APPS | 面向食品微生物与毒素检测的SERS纳米传感器：从精准设计到性能优化|sers|微生物|拉曼|新型高温超导体|纳米材料|纳米结构

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Introduction

食源性病原微生物是食品安全的主要威胁，也是一个全球性挑战。根据世界卫生组织的数据，全球每年有近6亿人（约占总人口的十分之一）因食用受污染的食物而患病，导致约42万人死亡。表面增强拉曼光谱（SERS）因其检测快速、灵敏度高、生物相容性好等显著优势，正越来越多地被应用于食品安全领域。利用SERS技术精准检测食品中的有害物质已引起广泛的研究兴趣，使其成为当代分析科学中一个突出且具有重要技术意义的研究焦点。

SERS活性纳米材料的构建是SERS技术应用的基础。目前已采用包括化学还原法、原位合成法和种子生长法在内的多种合成方法，成功制备了具有不同结构与性质的单一组分和多组分纳米材料。这些合成方法为纳米材料的研究与应用开发提供了丰富的选择空间和巨大的潜力。单一组分纳米材料，如金、银和铜纳米颗粒，具有均匀的结构和良好的稳定性；而多组分纳米材料，如核壳结构和合金纳米颗粒，则展现出更强的性能和多功能性。这些纳米材料的尺寸、形貌和组成可以被精确调控，从而显著影响其SERS性能。这些先进纳米材料的发展极大地拓展了SERS在食品安全检测领域的应用范围。

SERS的原理是基于入射光与纳米材料电磁场之间的相互作用来增强拉曼信号。SERS活性材料独特的纳米结构，例如核壳结构、纳米间隙和多孔材料，在信号增强中起着至关重要的作用。这些结构能够显著放大局域电磁场。基于SERS的方法也已展现出同时识别多种病原体的巨大潜力，并且其与人工智能的融合进一步提高了检测效率和准确性。

江南大学食品科学与工程学院马伟教授及其科研团队总结了用于检测食品中病原微生物和微生物毒素的SERS生物传感器的最新研究进展。其团队重点关注了SERS活性纳米材料的开发及其在食品安全中的应用。SERS技术与先进纳米材料和检测策略的结合，在提高食品安全检测的效率和准确性方面展现出巨大潜力。本工作全面概述了SERS技术在食品安全领域的研究现状，并展望了其发展前景。

图1 表面增强拉曼散射活性纳米材料的制备、信号增强及人工智能在目标检测中的应用

创新点

与现有研究侧重于检测机理、平台搭建或特定应用场景不同，本文跳出传统的分类框架，建立了“材料结构—性能优化—应用场景”的三位一体逻辑链条。文章明确指出，过往研究忽视了纳米材料结构设计对检测性能突破的根源性驱动作用，而本文则首次将“纳米结构调控”作为推动SERS技术发展的核心引擎进行系统性论述。
本文深入技术底层，专门针对核壳结构、纳米间隙结构和多孔结构这三种关键纳米材料，详细剖析了它们在食源性病原体及毒素检测中的电磁增强机理。这种“结构—机理—应用”的深度绑定，比以往单纯讨论柔性基底或多污染物检测的综述更具物理层面的技术深度。
随着人工智能在化学传感领域的应用探索持续深入，相关研究正逐步从概念验证走向技术融合。在此基础上，本文进一步在综述中系统梳理了SERS技术与人工智能（特别是ANN、CNN、DualWKNet等算法）的具体整合路径，重点探讨了如何利用AI解析复杂的SERS指纹光谱，从而为实现单组分及多组分病原体的同时检测提供可行的技术方案。

文章概述

用于增强生物传感的SERS纳米结构合理化设计

根据组成不同，纳米材料可分为单组分与多组分体系。单组分纳米材料以其均一的构型结构、显著的量子限域效应以及优异的可调谐性，成为纳米科学基础研究与材料工程跨领域应用的核心基石。相比之下，多组分纳米材料则展现出卓越的灵敏度、多目标物检测能力及可调增强特性，在多元化应用中潜力巨大。这些纳米材料可通过多种方法合成：操作简便的还原法、分散性良好的原位合成与原位生长法、绿色可持续的光驱动合成法以及可精确调控表面性质的配体置换法等。图2展示了采用化学还原法和原位生长法构建纳米材料的过程，以及所合成纳米材料的形貌与特征。

图2纳米材料的构筑与表征

结构设计与信号增强的优化策略

精确控制纳米材料的结构对于优化表面增强拉曼散射性能、同步提升信号强度、检测灵敏度等至关重要。常见的SERS活性纳米材料结构包括核壳结构与膜结构等，它们能够显著增强局域电磁场，并通过优化尺寸、形貌和组成来提升信号强度。正是基于这一认识，研究者发展出了多种增强与调控SERS信号的策略，主要包括设计纳米材料结构以调控其形貌和间隙、引入磁性纳米粒子实现样品的快速分离与纯化，以及采用信号放大技术检测极低浓度的目标分子。这些方法的协同整合显著拓展了SERS技术在食品安全分析领域的应用范围。图3展示了核壳结构与膜结构的电子显微镜图像、拉曼光谱，以及采用杂交链式反应技术所获得的拉曼光谱。

图3 SERS活性纳米材料的结构调控

基于SERS的食品病原微生物及其毒素检测

基于表面增强拉曼散射的技术极大地提升了复杂食品基质中多种细菌病原体的检测能力，通过利用多样的SERS基底和纳米材料，能够在实现高灵敏度与高特异性的同时完成对多种细菌的同步检测。目前，SERS检测策略主要针对3 种常见的食源性病原体：金黄色葡萄球菌、沙门氏菌和大肠杆菌，用于这3 种病原体检测的纳米材料形貌、拉曼光谱及线性回归图如图4所示。值得注意的是，SERS技术的应用范围并不仅限于细菌检测，部分病毒和微生物毒素也可利用该技术实现有效检测。

图4常见食源性病原体的SERS检测

AI与SERS融合的先进检测技术

近年来，人工智能与SERS技术的融合进一步拓展了该领域的应用前景。通过将自动化特征提取、基于机器学习的分类以及多模态数据融合等先进人工智能方法，与SERS技术卓越的灵敏度和特异性相结合，这种协同策略为提升食品安全监测中的检测效率、分析准确度和智能自动化水平提供了前沿解决方案，满足了现代食品安全诊断的关键需求。

结论与展望

SERS生物传感平台的演进显著提升了食品基质中病原微生物及毒素的监测能力，实现了快速、高灵敏度与高选择性的分析性能。尽管当前在牛奶、肉糜等均质化样品中已取得广泛应用，该技术仍面临标准化体系缺失、谱图数据库不完善、基质干扰影响数据可重复性及AI模型精度、环境因素导致信号不稳定等挑战。未来研究应聚焦于以下3 个方向：

开发环境友好、可规模化生产的合成策略，并构建集成识别、捕获、增强与信号输出功能于一体的纳米材料。
深入研究电磁增强与化学增强的协同机理，通过精确调控纳米粒子特性及表面修饰，优化等离激元效应；同时发展基于内标编码的探针技术，以消除干扰，实现可靠的定量检测。
解决实际应用中的关键技术瓶颈，①集成微流控技术实现自动化样品处理，提升通量与可重复性；②开发基于物联网的小型化便携设备，满足现场检测需求；③建立标准化的SERS谱图数据库，并结合抗噪型AI算法，提高复杂基质中的检测准确性。

第一作者介绍

瞿子林，女，现江南大学食品科学与工程专业在读硕士研究生。目前在江南大学食品学院开展学术研究，主要研究方向为纳米材料构建及其在食品科学领域的应用。

通信作者介绍

马伟，男，江南大学食品学院教授，研究领域为纳米材料可控制备、光学性能及食品安全检测应用。入选教育部重大人才工程（青年）及江苏省杰出青年基金资助计划。

SERS-active nanostructures for food microorganisms and toxins biosensing: compositional tailoring, structural regulation, and signal amplificationZilin Qua,b, En Yanga,b, Mustafa Zeba,b, Jian Zhuc, Yoonseob Kimd, Janine Magalhães Guedes Simãoe & Wei Maa,b,*

aState Key Laboratory of Food Science and Resources, Jiangnan University, Wuxi, 214122, China

bSchool of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi, 214122, China

cSchool of Materials Science and Engineering, Nankai University, Tianjin, 300071, China

dDepartment of Chemical and Biological Engineering, The Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay 999077, Hong Kong, China

eEmpresa de Pesquisa Agropecuária de Minas Gerais (EPAMIG), Lavras, 37200-000, Brazil

*Corresponding author.

Abstract

Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) has gained prominence as an effective technique for identifying pathogens and toxins in food products. This is attributed to its remarkable sensitivity, swift detection speed, and precise identification capacity. This paper reviews the latest developments in the field of SERS-based biosensors for food safety, highlighting the design of SERS-active nanomaterials and their role in sensing a wide range of foodborne microorganisms and microbial toxins. We discuss the synthesis methods for single-component and multi-component nanomaterials, strategies for structural regulation of SERS-active materials, and the unique advantages of SERS in detecting pathogens such as Staphylococcus aureus, Salmonella, Escherichia coli, etc. and related toxins. Additionally, we highlight the integration of SERS with artificial intelligence (AI) for enhanced detection efficiency and accuracy. The combination of advanced nanomaterials and SERS technology has shown great potential in improving the effectiveness and precision of food safety testing, with broad application prospects in complex food matrices.

Reference:

Qu, Z., Yang, E., Zeb, M. et al. SERS-active nanostructures for food microorganisms and toxins biosensing: compositional tailoring, structural regulation, and signal amplification. Agric. Prod. Process. Sto. 2, 37 (2026). https://doi.org/10.1007/s44462-026-00073-5.

文章编译由作者提供

编辑：王佳红；责任编辑：孙勇

封面图片来源：摄图网

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