵敏度，但对于复杂样本而言，光漂白和光谱串扰是主要障碍[24, 25]。相比之下，SERS方法由于窄光谱指纹实现了多重检测和无标记特异性，但基底均匀性和标准化读数仍然是准确定量的挑战。
在本综述中，我们采用两级术语以避免歧义。首先，我们将代谢组学生物标志物定义为内源性或外源性小分子代谢物（通常<1–1.5 kDa），它们作为生化途径的底物、中间体或产物。例如氨基酸、糖类、核苷酸、有机酸、脂质和外源性物质。其次，我们引入了更广泛的代谢物相关生物标志物的概念，其中包括蛋白质、核酸以及虽然严格来说不是代谢物但在功能和机制上与代谢相关的细胞或囊泡。例如，酶和细胞因子调节代谢流，致癌DNA突变会重新编程代谢途径，循环肿瘤细胞反映了肿瘤微环境中的代谢可塑性。我们将这些实体纳入综述中，因为SERS已被广泛用于它们的检测，并且它们为代谢组学结果提供了补充信息。在本文中，我们始终区分代谢组学生物标志物（小分子）和代谢物相关生物标志物（与代谢相关的大分子或细胞），从而明确范围并避免混淆。我们重点关注SERS探针在生物分析研究中的最新进展。为了更好地理解SERS技术在检测生物代谢物方面的优势，我们将比较基于分析性能、基质耐受性和便携性的不同生物传感器模式。此外，我们还强调了SERS在光谱指纹、条形码、多重检测和手术引导方面的独特优势，同时指出了当前存在的缺点，包括基底重复性、定量校准和临床应用方面的问题。然后，我们介绍了SERS检测技术的优势。随着纳米技术的发展和SERS探针的改进，已经设计和开发了多种用于检测不同生物代谢物的探针。最后，我们总结了SERS探针在生物代谢物生物分析研究中的未来挑战和前景。本分析的目的是加深对SERS探针在检测生物分析物方面的理解，并为未来的临床测试应用提供帮助。
