SERS集成侧向流动免疫分析用于食品安全检测中的纳米标签工程：设计-性能关系、基质效应及现场检测转化

《Sustainable Food Technology》：Nanotag engineering in SERS-integrated LFAs for food safety: design–performance relationships, matrix effects, and translation to field testingOpen Access

　　

表面增强拉曼散射（SERS）集成侧向流动免疫分析（LFA）通过将试纸条的简便性与超灵敏信号放大及光谱特异性相结合，已成为一种强有力的解决方案。以往综述主要关注传统LFA、通用SERS传感或特定污染物，而对纳米标签结构如何影响复杂食品基质中的分析性能关注有限。在核心形貌、纳米间隙工程、热点稳定化、拉曼报告分子保护、基质干扰、重现性、便携式读取器兼容性及法规验证等方面仍存在关键空白。本综述批判性地审视了SERS-LFA在食品安全领域的最新进展，重点涵盖 assay 架构、SERS纳米标签设计、纳米标记几何结构、纳米间隙工程、热点稳定化、基质干扰、重现性、便携式读取器兼容性、法规验证及等离激元空间组织。工程化SERS纳米标签可显著提升对主要食品危害物（包括真菌毒素、食源性病原体、抗生素残留和农药污染物）检测的分析灵敏度、特异性、信号稳定性及多重检测性能。然而，本文综述的证据表明，未来进展将较少依赖于单纯最大化增强因子，而更多取决于实现可重现的纳米间隙架构、受控的膜传输、基质耐受性、可规模化制造以及在法规决策阈值下的验证性能。更广泛的部署仍受制于制备复杂性、定量标准化、读取器便携性以及在天然污染食品基质中有限的验证。解决这些挑战对于将SERS-LFA从实验室食品安全分析转化为可靠、可现场部署的监测平台至关重要。

1. 引言
食品安全检测正日益面临从传统集中式实验室方法向更快速、灵敏且可部署的现场检测方法转变的压力。侧向流动免疫分析（LFA）凭借其简便性、便携性、成本效益以及在食品生产、加工和流通环节提供快速结果的能力，已成为极具吸引力的即时检测（POCT）平台。LFA符合“ASSURED”标准，即经济实惠、灵敏、特异、用户友好、快速、稳健、无需设备且可交付，这使其区别于通常需要大量时间、基础设施和劳动力的常规实验室技术。LFA的吸引力不仅在于其简便性，试纸条设计、assay架构和纳米材料的进展显著增强了其分析能力，可在不牺牲速度或便携性的前提下实现多重检测。此外，LFA结果与食品污染物分析监管方法之间日益增强的一致性，提升了其作为现场可部署工具的可靠性。

传统LFA多依赖金纳米颗粒（AuNPs）作为比色标记，由于依赖目视判读，在灵敏度、多重检测能力和定量性能方面受限。这些局限性促使LFA与更复杂的信号转导技术集成，包括酶联放大、荧光、CRISPR辅助检测、磁传感和表面增强拉曼散射（SERS）。其中，SERS-LFA在食品安全应用中尤为前景广阔，它结合了传统LFA的简便性与拉曼分析出色的灵敏度和多重检测能力。通过引入拉曼活性纳米标签，SERS-LFA可产生更强的分析信号，促进多分析物检测且光谱重叠最小，并有助于减少低丰度情况下的假阴性结果。然而，信号强度在很大程度上仍取决于SERS纳米标签的质量和稳定性，一致性地控制热点的形成往往较为困难；此外，真实食品基质的干扰可能损害重现性和分析可靠性。因此，稳定、高效纳米标签的策略性开发已成为推动SERS-LFA在实际食品安全应用中发展的关键焦点。

2. SERS-LFA在食品安全中的内部机制
SERS已成为超痕量水平检测化学和生物制剂的强大分析技术。与LFA集成后，SERS-LFA可显著降低检测限（LOD）并提高整体分析灵敏度与可靠性。

2.1 侧向流动分析的基础
LFA是一种基于毛细流动迁移和选择性分子识别的色谱免疫分析系统。典型试纸条由四个主要部分组成：样品垫、结合垫、反应膜和吸收垫。对于具有多个结合位点的大靶标（如蛋白质和病毒），常采用夹心法模式；对于仅含单个表位的小分子分析物，则更适合竞争法模式。多重LFA可在单条试纸条上同时检测多种分析物，通常包含多个独立的检测线和一条共用质控线。

2.2 SERS纳米标签的关键组分
SERS纳米标签通常包含三个核心元件：等离激元活性纳米颗粒基底、拉曼报告分子和生物识别单元。这些组分共同决定信号强度、光谱特性和生物特异性。常见SERS基底包括AuNPs、AgNPs、金纳米星和金纳米棒；先进架构如SiO₂@Au、SiO₂@Ag、Fe₃O₄@Au核壳体系及二维纳米结构可对热点形成、胶体稳定性和信号一致性提供更优控制。研究表明，SERS纳米标签的价值不仅在于高原始信号强度，更在于在真实分析条件下维持稳定、特异和抗干扰的检测能力。当前主要挑战包括先进纳米材料的成本、跨批次制备重现性有限、多重输出标准化困难以及在真实食品基质中更稳健验证的需求。

2.2.1 纳米标记
纳米标记是SERS纳米标签的基本组成部分，主要由贵金属纳米颗粒构成，其中金（Au）和银（Ag）因其卓越的等离激元特性而最为常用。通过调控尺寸、形状和表面化学可增强信号放大能力。然而，Au和Ag纳米颗粒在高盐或酸性环境中的不稳定性限制了其实际应用，通常需采用二氧化硅、聚合物或无机壳层等保护性涂层来增强胶体稳定性并保护报告分子。与传统光学标记相比，SERS纳米标记具有超高灵敏度、高光稳定性、适用于多重分析的光谱灵活性以及与LFA平台双读出格式兼容等显著优势。

2.2.2 拉曼报告分子
拉曼报告分子在SERS纳米标签的分子指纹识别中发挥关键作用。有机染料如罗丹明6G、亚甲基蓝和结晶紫因强散射信号而常用；含芳香族硫醇的无机化合物如对巯基苯甲酸（pMBA）、4-巯基苯甲酸（4-MBA）和DTNB因可通过巯基与等离激元金属表面形成稳定键合而备受青睐。报告分子的选择不仅关乎信号强度，更是提升多重检测能力、稳定性和现场适应性的关键因素。

2.2.3 生物受体
生物受体为SERS纳米标签提供靶标识别特异性。常用生物受体包括适配体、抗体、噬菌体、肽、化学配体及分子印迹聚合物（MIPs）。适配体是可与多种靶标强选择性结合的短单链DNA或RNA序列，相比抗体具有免疫原性低、制造成本低、批间重现性好、热稳定性优异和易于化学功能化等优点。抗体仍是最常用的识别元件，具有强结合能力和高抗原特异性。噬菌体因其受体结合蛋白天然适应于识别特定细菌宿主，也是一类前景广阔的细菌传感生物受体。

2.3 制备SERS纳米标签的偶联化学
偶联化学直接影响生物受体固定化效率及其识别性能的保持。静电吸附虽简便有效，但对配体取向的控制有限，可能导致靶标结合欠佳。近期研究探索了自组装和表面工程策略，以实现稳定、位点特异性的配体附着。先进的偶联策略不仅改善生物受体负载，还直接影响检测精度、灵敏度和实际assay性能。

2.4 纳米标签设计与LFA制备之间的关键相互作用
纳米标签尺寸在调控硝酸纤维素膜上的毛细流动速度方面起关键作用。较小标签（15–30 nm）迁移更快但SERS信号较弱，较大标签（60–100 nm）信号更强但流速较慢且非特异性结合增加。各向异性形貌如纳米星可增强SERS活性但可能增加膜滞留。捕获效率高度依赖于SERS标签表面化学与固定化生物受体之间的兼容性。纳米标签尺寸与膜孔径（通常5–20 μm）之间的关系对LFA性能有重要影响。复杂食品基质可能通过高离子强度、极端pH或干扰生物分子诱导纳米标签聚集，SiO₂和聚合物等保护性涂层可改善纳米标签稳定性；磁分离等集成预处理策略可简化分析流程并增强灵敏度。

3. 增强拉曼强度的SERS纳米标签工程策略
SERS-LFA的分析强度在很大程度上取决于纳米标签放大拉曼散射的效率。近年来，该领域已从经验性纳米颗粒选择转向理性热点工程，旨在产生更强、更稳定、更可重现的信号。

3.1 调控SERS纳米标记的几何结构
各向异性颗粒如金纳米星或纳米立方体可在尖端或边缘集中电磁场，形成高度局域化的“热点”。然而，这种强局域化也使信号易受局部介电环境微小变化的影响。相比之下，具有更光滑表面或特定核壳几何结构可提供更均匀稳定的电磁场。例如，金核钝化纳米笼（Au@PNC）将电磁增强限制在纳米笼内部纳米间隙中，有效抑制随机颗粒间等离激元耦合，使SERS信号与捕获探针数量更直接相关。几何工程化的SERS纳米标记虽提供强信号增强，但在真实食品验证、批次重现性、可规模化制备、稳定性和便携式读取器兼容性方面仍存在局限。

3.2 控制纳米间隙以产生稳定热点
纳米间隙的尺寸、均匀性和空间分布决定SERS增强的强度和重现性。极小间隙产生强电磁约束，但不受控聚集会产生异质热点和较差的定量可靠性。因此，理性纳米间隙工程旨在平衡增强强度与结构均匀性。传统assay中纳米颗粒的捕获可导致随机聚集，产生可变的颗粒间间隙和波动的SERS强度，这是重现性差的主要来源，且在复杂食品基质中因非特异性结合诱导聚集而加剧。受控纳米间隙工程通过创建具有固定颗粒间距的预定义稳定热点解决了这一问题，交联聚合物网络或保护壳层的稳定效应可显著增强胶体稳定性并防止信号漂移。

3.3 操纵等离激元纳米结构的空间分布
除单个纳米颗粒和成对纳米间隙外，等离激元元件的有意空间排列有助于创建间隙增强拉曼标签（GERTs），其表现出异常高效的局域场约束。此类设计利用有意的三维或层级结构来提供增强且更可靠的信号放大。尽管等离激元纳米结构显示出增强的信号放大能力，但在不同平台间实现一致信号均匀性和灵敏度方面仍存在挑战。

3.4 多层拉曼报告分子或等离激元纳米颗粒
信号放大的另一个重要策略是使用多层报告分子架构或多层等离激元组装体，在单一纳米标签内组合多种增强机制。双层层Au@Ag、多层磁核双壳Fe₃O₄@Au/Ag@Au/Ag等系统已成为超灵敏检测食品污染物的最有效平台之一。尽管这些多层系统成果显著，但其在转化应用中面临制备复杂性阻碍可扩展性、真实食品基质中灵敏度可能下降以及高材料成本等挑战。

4. 纳米标签工程带来的益处
4.1 显著降低检测限
通过将等离激元放大、磁富集和识别功能集成到单一平台中，现代SERS纳米标签可检测远低于传统AuNP基LFA可达水平的痕量分析物。例如，Fe₃O₄@Au磁性SERS纳米标签可同时检测伏马菌素B1、黄曲霉毒素B1和脱氧雪腐镰刀菌烯醇，LODs分别为0.053、0.028和0.079 pg mL^-1，比传统AuNP基assay灵敏约1000倍。

4.2 增强特异性
在食品分析中，由于复杂基质中存在各种干扰物质，实现高特异性至关重要。可通过表面功能化技术、分子印迹和定制识别配体（如适配体或抗体）来定制纳米标签以增强特异性。双编码纳米探针具有不同颜色和沉默区拉曼信号，可在单条检测线上同时检测多种农药，显著减少干扰。

4.3 增强重现性
重现性是将SERS-LFA从实验室环境转化到实际应用的关键因素。二氧化硅封装金纳米颗粒（Si–AuNPs）在高温条件下表现出改善的重现性和可靠性，SiO₂涂层增强了热稳定性和重现性，使基于Si–AuNP的LFA试纸条成为高温条件下可靠的诊断工具。

4.4 强化稳定性
先进纳米标签工程的一个显著益处是改善的稳定性。银基纳米材料通常比金提供更优异的拉曼增强，但更易氧化、聚集和出现胶体稳定性问题。Au@Ag、Ag@Au和多壳层配置等杂化结构已成为优化灵敏度和长期稳定性的关键。多层磁核双壳纳米颗粒（MDAu@Ag）可在35分钟内实现对四种抗生素残留的同时检测，灵敏度达1 pg mL^-1，比传统金基LFA灵敏约400倍。

5. SERS-LFA在食品污染物检测中的应用
5.1 农药残留检测
农药监测仍是食品安全的主要挑战。SERS-LFA结合了快速试纸条操作与灵敏等离激元信号读出，在该领域显示出巨大潜力。研究表明，核壳SERS纳米标签可在单条试纸条上同时检测多种农药，灵敏度比比色读出提高多个数量级。结构控制在该应用领域尤为重要，理性热点工程可同时增强灵敏度、信号一致性和储存稳定性。然而，转化仍受限于纳米标签合成复杂性、跨不同食品系统的验证不足以及需要与便携式拉曼设备和机器学习解读工具的更强集成。

5.2 真菌毒素检测
真菌毒素因高毒性、化学多样性和常在同一菌株中共同出现，是分析要求最高的一类食品污染物。其检测既需要强灵敏度也需要可靠的多重检测能力。纳米组装免疫探针可实现脱氧雪腐镰刀菌烯醇的超灵敏检测，LOD达0.053 fg mL^-1。单检测线平台可同时检测黄曲霉毒素B1和赭曲霉毒素A，LODs分别为0.24和0.37 pg mL^-1，远低于欧洲监管阈值。磁性纳米复合材料可实现玉米中AFB1和ZEN的同时检测，结果与HPLC一致。

5.3 抗生素残留检测
食品中抗生素残留的检测因与抗菌素耐药性、蓄积和消费者暴露相关而成为重大监管和公共卫生优先事项。许多抗生素为小分子，需采用竞争法assay模式，弱视觉信号常限制灵敏度。SERS-LFA通过将竞争法信号变化转化为更强、更可量化的拉曼信号来解决此限制。双模式比色-SERS LFA利用Au@4-MBN@Ag纳米棒纳米夹心标签，在SERS模式下LOD达0.08 pg mL^-1。多重抗生素检测也取得了快速进展，多层磁性核双壳SERS标签可在复杂样品中实现1 pg mL^-1的LOD。沉默区探针的开发进一步提高了SERS-LFA的准确性，实现了多种氨基糖苷类抗生素的同时检测。

5.4 食源性病原体检测
食源性病原体检测是SERS-LFA最重要和最活跃的应用领域之一，因为它需要高灵敏度、短周转时间和在复杂生物及食品基质中的可靠性能。与化学污染物不同，病原体assay通常须在极低丰度下识别完整细胞，这使得靶标富集、特异性识别和强信号放大尤为重要。机器学习与SERS-LFA的集成实现了大肠杆菌O157:H7的定量检测，LOD达6.94 × 10¹ CFU mL^-1，比传统目视方法低四个数量级。磁富集策略进一步放大了灵敏度，Fe₃O₄@Au纳米间隙标签可同时检测鼠伤寒沙门氏菌和金黄色葡萄球菌，LODs分别为12和9 cells per mL。麦胚凝集素修饰磁性标签（Au@MNP–WGA）可在35分钟内以10 cells per mL的灵敏度特异性识别单核细胞增生李斯特氏菌、空肠弯曲杆菌和金黄色葡萄球菌。

6. 结论与未来展望
本综述强调SERS-LFA作为传统侧向流动技术在食品污染物检测中的高性能扩展的快速演进。SERS-LFA不应被视为传统LFA的替代品，而应被视为扩展试纸条诊断能力的补充平台。未来成功将不仅取决于assay化学，还取决于该技术能否转化为适用于真实世界即时检测的便携、经济且用户友好的系统。

6.1 推进高性能SERS标签设计
未来发展的最重要方向之一是高性能SERS标签的理性设计。二维膜结构SERS标签因其改善的分散性、机械柔韧性、更大的反应表面积和产生稳定等离激元热点的能力而可能优于传统胶体纳米材料。未来工作应聚焦两个平行目标：设计专门针对LFA条件优化的SERS标签，以及简化制备路线以降低成本和实现规模化生产。

6.2 通过SERS编码策略提高通量
SERS因其窄光谱带、高分辨率和多峰编码能力，在单检测线多重检测方面具有显著优势。信号编码和算法解码在未来SERS-LFA系统中可能变得与纳米标签设计本身同等重要。

6.3 设计便携式智能SERS读取器
SERS-LFA更广泛采用的一个主要实际障碍是专用光学仪器的需求。下一代便携式SERS设备应超越简单的小型化，最实用的系统可能incorporate大激光光斑尺寸、自动光学对准、实时扫描、自动信号提取和智能数据解读。紧凑、多通道、自动化和软件辅助的读取器对于SERS-LFA从专业用途走向食品安全监测的更广泛部署至关重要。

6.4 解决可持续性和工业化障碍
从可持续性角度看，传统贵金属SERS纳米标签合成往往依赖高能耗过程、有毒还原剂和不可再生材料。未来发展应聚焦更绿色的合成方法，包括生物启发或植物提取物介导的纳米颗粒生产和可回收基底。工业规模实施仍具挑战性，实现商业可行性需要可扩展和可重现的制造策略。标准化协议的缺乏仍是法规接受的主要障碍，需研究人员、工业界和监管机构之间的合作努力。

6.5 智能数据分析与算法驱动解读
智能算法的集成对于超越简单光谱分析、实现SERS-LFA的全部潜力至关重要。未来研究须聚焦于：先进机器学习和深度学习模型的开发与验证；自动化光谱预处理和特征提取算法的标准化；以及将算法集成到便携式读取器软件中以提供即时、明确的结果。