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Abstract
多重检测平台的发展是精准诊断与环境监测领域的重要前沿，其进步主要得益于纳米尺度制备技术与光谱分析手段的持续创新。然而，传统的单一分析物检测方法在多种目标物共存的复杂真实样品体系中已难以满足实际需求。本文从三个核心技术维度，系统梳理并解析了集成传感系统的最新研究进展：
1）制备与异质结构构筑：通过可控合成策略（如模板法、动力学调控和相工程）、定向组装方式（界面效应、生物程序化组装）以及异质结构设计（等离激元–催化–多孔结构协同），实现电磁“热点”构建、信号放大和选择性富集；
2）性能提升策略：利用工程化界面提高检测特异性，依托纳米结构实现超高灵敏度放大，引入深度学习辅助的光谱解析手段，并有效抑制基质干扰；
3）跨平台应用：涵盖表面增强拉曼光谱（SERS）（如柔性基底、复合材料）、荧光传感以及比色传感（如纳米酶、便携式检测体系），实现农业监测等领域的多靶标检测。
尽管当前相关平台已实现阿摩尔（attomolar）级灵敏度并具备现场检测潜力，但仍面临“功能性–稳定性–可规模化”之间的“三难困境”，以及材料稳定性不足、制备重复性有限和真实样品验证不充分等关键挑战。通过对上述机理与局限性的系统评述，本文为下一代智能检测平台提供了理论框架，并强调未来研究应重点关注模块化设计、多模态协同以及可规模化制造策略。
01
Introduction
在精准诊断与环境监测领域，多重检测平台的演进已成为重要研究前沿，其发展主要得益于纳米尺度制备技术与光谱分析方法的融合。传统单一分析物检测在多种污染物、生物标志物和病原体共存的复杂体系中存在明显不足，推动研究从单一传感元件转向依赖结构精密调控、空间有序构筑和界面协同作用的集成化检测系统。
纳米检测材料的进展主要来源于可控合成、定向组装及异质结构构筑的协同发展。通过模板调控、动力学调节和相结构工程可实现纳米结构的精准设计；借助界面效应和生物程序化策略实现空间有序组装；而异质结构则通过等离激元增强、催化加速及多孔结构富集等机制显著提升检测性能。然而，这类体系在多靶标功能、环境稳定性以及高精度制备与规模化生产之间仍存在权衡问题。
在光谱检测方面，实现复杂基质中的可靠多靶标分析仍具挑战，研究重点集中于提升多重识别特异性、实现超灵敏信号放大、提高光谱解析稳定性以及抑制基质干扰等方面。于农业检测领域，表面增强拉曼、荧光及比色/吸收等光谱技术已被广泛用于多组分检测，但在信号一致性、材料稳定性和真实样品适用性方面仍有待提升。
本综述系统总结了先进基底工程策略（包括可控制备、定向组装和异质结构构筑），并评估其在多靶标检测性能与系统集成优化中的作用，同时讨论了不同光谱平台（SERS、荧光、比色/吸收及多模态体系）在农业检测中的应用（图1），以期为实用化光谱检测技术的进一步发展提供参考。
图1 本综述的示意概览，涵盖纳米材料的合成与组装策略、性能优化，以及在农业产品多靶点检测平台中基于光谱技术的应用
02
基底制备与组装策略
可控制备技术
在传感基底构筑中，可控合成、定向组装与异质结构工程相互补充，其中可控合成是提升基底一致性与重复性的基础。通过对材料组成、晶体结构及缺陷的精细设计，可构筑高均一性纳米结构，为痕量分析物的稳定检测提供保障。
可控合成的核心在于调节纳米结构的尺寸、形貌和晶相，通常通过反应参数调控、模板限域以及相/缺陷工程实现。由此发展出多种用于光谱检测的纳米结构，包括球形、立方体、棒状、片状和树枝状等，并进一步拓展至核–壳结构、超薄膜以及垂直取向阵列等复杂体系，显著增强光–物质相互作用与信号稳定性。
常用合成方法包括晶种介导生长、水热法、溶胶–凝胶法和原位生长。通过调节前驱体浓度、溶剂组成和反应时间，可实现对结构的精细控制。例如，乙醇辅助紫外光还原可在PMMA表面原位生成金纳米星，通过调控前驱体浓度和光照时间实现尖刺密度调节（图2A）。类似地，调节溶剂和浸涂浓度可控制聚多巴胺包覆铝纳米颗粒的长度及团簇尺寸（图2B）。
配体调控在形貌工程中同样关键。适配体与拉曼报告分子协同介导生长，可实现对金纳米棒形貌的精准控制，但多参数耦合仍可能引入一定不确定性。
为提高复杂体系中的合成效率，人工智能被引入材料设计与优化中。通过高通量实验与机器学习算法，可实现对晶相、缺陷及等离激元响应的反向设计，显著降低研发成本并提升成功率。
模板引导合成策略
模板引导合成利用物理或化学模板实现结构的精准复制，是构筑高均一纳米结构的重要手段。典型方法如纳米球光刻，通过聚苯乙烯微球模板电沉积金纳米颗粒，去除模板后可获得有序金腔阵列基底（图2C）。此外，高温处理MOF材料可构筑负载单原子的碳基结构。
界面反应同样可用于结构构筑，例如在动力学调控下，可在PDMS基底上原位生长树枝状银纳米结构（图3A）。生物模板也展现出独特优势，如利用植物叶脉结构制备规则多孔薄膜，具有成本低、制备快和环境适应性强等特点。
总体来看，模板法在结构均一性和尺寸可控性方面优势显著，但仍面临模板去除损伤和天然模板差异性等问题。未来结合可降解模板与3D打印技术，有望实现更高自由度的基底设计。
相/缺陷工程策略
相与缺陷工程通过直接优化活性位点和提升催化效率来增强材料性能。例如，通过湿化学还原和酸刻蚀相结合的方法，实现了钌纳米晶由密排六方相向面心立方相的转变，从而优化催化活性位点，有利于比色检测应用（图3B）。在MOF材料中，引入结构缺陷可暴露更多Lewis酸位点，显著加速水解反应过程（图3C）。
相工程还推动了水相稳定钙钛矿量子点的制备，实现了在水/生物体系中仍保持高发光效率和窄发射峰宽的材料，为荧光检测灵敏度的提升提供了关键支撑。然而，缺陷结构在高温或强光条件下易发生湮灭，稳定性问题仍是该策略面临的重要挑战。
图2 （A）不同光还原时间下合成的金纳米结构的场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像；（B）通过溶剂组成（THF/1,4-二氧六环比例）控制纳米结构长度；（C）使用聚苯乙烯（PS）球模板通过电沉积法制备的GCA
图3 （A）通过溶剂交换和界面反应动力学控制的原位生长形成的树枝状银纳米结构；（B）展示出亚稳面心立方（fcc）结构的高活性钌纳米晶体；（C）Ce⁴⁺掺杂诱导形成的缺陷结构
定向组装方法
定向组装技术通过精确构筑功能单元之间的空间构型与相互作用，实现纳米尺度间隙的可控调节，从而获得稳定、可重复的信号分布，显著提升检测可靠性与实用性。同时，该策略有助于缓解探针淬灭和基质干扰问题，实现复杂体系中的多靶标高灵敏检测。界面作用力与分子识别机制使组装过程由被动聚集转变为主动空间排布，形成高度有序的纳米结构。
界面效应驱动的定向组装
界面组装是构筑高度有序纳米结构的有效途径。通过多相界面体系，可利用Marangoni效应驱动金纳米颗粒形成高致密单层阵列，并精确调控结构参数（图4A）。油–水界面组装还可构筑三维等离激元超结构，形成亚2～4 nm的纳米间隙，产生强电磁热点。类似策略被用于二维银纳米立方体单层、复合薄膜以及MXene/GO/Ag核–壳异质纤维的构筑，其中MXene促进电荷转移，Ag纳米颗粒提供高密度热点。此外，通过优化蒸发过程可抑制咖啡环效应，获得均一三维超晶格结构。
总体而言，界面组装在空间精度、结构均一性和信号增强方面优势突出，但在大面积制备、结构稳定性及多相体系操控方面仍存在挑战。未来研究应聚焦更稳健的界面调控策略、微流控集成及刺激响应型界面体系。
分子识别与特异相互作用驱动组装
分子识别赋予定向组装分子尺度的精细调控能力。通过静电作用、配体引导或生物识别体系，可实现纳米颗粒间距的精准控制。例如，通过调节树枝状高分子浓度或配体类型，可获得亚2～5 nm的可控纳米间隙（图4C）。生物识别体系（如链霉亲和素–生物素）可实现纸基或膜基底上金纳米颗粒的定向排列。表面润湿性调控、量子点与介孔载体的组装以及离子诱导聚集等策略，也为构筑功能化热点结构提供了简便途径。
该类方法在可编程性、材料通用性及生物识别方面优势明显，但仍受限于分子连接体稳定性、空间位阻效应及体系复杂度。未来需发展更稳定的连接化学、刺激响应型分子桥及计算辅助设计方法。
异质结构构筑
异质结构通过界面工程整合等离激元增强、催化活性和分子识别功能，是突破单一材料性能瓶颈的关键策略。该多界面协同机制为新一代高灵敏、高稳定检测平台奠定基础。
等离激元异质结在SERS中表现突出，通过电磁–电荷转移耦合显著提升信号强度。多组分结构（如MXene、半导体、贵金属复合体系）在增强因子、抗氧化性和柔性适配方面表现优异，但在结构–性能定量关联及规模化制备方面仍面临挑战
催化型异质结构将目标富集与信号放大相结合，通过磁分离、类酶催化和比色/光学读出实现高效检测。单原子纳米酶和双金属结构在催化性能上优势明显，但稳定性和成本仍制约其应用。
荧光异质结构通过载体工程和比率型设计提升信号稳定性与定量可靠性。MOFs、量子点和复合微球等体系在多通道检测中表现突出，但仍需解决能量传递效率和结构一致性问题。
总体来看，异质结构设计已从经验合成走向精密工程，但在成本、稳定性和产业化方面仍需突破。
图4 （A）受马朗戈尼效应驱动，金纳米颗粒（AuNPs）组装成致密紧密堆积的单层；（B）利用油–水界面组装制备均匀的金-银（Au@Ag）复合薄膜；（C）功能基团诱导下颗粒状球面多面体组装，形成三维空腔状金纳米囊，可用于捕获PS颗粒
03
检测性能优化
多靶标检测能力
多靶标检测平台旨在实现多分析物的同步检测，同时降低样品消耗和操作复杂度。现有策略主要包括空间分隔、光谱区分、分子识别及其组合模式。
空间分隔策略通过物理隔离消除信号串扰，广泛应用于侧向层析和微流控系统中，可实现多毒素或多病原体的可视化检测（图5A）。但随着检测靶标数量增加，器件尺寸和制备复杂度显著上升。
光谱区分策略依托拉曼指纹或荧光发射差异实现多重检测，并结合机器学习算法解析重叠信号，在理论多重能力上具有明显优势，但对材料一致性和算法可靠性要求较高。
信号维度解卷积与分子工程通过适配体、抗体及智能纳米材料实现高特异性识别与信号调控，可实现并行或广谱检测，但在生物体系稳定性和成本方面仍存在挑战。
此外，时间分辨检测和多模态融合策略为复杂应用场景提供补充方案，但系统复杂度较高，限制了现场应用。
综合性能优化
超灵敏多靶标检测依赖于高密度电磁热点的精准构筑。通过树枝状结构、生物仿生组装、三维超晶格及动态可调纳米间隙设计，可实现fM级甚至更低检测限（图5B）。同时，样品前处理、分子识别、表面钝化、内标校准及智能算法协同应用，有效克服复杂基质干扰，实现真实样品中的高保真检测。
总体而言，多靶标检测正由单一策略向空间、光谱、分子与材料智能协同的融合设计演进，其能否实现实际转化，取决于标准化制备、算法稳健性及模块化平台的发展。
功能适应性
多靶标传感的实际应用对基底柔性和数据解析能力提出了更高要求。柔性平台可实现非破坏、原位采样。例如，PDMS 等离激元薄膜可贴合植物表面，结合手持设备实现原位检测，灵敏度可达阿摩尔级（10⁻¹⁶ mol/L）（图5C）。
此外，具有超润湿图案的柔性海绵基底、负载AgNPs的吸附棉及纸基平台，可通过擦拭方式实现农残和污染物的快速现场检测，并兼容便携式拉曼系统，在复杂基质中仍可实现多靶标分析。
在数据处理方面，人工智能（AI），尤其是卷积神经网络（CNN），显著提升了光谱解析能力，可直接从原始SERS光谱中提取特征，避免传统峰拟合的局限。例如，CNN在病原体识别和农药定量中表现出更高准确率和更宽线性范围，并支持复杂样品的多重检测。
为实现多分析物的高特异性同步检测，研究者通过表面化学调控、复合材料设计和空间分离策略降低交叉干扰，如pH响应型纳米酶阵列、复合吸附材料及磁珠/膜分区设计等。这些策略显著提升了多靶标检测的选择性和基质适应性。
尽管取得显著进展，多靶标SERS仍面临大规模制备一致性、模型数据依赖性及柔性基底长期稳定性等挑战。未来需发展可规模化纳米制造、低数据依赖 AI 模型及多模态检测策略，以推动其现场应用。
图5 （A）多重侧流免疫测定（mLFA）示意图，用于同时检测真菌毒素：DON、ZEN和AFB1；（B）nMGSs的形貌、对应的电磁场增强分布及由此产生的SERS信号放大效果；（C）柔性等离子体薄膜的性能表征
04
多重检测平台的应用
SERS检测平台
SERS由于其指纹特异性、响应快速及现场应用潜力，已成为农产品多重检测的重要工具。近年来，通过构建柔性、可擦拭基底及复合纳米结构，实现了对农药、兽药、毒素和重金属的高灵敏检测。
柔性SERS基底（如PDMS或棉纤维@AgNPs）可贴合水果和蔬菜表面，实现超痕量农药检测，检测限远低于法规要求（图6A）。在动物源性食品中，复合等离激元基底可实现多种兽药的同步定量分析。
此外，SERS在重金属、真菌毒素及病原菌检测中同样表现出高灵敏度和良好重复性。
总体而言，SERS平台在多靶标农业检测中兼具高灵敏、快速和低成本优势，但仍需进一步解决复杂基质干扰和现场一致性问题。
荧光多重检测平台
荧光检测因其灵敏度高、可多通道编码，在农产品安全检测中得到广泛应用。通过整合量子点、MOFs、碳点等发光纳米材料与抗体、适配体等识别元件，可实现农药、霉菌毒素、兽药和病原体的同步检测（图6B）。
多色量子点编码、比率型荧光及侧向层析技术显著提升了检测通量和可靠性，并推动了便携化和可视化检测的发展。
然而，荧光平台仍受限于基质效应、探针稳定性及成本问题，亟需在复杂样品中进一步验证。
图6 （A）Au@AgNPs-Bi2WO6薄膜示意图，用于农药和兽药检测；（B）利用交通信号灯式荧光侧流免疫测定（T-FLFIA）对苹果和豇豆中的CTN、PBZ和FIP进行同时定量检测
比色与吸收光谱检测平台
比色和吸收光谱方法依托纳米酶活性和等离激元效应，实现了无需复杂仪器的多靶标检测。通过构建纳米酶阵列、AuNP/AgNP颜色响应体系及传感阵列，可对多种农药、重金属和食品新鲜度指标进行快速区分。
此类平台成本低、操作简便，适用于现场筛查，但在定量精度和高选择性方面仍存在挑战。
多模态协同光谱检测平台
多模态平台通过整合SERS、荧光、比色、电化学等技术，实现信号互补和交叉验证，大幅提升检测可靠性。例如，颜色筛查结合SERS定量，或双/三信号自校准体系，可有效降低误判率。
尽管多模态系统在灵敏度和准确性方面优势明显，但其系统复杂度和集成成本仍限制了大规模应用。
05
Summary and Outlook
总体来看，可控制备、柔性基底、AI光谱解析和多模态融合是推动多靶标光学检测平台走向实际应用的关键。未来研究应聚焦于：1）可规模化纳米制造；2）高稳定、可再生传感基底；3）低数据依赖的智能算法；4）面向现场的一体化检测系统。这些进展将加速光学多重检测平台在农业安全、食品质量和环境监测中的落地应用。
Optical probe based multiplex monitoring platforms for agricultural products: detection strategies from fabrication to spectroscopic applications
En Yang1, Zhihao Mu1, Peizhi Li, Menglong Liu, Wei Ma*
State Key Laboratory of Food Science and Resources, School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi, 214122, China
1 En Yang and Zhihao Mu contributed equally to this article.
*Corresponding author.
Abstract
The advancement of multiplex detection platforms represents a critical frontier in precision diagnostics and environmental monitoring, driven by nanoscale fabrication and spectroscopic innovations. However, traditional single-analyte methods remain inadequate for complex real-world matrices where multiple analytes coexist. This review systematically deconstructs recent progress in integrated sensing systems through 3 core technical dimensions: 1) Fabrication and heterostructure assembly, where controlled synthesis (templating, kinetic regulation, phase engineering), directed assembly (interfacial effects, biological programming), and heterostructure design (plasmonic-catalytic-porous synergies) enable electromagnetic hotspot generation, signal amplification, and selective enrichment; 2) Performance enhancement, leveraging engineered interfaces for specificity, nanostructures for ultrasensitive amplification, deep learning-aided spectral decoding, and matrix interference suppression; and 3) Cross-platform applications, spanning surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) (flexible substrates, composites), fluorescence, and colorimetric sensors (nanozymes, portable assays) for multi-target detection in fields like agricultural monitoring. Despite attomolar sensitivity and field-deployable advances, persistent challenges include the “trilemma” of functionality-robustness-scalability trade-offs, material stability, reproducible fabrication, and real-sample validation. By critically evaluating these mechanisms and limitations, this work provides a theoretical blueprint for next-generation intelligent detection platforms and prioritizes future research toward modular designs, multimodal synergy, and scalable manufacturing.
Reference:
Yang, E., Mu, Z., Li, P. et al. Optical probe based multiplex monitoring platforms for agricultural products: detection strategies from fabrication to spectroscopic applications. Agric. Prod. Process. Sto. 2, 6 (2026). https://doi.org/10.1007/s44462-025-00040-6
翻译：王小云（实习）
编辑：梁安琪；责任编辑：孙勇
封面图片来源：摄图网
为汇聚全球智慧共探产业变革方向，搭建跨学科、跨国界的协同创新平台，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、国家市场监督管理总局技术创新中心（动物替代蛋白）、中国食品杂志社《食品科学》杂志（EI收录）、中国食品杂志社《Food Science and Human Wellness》杂志（SCI收录）、中国食品杂志社《Journal of Future Foods》杂志（ESCI收录）主办，西南大学、 重庆市农业科学院、 重庆市农产品加工业技术创新联盟、重庆工商大学、重庆三峡学院、西华大学、成都大学、四川旅游学院、西昌学院、北京联合大学协办的“ 第三届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会 ”， 将于2026年4月25-26日 （4月24日全天报到） 在中国 重庆召开。
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