本文系A(chǔ)gricultural Products Processing and Storage原創(chuàng)編譯，歡迎分享，轉(zhuǎn)載請授權(quán)。

PART.1

Introduction

農(nóng)藥的當(dāng)前使用和危害狀況

由于世界人口的持續(xù)增長和食品供應(yīng)鏈的全球化，對食品的需求不斷增加，這需要提高食品生產(chǎn)效率和食品安全。農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)食品工業(yè)中發(fā)揮著非常重要的作用。農(nóng)藥用于控制病蟲害，從而提高作物產(chǎn)量。因此，它們在確保全球糧食安全方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在過去的幾十年里，世界各地的農(nóng)民在作物管理中使用了大量的農(nóng)藥?！吨袊r(nóng)業(yè)農(nóng)藥卷》將農(nóng)藥定義為用于控制有害生物（害蟲、螨蟲、線蟲、病原菌、雜草和嚙齒動(dòng)物）和調(diào)節(jié)植物生長的化學(xué)品。該定義通常包括增強(qiáng)活性成分物理和化學(xué)性能的各種添加劑。1980年代之前，農(nóng)藥的定義和范圍集中在有害物質(zhì)的“殺滅”上。然而，目前更注重“調(diào)節(jié)”而不是“殺滅”，導(dǎo)致農(nóng)藥被重新定義為“生物合理的農(nóng)藥”、“理想的環(huán)境化合物”或“生物調(diào)節(jié)劑”。

根據(jù)其化學(xué)成分，農(nóng)藥一般分為無機(jī)農(nóng)藥和有機(jī)農(nóng)藥。無機(jī)農(nóng)藥通常含有硫和銅等元素，主要由天然礦物原料配制而成，也稱為礦物基農(nóng)藥。有機(jī)農(nóng)藥含有氟、氯、硫、磷、氧和碳元素。其中大部分可以通過有機(jī)化學(xué)合成方法生產(chǎn)。有機(jī)農(nóng)劑在當(dāng)前農(nóng)藥市場中占據(jù)主導(dǎo)地位。

根據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)，常見的有機(jī)農(nóng)藥可分為有機(jī)磷（OPs）、有機(jī)氯、氨基甲酸酯、擬除蟲菊酯、有機(jī)氮化合物、雜環(huán)化合物和生物農(nóng)藥。OPs通過磷酸鹽或硫代磷酸鹽結(jié)構(gòu)發(fā)揮殺蟲、殺菌或除草作用，是目前使用最廣泛的農(nóng)藥類別之一。有機(jī)氯農(nóng)藥是一類含有氯原子的有機(jī)合成殺蟲劑。然而，由于其環(huán)境持久性和生物毒性，大多數(shù)品種已被禁止或嚴(yán)格限制其使用。大多數(shù)國家已限制或禁止使用高毒性氨基甲酸酯類農(nóng)藥，但持久期較短的中毒性品種，如甲萘威，仍經(jīng)常用于某些作物的害蟲防治和蚜蟲管理。擬除蟲菊酯類農(nóng)藥和雜環(huán)農(nóng)藥具有高效、低毒、起效快等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于害蟲防治。生物農(nóng)藥作為一種綠色環(huán)保的農(nóng)藥，在有機(jī)農(nóng)業(yè)中被廣泛用于綠色病蟲害防治。然而，與化學(xué)農(nóng)藥相比，生物農(nóng)藥穩(wěn)定性差、起效速度慢，限制了其實(shí)用性和大規(guī)模應(yīng)用。近年來，隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的推廣和綠色發(fā)展理念的提出，農(nóng)藥使用量最小化以及生物/化學(xué)防治相結(jié)合的應(yīng)用越來越受歡迎。納米農(nóng)藥技術(shù)也逐漸興起，推動(dòng)農(nóng)藥使用向高效、低毒、環(huán)保的轉(zhuǎn)變。

不可否認(rèn)，農(nóng)藥的大規(guī)模施用顯著提高了糧食產(chǎn)量，為緩解人口增長帶來的全球糧食危機(jī)做出了重要貢獻(xiàn)。然而，值得注意的是，隨著農(nóng)藥的廣泛使用，包括許多情況下農(nóng)藥的不當(dāng)和過度使用，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品中出現(xiàn)了大量的農(nóng)藥殘留。研究人員證實(shí)，植物吸收的農(nóng)藥會(huì)通過蒸發(fā)進(jìn)入大氣，被云層攜帶，然后隨著降雨落回地面，形成包括土壤、空氣和水的污染循環(huán)。此外，農(nóng)業(yè)用地的“徑流”會(huì)將農(nóng)藥帶入水道，從而提供另一個(gè)污染源。許多化學(xué)農(nóng)藥在環(huán)境中表現(xiàn)出顯著的持久性。即使經(jīng)過很長一段時(shí)間，農(nóng)藥或其衍生的降解產(chǎn)物仍然以殘留形式存在，并在食物鏈或生物鏈中積累。研究表明，許多農(nóng)藥殘留具有細(xì)胞毒性和致癌性，或已被確定為各種健康問題的潛在危險(xiǎn)因素。圖1顯示了過量農(nóng)藥殘留對人體的直接或間接有害影響。因此，開發(fā)高效、精確的農(nóng)藥殘留檢測技術(shù)對于最大限度地減少食品中的農(nóng)藥殘留、提高整體食品質(zhì)量和確保食品安全極為必要。

圖1 農(nóng)藥殘留在土壤、水和空氣之間的遷移途徑及其對人類的直接和間接影響

常見農(nóng)藥檢測技術(shù)

農(nóng)藥殘留的檢測方法可分為兩類：第一類是傳統(tǒng)的分析方法，如高效液相色譜（HPLC）、氣相色譜（GC）、液相色譜-質(zhì)譜（LC/MS）、酶聯(lián)免疫吸附測定（ELISA）;另一類是新興的檢測技術(shù)，如熒光法、酶抑制法和免疫層析試紙法。其中，色譜法具有靈敏度高、準(zhǔn)確度好、多組分檢測、高通量檢測等優(yōu)點(diǎn)。因此，它們適用于復(fù)雜樣品的分析。這些方法是目前農(nóng)藥殘留檢測的權(quán)威方法。然而，色譜方法存在設(shè)備成本高、作復(fù)雜等缺點(diǎn)，限制了其在現(xiàn)場快速檢測場景中的廣泛應(yīng)用。ELISA靈敏度高、成本低，適合大規(guī)模篩選，但也存在交叉反應(yīng)率高、重復(fù)性差、無法提供結(jié)構(gòu)信息等缺點(diǎn)。熒光方法具有速度等優(yōu)點(diǎn)，但檢測范圍有限。此外，熒光信號穩(wěn)定性通常較差，信號放大機(jī)制通常很復(fù)雜，導(dǎo)致定量準(zhǔn)確性差。酶抑制方法具有成本低、適合現(xiàn)場檢測等優(yōu)點(diǎn)，覆蓋OPs、氨基甲酸酯等主要農(nóng)藥。然而，這些方法存在檢測范圍窄、易受矩陣干擾、靈敏度不足等缺點(diǎn)。免疫層析試紙具有速度快、可視檢測、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但只能檢測特定農(nóng)藥或同類農(nóng)藥。因此，傳統(tǒng)的農(nóng)藥殘留檢測方法不適合滿足當(dāng)前食品安全的要求。為了滿足田間農(nóng)藥快速定性和定量分析日益增長的需求，有必要開發(fā)基于新型光學(xué)平臺的低成本快速檢測方法，用于農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留的檢測。

表1 鑒定農(nóng)藥的各種生物親和元素比較

表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）技術(shù)與生物傳感的融合

SERS技術(shù)是一種使用等離子體納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行信號放大的振動(dòng)光譜技術(shù)，正在成為農(nóng)藥殘留檢測的一種非常有效的工具。SERS具有分析時(shí)間快、無損、單分子級靈敏度、指紋識別和多殘留檢測能力等優(yōu)點(diǎn)。SERS 涉及將可見光/近紅外激光聚焦到貴金屬或其他SERS活性基板上，以產(chǎn)生強(qiáng)烈的高度局部化電磁場。吸附在SERS襯底上的分子的拉曼信號被這些強(qiáng)場放大了許多數(shù)量級，從而產(chǎn)生了SERS光譜，提供了目標(biāo)分子的指紋圖譜。因此，具有高增強(qiáng)因子的SERS襯底對于設(shè)計(jì)高靈敏度SERS傳感器至關(guān)重要。此外，與其最大的競爭對手熒光光譜相比，SERS具有許多優(yōu)勢。這些優(yōu)點(diǎn)包括：1）更好的光穩(wěn)定性，不受光降解或光漂白的影響；2）更窄的光譜半寬，避免了不同物質(zhì)之間的光譜峰重疊，提高了多殘留檢測能力；3）檢測更廣泛的分析物。原則上，任何具有拉曼活性的物質(zhì)都可以增強(qiáng)拉曼信號。因此，SERS已成為一種有前途的技術(shù)，可用于各種應(yīng)用，包括食品危害檢測、生物分析、臨床診斷和生物分子檢測。然而，只有當(dāng)目標(biāo)分子足夠靠近SERS底物表面時(shí)，才會(huì)發(fā)生SERS效應(yīng)。同時(shí)，樣品基質(zhì)中的組分可以通過非特異性吸附導(dǎo)致SERS底物失活。因此，限制非分析物分子進(jìn)入SERS“熱點(diǎn)”（相隔幾納米的等離子體納米顆粒之間產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的電磁場的區(qū)域）仍然是SERS技術(shù)發(fā)展中最大的挑戰(zhàn)之一。此外，一些農(nóng)藥（如有機(jī)氯）與SERS底物的相互作用較弱，導(dǎo)致靈敏度低。因此，在滿足農(nóng)藥殘留快速檢測需求的同時(shí)，增強(qiáng)SERS技術(shù)對農(nóng)藥分子的親和力和選擇性至關(guān)重要。SERS的優(yōu)缺點(diǎn)以及上述檢測方法在農(nóng)藥殘留檢測中的優(yōu)缺點(diǎn)如圖所示。

圖2 HPLC/GC、ELISA、LC/MS、酶抑制法、熒光傳感器、免疫層析試紙、拉曼光譜技術(shù)在農(nóng)藥檢測中的優(yōu)缺點(diǎn)

近年來，生物親和元素因其優(yōu)異的選擇性、高特異性和強(qiáng)親和力而在分析檢測領(lǐng)域備受關(guān)注。將SERS與抗體、適配體和酶等生物親和元件相結(jié)合而開發(fā)的SERS生物傳感器，可以使SERS底物更具選擇性地捕獲不同的靶分子，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的檢測（例如，更寬的分析范圍和更低的檢測限）。SERS生物傳感器已被證明可以快速檢測農(nóng)產(chǎn)品中的農(nóng)藥殘留，具有選擇性好、靈敏度高、檢測速度快、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。這兩種技術(shù)的結(jié)合為農(nóng)藥殘留的檢測提供了令人興奮的新機(jī)遇，并將更好地促進(jìn)食品安全的發(fā)展。同時(shí)，近年來開發(fā)了許多市售的SERS底物。因此，SERS生物傳感器被認(rèn)為是傳統(tǒng)分析方法快速檢測農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留的一種有前途的替代方案，近年來在該領(lǐng)域發(fā)表了大量論文。盡管之前已經(jīng)發(fā)表了幾篇關(guān)于SERS在農(nóng)藥殘留檢測中的應(yīng)用的綜述，但大多數(shù)都特別關(guān)注納米材料探針、碳納米材料、檢測策略等。據(jù)我們所知，用于檢測農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留的SERS生物傳感器尚未得到系統(tǒng)審查，這激發(fā)了當(dāng)前的工作。

本文從生物親和元素的分類和特性、功能納米材料的創(chuàng)新應(yīng)用、傳感機(jī)制等方面全面概述了用于農(nóng)藥殘留檢測的SERS生物傳感器（圖3）。更重要的是，我們還總結(jié)了現(xiàn)有用于農(nóng)藥殘留檢測的SERS生物傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，包括基于抗體的SERS免疫傳感器、SERS適體傳感器、酶輔助SERS生物傳感器和基于肽的SERS生物傳感器。我們還詳細(xì)討論了這些SERS生物傳感器的構(gòu)造原理、檢測機(jī)制、設(shè)計(jì)策略和應(yīng)用。本文還回顧和總結(jié)了該領(lǐng)域的最新趨勢、當(dāng)前的挑戰(zhàn)，并提供了作者對未來前景的看法。我們希望本文綜述能為食品和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)r(nóng)藥殘留檢測、食品安全評估和風(fēng)險(xiǎn)緩解感興趣的研究人員提供有益的參考。

圖3 基于SERS生物傳感器的農(nóng)藥殘留檢測主要原理和策略示意圖

PART.2

用于農(nóng)藥檢測的功能性生物識別元件

生物親和元件作為特殊的目標(biāo)識別元件，對于捕獲目標(biāo)、提高SERS傳感器的選擇性和靈敏度至關(guān)重要。在不同類型的生物親和元素中，抗體、適配體、酶和肽是農(nóng)藥識別最常用的生物親和元素。表1提供了這些生物親和元素的詳細(xì)比較。在以下部分中，將重點(diǎn)介紹各種類型的生物親和元素及其在實(shí)際樣品檢測應(yīng)用中的進(jìn)展。本文主要討論的生物親和元素包括抗體、適配體、酶和肽。

抗體

抗體是免疫系統(tǒng)產(chǎn)生的免疫球蛋白，可以與具有極高親和力和特異性的抗原結(jié)合。這導(dǎo)致了它們在生物傳感器領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。根據(jù)重鏈的差異，它們可分為5大類：免疫球蛋白（Ig）A、IgD、IgE、IgG和IgM。具體而言，IgG是成熟免疫應(yīng)答過程中產(chǎn)生的主要抗體，是構(gòu)建生物傳感免疫文庫應(yīng)用最廣泛的靶點(diǎn)。從分子結(jié)構(gòu)來看，抗體由4條多肽鏈通過鏈間二硫鍵連接而成，形成特征性的“Y”形單體結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包含2個(gè)重要的功能區(qū)，其中片段結(jié)晶區(qū)（Fc區(qū)）負(fù)責(zé)效應(yīng)器功能，而抗原結(jié)合片段（Fab區(qū)）介導(dǎo)特異性識別。在實(shí)驗(yàn)室中，抗體是通過將靶分子注射到動(dòng)物體內(nèi)并收集其血液來獲得的。目前，研究人員經(jīng)常將抗體與磁性納米顆粒（MNPs）和金納米顆粒（AuNPs）等功能材料偶聯(lián)，構(gòu)建高性能的SERS生物傳感平臺，顯著提高了檢測的靈敏度和特異性。

然而，抗體對環(huán)境條件高度敏感，可以通過溫度波動(dòng)、pH值變化和酶促降解而滅活。其次，由于抗體分子量大、制備成本高，抗體的位點(diǎn)特異性修飾具有挑戰(zhàn)性。此外，抗體需要嚴(yán)格的冷鏈儲(chǔ)存條件（通常在2～8 °C），這嚴(yán)重限制了其在現(xiàn)場檢測等非實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中的應(yīng)用。從特異性的角度來看，多克隆抗體由于識別多個(gè)表位而容易發(fā)生交叉反應(yīng)，而單克隆抗體雖然具有高度特異性，但顯著增加了制備成本。

為了克服這些限制，已經(jīng)開發(fā)了用于農(nóng)藥殘留檢測的納米抗體。納米抗體的分子量僅為15 ku，約為常規(guī)抗體分子量的1/10。此外，與傳統(tǒng)抗體相比，納米抗體具有更長的活性結(jié)合區(qū)，有16～18個(gè)氨基酸，具有更好的溫度穩(wěn)定性和有機(jī)溶劑耐受性。其中一些納米抗體還可以耐受蛋白酶和更廣泛的酸和堿（傳統(tǒng)抗體只能耐受6～9的pH值，而納米抗體可以耐受2～11的pH值）。由于納米抗體具有易表達(dá)、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，在SERS生物傳感器領(lǐng)域備受關(guān)注。

適配體

適配體通常是長度約為25～80個(gè)堿基的短單鏈寡核苷酸（DNA或RNA）序列，可通過配體指數(shù)富集系統(tǒng)進(jìn)化的體外選擇過程獲得。由于其獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)，適配體對多種靶標(biāo)（包括農(nóng)藥、病毒、蛋白質(zhì)和其他分析物）具有高親和力和特異性。盡管適配體通常被視為“化學(xué)抗體”或“第四代抗體”，但其整體性能已明顯超過傳統(tǒng)抗體。適配體不僅具有更高的結(jié)合親和力和特異性，而且具有易于合成和修飾、批間差異小、理化穩(wěn)定性、易于儲(chǔ)存、無毒、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。

近年來，適配體已被用作傳統(tǒng)抗體的替代品，用于制造用于檢測各種農(nóng)藥殘留的SERS生物傳感器。專門設(shè)計(jì)的農(nóng)藥檢測適配體已被篩選并應(yīng)用于光學(xué)和電化學(xué)分析與檢測領(lǐng)域。此外，作為單鏈寡核苷酸，它們可以與互補(bǔ)DNA（cDNA）雜交以構(gòu)建具有競爭力的生物傳感器。此外，它們可能會(huì)在靶標(biāo)存在的情況下發(fā)生顯著的構(gòu)象變化，為新型和改進(jìn)的生物傳感器的設(shè)計(jì)提供更大的靈活性和更強(qiáng)的選擇性。

酶作為具有高效催化功能的生物大分子（主要是蛋白質(zhì)，還有一些催化活性核酶），在農(nóng)藥殘留檢測方面具有許多優(yōu)勢。農(nóng)藥檢測常用的酶包括乙酰膽堿酯酶（AChE）、辣根過氧化物酶（HRP）和堿性磷酸酶（ALP）?；诿傅纳飩鞲衅鞯墓ぷ髟硎敲敢种啤Ｍㄟ^分析催化反應(yīng)的速率，這些傳感器可以量化農(nóng)藥對酶活性的抑制作用，從而能夠測定農(nóng)藥殘留濃度。這種檢測方法具有顯著的優(yōu)勢，例如易于作、成本效益高以及適合大規(guī)模篩查。值得注意的是，有機(jī)磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥的檢測靈敏度可達(dá)到十億分之一（ppb）水平。然而，這項(xiàng)技術(shù)仍然面臨挑戰(zhàn)，包括酶活性易受環(huán)境條件影響、對某些農(nóng)藥類別的特異性不足以及來自復(fù)雜樣品基質(zhì)的干擾。因此，目前的研究重點(diǎn)是酶固定化技術(shù)和納米材料修飾等策略，以提高檢測性能并促進(jìn)實(shí)際應(yīng)用。

在SERS生物傳感領(lǐng)域，酶的應(yīng)用開辟了新的檢測途徑。一方面，酶催化反應(yīng)產(chǎn)物（如TMB）產(chǎn)生的有色物質(zhì)可用作SERS信號報(bào)告分子。報(bào)告分子的SERS信號可用作確定農(nóng)藥殘留的代理。另一方面，農(nóng)藥對酶活性的抑制會(huì)改變底物轉(zhuǎn)化效率，從而引起產(chǎn)品底物的SERS信號強(qiáng)度的變化（相對于無農(nóng)藥下的酶）。通過將酶與金或銀（Ag）NPs等SERS活性底物結(jié)合使用，不僅檢測靈敏度顯著提高，而且檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性也大大增強(qiáng)。近年來，具有模擬天然酶活性的納米酶的興起也為農(nóng)藥殘留檢測提供了新的方法。同時(shí)，基于納米酶構(gòu)建的生物傳感技術(shù)正逐步向“檢測-降解”一體化方向發(fā)展。這一技術(shù)演進(jìn)路徑有效緩解了農(nóng)藥殘留對食品安全和生態(tài)環(huán)境的危害。這種酶-SERS 組合生物傳感器技術(shù)為農(nóng)藥殘留檢測提供了一種具有高靈敏度和特異性的創(chuàng)新解決方案。

肽是一種由氨基酸通過肽鍵連接形成的生物分子，在檢測農(nóng)藥殘留方面表現(xiàn)出獨(dú)特的分子識別能力。與酶不同，肽主要通過其特定的氨基酸序列與農(nóng)藥分子選擇性相互作用?；陔牡纳飩鞲衅鞯臋z測原理主要基于肽和農(nóng)藥結(jié)合引起的構(gòu)象變化，可以通過熒光標(biāo)記、電化學(xué)信號或SERS強(qiáng)度等技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為可檢測的信號。多肽生物傳感器的優(yōu)點(diǎn)包括分子量小、易于化學(xué)合成和修飾、穩(wěn)定性好，以及能夠通過噬菌體展示等技術(shù)有效地篩選特定農(nóng)藥的識別肽片段。通過將多肽固定在生物傳感器上，可以增強(qiáng)傳感器的親和力并提高其特異性。然而，肽也有缺點(diǎn)，例如與抗體相比親和力低，容易被蛋白酶降解。近年來，多肽與金屬納米顆粒、響應(yīng)性聚合物等功能組分的共組裝技術(shù)得到了發(fā)展。通過共價(jià)鍵、超分子相互作用或靜電吸附等界面調(diào)控，構(gòu)建了具有協(xié)同效應(yīng)的復(fù)合體系，進(jìn)一步拓寬了多肽在傳感器技術(shù)中的應(yīng)用。

在SERS生物傳感領(lǐng)域，多肽多用作分子捕獲探針，將農(nóng)藥分子固定在SERS活性底物表面。此外，金屬納米顆粒的聚集狀態(tài)可以通過肽調(diào)節(jié)以產(chǎn)生等離子體偶聯(lián)效應(yīng)（即產(chǎn)生SERS）。通過合理設(shè)計(jì)肽序列和優(yōu)化SERS底物，可以實(shí)現(xiàn)對各種農(nóng)藥的高靈敏度檢測。

PART.3

SERS生物傳感器在農(nóng)藥快速檢測中的應(yīng)用

基于生物親和元件和SERS技術(shù)的結(jié)合，開發(fā)了更廣泛的SERS生物傳感器，從而融合了選擇性識別和高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)。上一節(jié)中已經(jīng)描述了農(nóng)藥檢測常用的生物親和元素。近年來，許多SERS生物傳感器被設(shè)計(jì)和開發(fā)用于檢測農(nóng)藥殘留。本文綜述了SERS生物傳感器在農(nóng)藥殘留快速檢測中的應(yīng)用和分類。表2列出了SERS生物傳感器在農(nóng)藥檢測中的一些代表性應(yīng)用。

表2 農(nóng)藥殘留檢測用不同SERS生物傳感器的檢測限和線性檢測范圍匯總

SERS免疫傳感器的應(yīng)用

免疫傳感器是一種基于特異性抗原抗體識別原理的先進(jìn)生物傳感平臺。它們具有特異性強(qiáng)、檢測效率高的特點(diǎn)。這些免疫傳感器將免疫反應(yīng)與適當(dāng)?shù)膫鞲衅飨嘟Y(jié)合，通過將免疫反應(yīng)信號轉(zhuǎn)換為可量化的光學(xué)信號來檢測目標(biāo)分析物。與傳統(tǒng)的免疫測定技術(shù)相比，免疫傳感器在定量分析的快速性、靈敏度和特異性方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能?？贵w對農(nóng)藥抗原的特異性和敏感性是構(gòu)建有效免疫傳感器的關(guān)鍵。通常，抗原是指能夠誘導(dǎo)免疫反應(yīng)的分子，而與抗體結(jié)合但缺乏免疫原性的分子稱為“半抗原”。農(nóng)藥分子是半抗原的典型例子，只有在與牛血清白蛋白（BSA）等大生物分子偶聯(lián)時(shí)才能獲得完全抗原性。近年來，SERS免疫傳感器在農(nóng)藥檢測中的應(yīng)用得到了廣泛的研究和發(fā)展。

根據(jù)檢測方法的不同，用于農(nóng)藥殘留檢測的抗體修飾SERS免疫傳感器可分為無標(biāo)記和標(biāo)記的SERS免疫傳感器。無標(biāo)記免疫傳感器通過測量抗原-抗體復(fù)合物形成后的信號變化來定量靶標(biāo)，包括農(nóng)藥拉曼指紋信號或?qū)е吕盘栕兓目贵w構(gòu)象變化。相比之下，標(biāo)記的SERS免疫傳感器通過拉曼報(bào)告分子的信號變化間接實(shí)現(xiàn)靶點(diǎn)檢測，從而實(shí)現(xiàn)更靈敏和通用的檢測。近年來，農(nóng)藥殘留的SERS免疫測定主要集中在標(biāo)記免疫傳感器上。為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥殘留的痕量檢測，開發(fā)了一系列高性能的SERS底物來增強(qiáng)檢測能力。其中，Au和Ag NPs因其顯著的增強(qiáng)效果、易于制備的工藝、與生物分子的優(yōu)異生物相容性以及通過多種類型或尺寸提高靈敏度的能力而被廣泛用作SERS免疫探針的底物。同時(shí)，免疫層析分析（ICA）具有成本低、作簡單、速度快等優(yōu)點(diǎn)，但存在靈敏度低、定量分析有限等缺點(diǎn)。兩種技術(shù)的結(jié)合充分利用了各自的優(yōu)勢，為農(nóng)藥殘留篩查提供了創(chuàng)新的解決方案。

此外，為了實(shí)現(xiàn)多種農(nóng)藥殘留的同時(shí)SERS檢測，開發(fā)了基于LFIA-SERS技術(shù)的多殘留檢測試紙。例如，馬等提出了一種便攜式SERS雙通道條帶雙模態(tài)免疫測定法，用于同時(shí)檢測混合農(nóng)藥殘留。首先，通過肉眼觀察可以實(shí)現(xiàn)半定量估計(jì)。其次，便攜式拉曼光譜儀可用于提取光譜數(shù)據(jù)，進(jìn)行精確定量檢測。以4-巰基苯甲酸（4-MBA）偶聯(lián)抗體標(biāo)記的核殼雙金屬材料Au@Ag作為信號探針，提供穩(wěn)定的拉曼信號。同時(shí)，通過靜電吸附將Au NPs與兔IgG連接起來，作為指示探針，以確保試紙的正常運(yùn)行。在這個(gè)平臺上，每種農(nóng)藥都與固定在測試線上的包被抗原（T線）競爭性結(jié)合。當(dāng)農(nóng)藥占據(jù)信號探針的結(jié)合位點(diǎn)時(shí)，BSA包被的抗原捕獲過量的信號探針。通過特異性免疫應(yīng)答，檢測線上包被抗原捕獲的免疫探針數(shù)量與目標(biāo)農(nóng)藥分子數(shù)量呈負(fù)相關(guān)。通過采集2個(gè)T線SERS信號，實(shí)現(xiàn)了2種農(nóng)藥的同時(shí)檢測。利用抗原和抗體之間的免疫特異性結(jié)合，將抗原偶聯(lián)的SERS納米探針固定在試紙的3條T線上，以放大拉曼信號。以4-MBA封裝的Au@Ag NPs作為SERS讀數(shù)源，評估了不同濃度下SERS探針的增強(qiáng)和穩(wěn)定性。隨后，將SERS納米標(biāo)簽與不同的抗體結(jié)合，對分析物進(jìn)行快速、超靈敏的SERS檢測。當(dāng)存在一個(gè)或多個(gè)靶標(biāo)時(shí)，通過與相應(yīng)的 SERS 探針結(jié)合來特異性識別特定靶標(biāo)。然后，這些探針與T線上相應(yīng)的BSA或卵清蛋白偶聯(lián)抗原競爭。使用三重試紙，根據(jù)試導(dǎo)線區(qū)域的顏色變化，在8分鐘內(nèi)目視檢測IMI、PYR和AFB1。通過測量T線上的SERS信號強(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析。IMI、PYR和AFB1的LOD分別為8.6、97.4和8.9 pg/mL。雖然LFIA-SERS檢測農(nóng)藥殘留結(jié)合了免疫識別的特異性和SERS的高靈敏度，但仍存在以下缺點(diǎn)。首先，在ICA系統(tǒng)中，用納米顆粒標(biāo)記的抗體在色譜過程中可能會(huì)發(fā)生非特異性吸附，影響檢測特異性。其次，樣品基質(zhì)中的復(fù)雜成分（如蛋白質(zhì)和色素等）容易干擾SERS信號。最后，由于存在交叉干擾，該方法對多種農(nóng)藥殘留的同步檢測能力仍然有限。

此外，傳統(tǒng)的拉曼報(bào)告分子通常在指紋區(qū)域達(dá)到峰值，并且在現(xiàn)場快速測試時(shí)容易受到樣品基質(zhì)的干擾。為了獲得更好的抗干擾能力，研究人員采用“生物沉默”區(qū)域的無干擾拉曼報(bào)告分子作為SERS信號源。利用多色SERS納米標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)了在LFIA中同時(shí)檢測單條T線內(nèi)的多個(gè)目標(biāo)，顯著提高了檢測效率、可靠性和應(yīng)用靈活性（圖1）。本研究開發(fā)了兩種類型的納米探針，可以編碼顏色和拉曼信息，以解決SERS-LFIA中同時(shí)多路檢測單條T線的挑戰(zhàn)。同時(shí)，納米探針分別編碼為可區(qū)分的藍(lán)色和紅色，從而能夠在多個(gè)LFIA中進(jìn)行比色研究以進(jìn)行定性分析。此外，它們在拉曼“生物靜音”區(qū)域編碼獨(dú)特且不重疊的拉曼信號，通過有效避免樣品基質(zhì)中的相互干擾和背景信號來確保準(zhǔn)確和靈敏的檢測。多菌靈（CBZ）和IMI的LOD分別為0.03和0.04 ng/mL。一種具有光學(xué)抗干擾能力的腈介導(dǎo)免疫傳感器，用于靈敏檢測IMI。將抗IMI抗體偶聯(lián)到Fe3O4表面磁性NP作為捕獲探針（Fe3O4-抗體）。將4-MBN和BSA-IMI抗原偶聯(lián)在Au@Ag納米立方體表面作為信號探針（抗原-Au@Ag-4-MBN）。通過抗體和抗原之間的特異性識別，在2個(gè)探針之間形成復(fù)合物。由于IMI與抗原-抗體的競爭性結(jié)合，信號探針與捕獲探針的表面分離。4-MBN的SERS強(qiáng)度隨著IMI的加入而降低，在10～400 nmol/L濃度范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。結(jié)果表明，該方法能夠有效提高光學(xué)抗干擾能力，消除干擾有機(jī)污染物與4-MBN之間可能存在的光譜疊加。此外，F(xiàn)e3O4磁性NPs可以簡化分離過程，并顯著提高信號探頭中4-MBN的SERS強(qiáng)度。利用“生物沉默”區(qū)拉曼報(bào)告分子有效避免了農(nóng)藥殘留快速檢測中的干擾基質(zhì)，大大提高了SERS免疫傳感器方法的準(zhǔn)確性。

圖4 （A）基于設(shè)計(jì)的納米探針的LFIA示意圖；（B）基于拉曼沉默光譜窗口標(biāo)記分子同時(shí)檢測ACE和CBZ混合農(nóng)藥的示意圖

SERS aptasensors的應(yīng)用

適配體能夠通過堿基配對、氫鍵、范德華力、疏水相互作用等鏈內(nèi)力形成具有獨(dú)特構(gòu)象的三維結(jié)構(gòu)，從而能夠特異性地與目標(biāo)分子結(jié)合。適配體作為一種新的識別元件，為構(gòu)建具有高靈敏度和特異性的傳感平臺提供了創(chuàng)新的解決方案，顯著提高了農(nóng)藥殘留檢測的準(zhǔn)確性和效率，為食品安全監(jiān)測開辟了新的途徑。適配體傳感器憑借優(yōu)異的選擇性和超高靈敏度，已成為農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留檢測領(lǐng)域的核心技術(shù)工具。近年來，SERS適配體傳感器備受關(guān)注，在農(nóng)藥殘留檢測方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

根據(jù)其檢測機(jī)制，常見的SERS適配傳感器可分為“夾層型”和競爭型適配傳感器。其中，“夾層式”傳感器采用雙適配體夾層結(jié)構(gòu)，通過捕獲探針和信號探針的雙重識別實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)分子的檢測。相反，競爭性適配傳感器基于靶分子與互補(bǔ)DNA（c-DNA）之間有限適配體結(jié)合位點(diǎn)的競爭機(jī)制實(shí)現(xiàn)定量分析。一種SERS適配傳感器，使用PB包覆的金NPs（Au@PB NPs）作為SERS信號探頭，用于非干擾定量農(nóng)產(chǎn)品和河流中的毒死蜱（CPF）殘留物（圖1）。將CPF適配體組裝在Au@PB NP上作為SERS探針（Au@PB NPs@Apt）。同時(shí)，制備結(jié)合c-DNA的MNPs作為捕獲探針。在CPF存在下，CPF和適配體之間的特異性相互作用抑制Au@PB NPs@Apt和MNPs@c-DNA的結(jié)合。結(jié)果表明，Au@PB NPs的拉曼強(qiáng)度與CPF濃度成反比。在最佳條件下，該SERS適配傳感器對CPF的檢測顯示出0.1～316.0 ng/mL范圍內(nèi)的線性響應(yīng)，LOD為0.066 ng/mL。此外，制備的傳感器在測定黃瓜、梨和河水樣品中CPF方面顯示出良好的應(yīng)用潛力。

圖5 （A）無干擾適配傳感器和CPF檢測的制造過程示意圖；（B）SERS適配傳感器的構(gòu)造和工作原理示意圖

盡管基于SERS適配傳感器的快速檢測方法存在穩(wěn)定性差、準(zhǔn)確率低等局限性，但它們?nèi)匀皇寝r(nóng)藥殘留快速檢測的主流方法。研究人員現(xiàn)在正試圖通過各種方法優(yōu)化和改進(jìn)SERS適配傳感器技術(shù)，以提高傳感性能，主要重點(diǎn)是開發(fā)基于陣列的基板。一種基于襯底的柔性陣列型SERS傳感器，用于無干擾、靈敏地檢測蘋果中的CBZ（圖5B）。通過液-液自組裝策略將金nanostars@Ag（AuNS@Ag）沉積在靜電紡絲PVDF/CQDs薄膜上，形成柔性SERS襯底。引入4-（巰基甲基）苯并腈（MMBN）作為拉曼報(bào)告分子，在“生物沉默”區(qū)域的2227 cm?1處提供明顯的拉曼峰，從而提供無干擾素的SERS信號。將所得薄膜與CBZ適配體結(jié)合作為捕獲底物，而與CBZ適配體和MMBN連接的Au NPs作為SERS信號探針。在CBZ存在的情況下，兩種適配體和CBZ之間的特異性相互作用促進(jìn)了捕獲底物和SERS信號探針的結(jié)合，從而產(chǎn)生了可測量的SERS信號響應(yīng)。

此外，還開發(fā)了用于檢測多種殘留農(nóng)藥的SERS apatasensors。例如，將3個(gè)拉曼報(bào)告分子偶聯(lián)到Au NPs表面，并與特定適配體進(jìn)一步功能化，作為SERS信號探針，包括2-氨基-4-氰基吡啶、4-乙基苯胺和PB。同時(shí)，MNPs與c-DNA偶聯(lián)作為捕獲探針。添加農(nóng)藥分子后，由于農(nóng)藥分子與c-DNA之間的競爭性識別，磁分離后SERS信號探針的拉曼強(qiáng)度降低。同時(shí)，研究人員將多個(gè)無干擾的“生物靜音”區(qū)SERS信號探針與磁分離技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對各種農(nóng)藥殘留的無干擾檢測。例如，分別將MMBN和PB分子修飾到Au和Ag NPs的核殼間隙中，然后偶聯(lián)2個(gè)c-DNA，成功合成了2個(gè)SERS信號探針。同時(shí)，適配體修飾的Fe3O4@Au MNP用作捕獲探針。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，2077和2228 cm?1處的拉曼信號強(qiáng)度分別與啶蟲脒（ACE）和CBZ濃度呈負(fù)相關(guān)。在優(yōu)化條件下，構(gòu)建的SERS適配傳感器在0.01～1.00 mg/kg范圍內(nèi)檢測ACE和CBZ的線性范圍很廣，LOD分別為9.43和9.17 μg/kg。我們的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一系列“生物沉默區(qū)”DNA自組裝SERS適配傳感器，用于檢測食品中的多種有毒有害物質(zhì)。同時(shí)，我們團(tuán)隊(duì)首次模擬并篩選了氰基可編程分子庫，在一定程度上改善了“生物沉默區(qū)”拉曼報(bào)告分子的短缺，為抗干擾SERS生物傳感提供了新思路?？傮w而言，SERS 適配傳感器方法在農(nóng)藥殘留檢測領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，但也存在一些局限性。該方法的主要局限性涉及復(fù)雜的樣品基質(zhì)，這會(huì)導(dǎo)致適配體的構(gòu)象變化或活性損失，從而顯著影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性（尤其是食品測試）。此外，該方法還面臨適配體合成成本高、批間重現(xiàn)性差、信號穩(wěn)定性低等技術(shù)瓶頸，亟待解決。

基于酶的SERS生物傳感器的應(yīng)用

基于酶的SERS生物傳感器代表了一種新型的農(nóng)藥殘留檢測技術(shù)。它們通過將酶抑制原理與SERS信號放大技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高靈敏度的檢測。該技術(shù)的原理是利用農(nóng)藥分子對特定酶活性的抑制作用。當(dāng)酶催化底物生成SERS活性產(chǎn)物的過程受到農(nóng)藥抑制時(shí)，特征SERS信號的強(qiáng)度降低，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥殘留的定量分析?；诿傅腟ERS生物傳感器雖然具有作簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但也存在明顯的局限性。首先，酶抑制法使得區(qū)分特定類型的農(nóng)藥變得困難。其次，農(nóng)產(chǎn)品或食品基質(zhì)中的天然成分可能會(huì)干擾酶活性，導(dǎo)致假陽性或假陰性結(jié)果。

為了提高基于酶的傳感檢測方法的準(zhǔn)確性，研究人員將化學(xué)計(jì)量方法與SERS技術(shù)相結(jié)合。例如，El Alami等建立了基于AChE活性測定的農(nóng)藥雙模式檢測平臺。一方面，通過SERS技術(shù)高靈敏度監(jiān)測AChE酶活性的變化。另一方面，直接獲得農(nóng)藥分子的特征指紋譜圖用于類型鑒定。采用該策略，以AuNPs為SERS活性底物，成功檢測了對氧核和甲萘威。對氧酮的LOD分別為4.0×10?14 mol/L，甲萘威的LOD分別為1.9×10?9 mol/L。值得注意的是，基于酶抑制原理的間接檢測方法比直接SERS分析表現(xiàn)出更高的靈敏度（2～3個(gè)數(shù)量級），這主要?dú)w因于酶催化反應(yīng)的信號放大效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)為農(nóng)藥殘留的SERS檢測提供了新的工具箱。此外，一種基于Ag@Au雙金屬NPs的SERS生物傳感器，用于靈敏檢測食品中的農(nóng)藥殘留（圖6）。該傳感器利用4-巰基苯基硼酸（4-MPBA）修飾的Ag@Au雙金屬NPs作為SERS探頭。AChE與膽堿氧化酶的結(jié)合可水解乙酰膽堿產(chǎn)生H2O2。然后，H2O2選擇性地氧化4-MPBA的硼酸酯基團(tuán)，由于對稱B-O拉伸而降低拉曼信號。在存在抑制H2O2產(chǎn)生OP的情況下通過破壞AChE的活性，降低了SERS信號的衰減。該生物傳感器無需任何復(fù)雜的樣品預(yù)處理。以對硫磷甲基為OPs的代表模型，該方法的線性范圍為5.0×10?9～5.0×10?4 mol/L，LOD為1.7×10?9 mol/L。然而，傳統(tǒng)的酶生物傳感器在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨天然酶成本高、穩(wěn)定性差、環(huán)境（如溫度和pH值變化）受限等瓶頸。

圖6 （A）基于Ag/Au雙金屬納米顆粒的乙酰膽堿酯酶SERS生物傳感器的示意圖，用于原位靈敏檢測食品中有機(jī)磷農(nóng)藥殘留；（B）雙功能TN@Ti-MOFs/PT納米探針催化納米金反應(yīng)-SERS/RRS雙模式測定吡蟲啉

近年來，納米酶的引入為基于酶的SERS生物傳感器的發(fā)展帶來了革命性的變化。納米酶是尺寸在1～100 nm范圍內(nèi)的納米材料，具有類似酶的催化特性。與天然酶相比，納米酶具有優(yōu)異的生物相容性、低成本、靈活的設(shè)計(jì)和高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，使其在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用?；诩{米酶的SERS系統(tǒng)在分析檢測中具有廣闊的應(yīng)用前景。一方面，納米酶不僅具有酶模擬活性，而且還可以作為SERS底物發(fā)揮雙重作用。另一方面，納米酶與SERS-活性材料的整合導(dǎo)致了多功能納米酶-SERS系統(tǒng)的形成。馬等建立了水中草甘膦（Gly）的間接SERS檢測方法。檢測機(jī)制涉及Cu2+與L-半胱氨酸（L-cys）的結(jié)合，以減輕L-cys對Au-Pt納米酶的抑制作用。同時(shí)，成功制備了一種具有良好重復(fù)性的新型Au-Ag納米鏈復(fù)合材料，用于檢測氧化3,3',5,5'-四甲基聯(lián)苯胺（oxTMB）的SERS信號，而不會(huì)干擾TMB的拉曼信號。oxTMB在1605 cm?1時(shí)的SERS信號強(qiáng)度與Gly濃度成正比。在優(yōu)化條件下，在10～1000 mg/L的濃度范圍內(nèi)獲得了良好的線性響應(yīng)。Gly檢測的LOD為5.0 μg/L，定量限為10 μg/L。

此外，為了進(jìn)一步增強(qiáng)基于酶的檢測方法的實(shí)用性和便攜性，研究人員創(chuàng)新性地將納米酶SERS傳感器與比色分析方法相結(jié)合，構(gòu)建了雙模檢測平臺。這些集成傳感系統(tǒng)利用檢測模式的互補(bǔ)性。通過用肉眼觀察顏色變化（如藍(lán)色TMB2+的產(chǎn)生）來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場半定量解釋，并借助手持式拉曼光譜儀同時(shí)進(jìn)行精確的定量分析。一種基于分子印跡聚合物（MIP）和納米酶標(biāo)記技術(shù)的仿生納米酶聯(lián)免疫吸附測定（BNLISA）檢測方法。Pt NPs作為有效的過氧化物酶模擬物，特異性催化無色TMB的氧化，生成藍(lán)色TMB2+，可作為優(yōu)良的SERS信號報(bào)告分子。在檢測模式下，TMB2+和BSA-半抗蛋白復(fù)合物對MIP結(jié)合位點(diǎn)的競爭顯著提高了檢測的選擇性。BNLISA方法成功實(shí)現(xiàn)了三唑磷的雙模式檢測（通過比色法和SERS法），LOD為1.0 ng/mL，為農(nóng)藥殘留分析提供了一種新方法。

基于多肽的SERS生物傳感器的應(yīng)用

近年來，基于SERS技術(shù)的多肽功能化納米探針在農(nóng)藥殘留檢測領(lǐng)域引起了人們的關(guān)注。這些探針結(jié)合了肽分子的高特異性識別能力和SERS技術(shù)的高靈敏度優(yōu)勢，為痕量農(nóng)藥檢測提供了創(chuàng)新的解決方案。多肽功能化納米探針的設(shè)計(jì)通常使用等離子體金屬納米材料（如Au或Ag NPs）作為SERS增強(qiáng)底物，通過物理吸附或化學(xué)偶聯(lián)將特定的識別肽負(fù)載在Au或Ag NPs表面。肽鏈的氨基酸序列可以通過定向進(jìn)化或分子對接技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，形成目標(biāo)農(nóng)藥分子的高親和力結(jié)合位點(diǎn)（利用氫鍵或疏水相互作用），從而實(shí)現(xiàn)選擇性捕獲。SERS信號的產(chǎn)生依賴于金屬納米結(jié)構(gòu)的局部表面等離子體共振效應(yīng)，肽的修飾不僅增強(qiáng)了探針的靶向性，而且通過調(diào)節(jié)納米顆粒的聚集態(tài)或表面電荷進(jìn)一步優(yōu)化了信號強(qiáng)度。一種簡單、快速、高靈敏度的雙模式農(nóng)藥殘留檢測方法（圖6）首先，通過在MXene Ti上負(fù)載鈦基有機(jī)骨架（Ti-MoFs）和IMI特異性多肽鏈（PTIMI），合成了一種新型雙功能納米探針（TN@Ti-MOFs/PT）3C2Tx納米片。研究發(fā)現(xiàn)，TN@Ti-MOFs/PT不僅特異性識別IMI，而且在80 ℃下催化Au NPs的生成。生成的金粒子可用作370 nm處諧振瑞利散射（RRS）的光學(xué)探針。當(dāng)目標(biāo)分子IMI存在時(shí)，它與PTIMI的特定堿基序列相互作用，導(dǎo)致PT鏈從TN@Ti-MOFs/PT納米探針表面分離，暴露出豐富的氧化還原位點(diǎn)，加速氧化還原電荷轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致AuNPs產(chǎn)生增加和SERS/RRS信號增強(qiáng)?；谠摲椒?，開發(fā)了一種高靈敏度和特異性的基于PT的雙模生物傳感平臺，用于檢測痕量IMI，線性范圍為0.01～0.25 ng/mL。SERS和RRS方法的LOD分別為0.0011和0.0039 ng/mL。

同時(shí)，最近的研究報(bào)告表明，存在于噬菌體M13表面的色氨酸-組氨酸-色氨酸（WHW）肽序列是與百草枯（PQ）特異性結(jié)合的分子識別單元。利用噬菌體展示技術(shù)對表面顯示肽進(jìn)行高效篩選和功能修飾，結(jié)合SERS技術(shù)構(gòu)建信號檢測平臺，實(shí)現(xiàn)PQ的高度靈敏度識別和定量分析。Koh等構(gòu)建了一種用于選擇性農(nóng)藥檢測的M13噬菌體功能化SERS傳感器。將基因工程M13噬菌體裝飾在銀納米線（Ag NWs）表面，在玻璃纖維濾紙上形成Ag NWs的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Ag NWs的隨機(jī)堆疊產(chǎn)生高密度的SERS“熱點(diǎn)”和顯著增強(qiáng)的拉曼信號。此外，表達(dá)色氨酸-組氨酸-色氨酸肽序列的表面功能化M13噬菌體可用作生物受體，選擇性檢測PQ。在PQ預(yù)處理的蘋果皮表面檢測到PQ，結(jié)果證明了紙基SERS基質(zhì)在田間殘留農(nóng)藥檢測的可行性。

PART.4

Conclusion and perspective

農(nóng)藥殘留帶來的重大危害引起了各個(gè)領(lǐng)域的關(guān)注，推動(dòng)了新型高效檢測技術(shù)的發(fā)展。在過去十年中，已經(jīng)發(fā)表了許多與快速檢測農(nóng)藥殘留相關(guān)的研究，以滿足食品安全和檢測控制的需求。在前面的章節(jié)中，我們討論了最近報(bào)道的一系列基于SERS的生物傳感器系統(tǒng)，用于農(nóng)藥殘留檢測。SERS技術(shù)在農(nóng)藥殘留分析中發(fā)揮著重要作用。特別是，生物識別元件的進(jìn)步為改進(jìn)SERS檢測技術(shù)創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì)，克服了直接SERS檢測方法的許多局限性。許多報(bào)告強(qiáng)調(diào)了SERS生物傳感器方法在實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥殘留的高靈敏度、選擇性、快速和經(jīng)濟(jì)高效的檢測方面的優(yōu)勢。本文綜述了不同食品和農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留檢測的現(xiàn)狀。隨后，討論了抗體、適配體、酶和肽在農(nóng)藥殘留檢測中的應(yīng)用，重點(diǎn)關(guān)注了用于農(nóng)藥檢測的SERS生物傳感器。SERS生物傳感器具有高靈敏度、便攜性、易于作和良好的選擇性，在檢測各種基質(zhì)中的農(nóng)藥方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。然而，在將這些SERS生物傳感器應(yīng)用于農(nóng)藥殘留的實(shí)際檢測時(shí)，會(huì)出現(xiàn)某些局限性。

1）經(jīng)過多年的改進(jìn)和發(fā)展，LFIA現(xiàn)已為農(nóng)藥殘留檢測提供了一個(gè)靈敏、簡單、直觀的技術(shù)平臺，部分農(nóng)藥檢測系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。然而，它仍然面臨一些挑戰(zhàn)。LFIA依賴于抗原和抗體之間的特異性相互作用。如果抗體對靶分子的識別能力不足，則可能與結(jié)構(gòu)類似物發(fā)生交叉反應(yīng)，導(dǎo)致假陽性結(jié)果。近年來，大多數(shù)LFIA技術(shù)都使用單克隆抗體來特異性識別靶分析物。然而，單克隆抗體的制備過程耗時(shí)、成本極高，且批次之間存在顯著差異。同時(shí)，某些農(nóng)藥的抗體通常無法上市，新的農(nóng)藥特異性抗體的開發(fā)是一個(gè)高度復(fù)雜的過程。納米標(biāo)記材料的試紙?jiān)谥苽溥^程中面臨著材料合成步驟復(fù)雜的問題，這可能受到納米材料穩(wěn)定性差的影響。此外，當(dāng)用于同時(shí)檢測多種目標(biāo)物質(zhì)時(shí)，不同顏色之間的顏色變化可能會(huì)影響結(jié)果判斷，相互干擾也會(huì)降低檢測靈敏度，這對LFIA傳感器的商業(yè)化提出了重大挑戰(zhàn)。未來，應(yīng)開發(fā)特異性識別探針來替代單克隆抗體，如全長重組抗體、適配體、噬菌體及其裂解物。此外，開發(fā)穩(wěn)定和優(yōu)良的紙基材料仍然是未來的主要目標(biāo)，同時(shí)開發(fā)更高度特異性的探針技術(shù)。

2）近年來，納米抗體與熒光傳感技術(shù)廣泛結(jié)合，建立了競爭性的熒光免疫測定方法等，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的高效檢測。此外，針對現(xiàn)場檢測應(yīng)用的需求，還開發(fā)了基于納米抗體的LIFA檢測技術(shù)。然而，據(jù)我們所知，迄今為止還沒有關(guān)于納米抗體和SERS聯(lián)合用于農(nóng)藥殘留檢測的報(bào)道。因此，未來應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)基于納米抗體的SERS生物傳感器，以增強(qiáng)農(nóng)藥殘留檢測能力。

3）作為一種先進(jìn)的分析工具，SERS適配體傳感器與其他生物傳感器相比顯示出顯著的優(yōu)勢。適配體的合成過程相對簡單，價(jià)格低于抗體，并且表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性。同時(shí)，適配體可以通過修飾官能團(tuán)靈活標(biāo)記各種SERS探針，大大豐富了檢測。然而，目前的SERS適配體傳感技術(shù)仍面臨挑戰(zhàn)。適配體對小分子農(nóng)藥的親和力和特異性有限，容易與結(jié)構(gòu)類似物發(fā)生交叉反應(yīng)。同時(shí)，現(xiàn)有農(nóng)藥適配體數(shù)量較少。目前的SERS適配體傳感檢測往往依賴于磁分離技術(shù)，影響信號的重復(fù)性和穩(wěn)定性。同時(shí)，SERS適配體傳感器容易受到樣品基質(zhì)、離子強(qiáng)度和pH等環(huán)境因素的影響，這限制了其大規(guī)模現(xiàn)場檢測應(yīng)用。檢測系統(tǒng)中適配體和納米顆粒的偶聯(lián)可能會(huì)改變適配體的構(gòu)象并影響結(jié)合效率，而多種農(nóng)藥殘留的檢測能力有限。因此，應(yīng)篩選更多的農(nóng)藥適配體，以找到更多的農(nóng)藥適配體。持續(xù)開發(fā)用于農(nóng)藥殘留檢測的便攜式、智能和直觀的SERS適配體傳感器是當(dāng)務(wù)之急。近年來，SERS-比色雙模傳感器以及適配體基紙基側(cè)相色譜雙模SERS傳感器在危害的感知和檢測中顯示出巨大的應(yīng)用前景，將成為農(nóng)藥殘留快速檢測的有力工具。同時(shí)，為了應(yīng)對復(fù)雜基質(zhì)成分帶來的SERS適配體傳感挑戰(zhàn)，開發(fā)快速高效的樣品預(yù)處理技術(shù)尤為重要。

4）酶催化反應(yīng)的信號放大效應(yīng)可以顯著提高檢測靈敏度。此外，農(nóng)藥對酶具有廣譜抑制作用，無需為每種農(nóng)藥開發(fā)特定的識別元件，從而有效降低檢測成本和技術(shù)壁壘?；诿敢种频目焖贆z測已成為一項(xiàng)成熟且商業(yè)化的技術(shù)。然而，目前基于酶的SERS生物傳感器仍存在特異性不足、靈敏度差、定量分析困難、容易產(chǎn)生假陽性結(jié)果等問題。他們對實(shí)驗(yàn)條件也有嚴(yán)格的要求。因此，需要引入適配體、抗體或MIP等特異性識別元件，結(jié)合酶抑制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“酶催化—分子識別”的雙重作用機(jī)制，從而提高檢測特異性。此外，應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展仿生酶催化系統(tǒng)，以放寬實(shí)驗(yàn)條件限制，推動(dòng)基于酶的SERS生物傳感器不斷向高特異性、高靈敏度和易作方向發(fā)展。

5）多肽具有制備成本低、結(jié)構(gòu)修飾靈活、體積小等優(yōu)點(diǎn)。它們可以通過化學(xué)合成快速獲得，方便地與納米顆粒偶聯(lián)，并且還可以使用成熟的篩選技術(shù)獲得高親和力序列。然而，基于肽的SERS生物傳感器存在明顯的缺陷。由于多肽對農(nóng)藥的親和力相對較低，難以滿足痕量檢測的要求。此外，它們?nèi)菀妆坏鞍酌附到?，?dǎo)致穩(wěn)定性受損。雖然農(nóng)藥在復(fù)雜基質(zhì)中容易發(fā)生非特異性吸附，但基于肽的SERS生物傳感器的整體性能仍遠(yuǎn)低于基于抗體或適配體的SERS生物傳感器。因此，近年來，基于肽的SERS生物傳感器受到的關(guān)注較少。

6）在實(shí)際檢測中，當(dāng)基質(zhì)中的干擾物質(zhì)進(jìn)入SERS“熱點(diǎn)”時(shí)，會(huì)干擾目標(biāo)分子的拉曼信號，導(dǎo)致檢測精度和重現(xiàn)性差。同時(shí)，熒光團(tuán)通常在可見光區(qū)域（＜1800 cm?1）產(chǎn)生強(qiáng)背景，直接掩蓋拉曼信號。“生物靜音區(qū)”是背景干擾低、幾乎沒有生物背景噪聲的光譜區(qū)。高信噪比拉曼峰顯著提高了檢測的抗干擾能力和靈敏度，特別適用于復(fù)雜生物系統(tǒng)中的痕量分析。基于“生物靜音”區(qū)域的SERS生物傳感平臺引起了人們的廣泛關(guān)注，越來越多地用于食品中威脅的現(xiàn)場SERS快速檢測。近年來，“生物靜音”區(qū)SERS生物傳感器在人類疾病標(biāo)志物、食品檢測等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，它們在農(nóng)藥殘留檢測領(lǐng)域的開發(fā)和應(yīng)用仍處于起步階段，代表著未來的機(jī)遇。

7）盡管SERS生物傳感器的開發(fā)和應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注，但推動(dòng)該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用仍存在挑戰(zhàn)。首先，為了促進(jìn)此類生物傳感器的規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用，需要進(jìn)一步整合機(jī)器學(xué)習(xí)、化學(xué)計(jì)量學(xué)等輔助分析方法，開發(fā)比色法等形式的便攜式檢測系統(tǒng)，以解決方法的成本和不便問題。其次，需要開發(fā)SERS生物傳感器在植物表面或內(nèi)部的現(xiàn)場檢測應(yīng)用。一種可能的解決方案可能是開發(fā)水凝膠微針SERS生物傳感貼片。第三，仍需深入研究以增強(qiáng)SERS生物傳感器的穩(wěn)定性和耐久性。例如，可以采用表面化學(xué)改性來減輕其對環(huán)境的敏感性。一般來說，研究人員未來應(yīng)該更多地關(guān)注SERS生物傳感器在生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用。

Surface-enhanced Raman spectroscopy biosensor platforms for pesticide residue detection: state-of-the-art developments and future outlook

Chen Chen1, Ximo Wang1, Dongxiao Sun?Waterhouse1,2, Geoffrey I. N. Waterhouse2*, Zhixiang Xu1*

1 College of Food Science and Engineering, Shandong Agricultural University, Tai’an, 271018, China

2 School of Chemical Sciences, The University of Auckland, Auckland, 1142, New Zealand

*Corresponding author.

Abstract

In the agricultural sector, pesticides are widely used to enhance crop yields and protect plants from pests and diseases. However, pesticide residues pose significant threats to humans, animals, insects and ecosystems. Accordingly, the rapid, sensitive, and accurate detection of pesticide residues is of great significance for protecting human health and the wider environment. Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) is increasingly being applied for the detection of hazardous substances in foods. Furthermore, biological recognition elements (such as antibodies, aptamers, etc.) are widely applied in food safety assessment due to their high specificity and low cost. Combining bio-affinity elements with SERS technology can create efficient and accurate pesticide residue detection platforms. This review summarizes recent progress in the development of SERS biosensors for the detection of pesticide residues. Strategies for integrating specific recognition elements (especially antibodies and aptamers) with the plasmonic SERS nanosystems are discussed. Then, selected case studies are introduced highlighting the advantages of such SERS biosensors for pesticide detection, before future prospects of this research field are discussed. This review guides the development novel SERS biosensors for pesticides and other target analytes.

Reference:

Chen, C., Wang, X., Sun-Waterhouse, D. et al. Surface-enhanced Raman spectroscopy biosensor platforms for pesticide residue detection: state-of-the-art developments and future outlook. Agric. Prod. Process. Sto. 1, 27 (2025). https://doi.org/10.1007/s44462-025-00031-7

翻譯：田雨欣（實(shí)習(xí)）

編輯：梁安琪；責(zé)任編輯：孫勇

封面圖片來源：攝圖網(wǎng)

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