食品安全与检测中的SERS标签技术:从“指纹”区域到“生物沉默”区域的传感

2024-01-11 19:55:05

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Abstract

表面增强拉曼光谱（SERS）在快速、灵敏地检测食品中的特定化合物、金属离子或病原体方面具有许多优势，促使其在食品安全中的应用日益广泛。SERS标签通常由信号增强底物、拉曼报告分子、生物相容性保护层和特定识别元件构成，为食品危害分析提供了强大的工具。本文综述了近年来用于食品安全评价的SERS标签的研究进展，包括“指纹”区（800～1800 cm^-1）和“生物沉默”区（1800～2800 cm^-1）特征峰的SERS标签。在简要介绍SERS基板的基础上，详细探讨了SERS标签的设计、合成和应用。研究了SERS标签技术在微生物、农药和抗生素检测中的应用。最后，对SERS标签在实际食品安全分析中的应用前景进行了讨论。

Introduction

近几十年来，表面增强拉曼光谱（surface enhanced Raman spectroscopy，SERS）作为一种实时、灵敏、可靠检测痕量分析物的有力工具，已广泛应用于食品安全、环境监测、医疗诊断等诸多领域。近年来，关于SERS在食品安全中的应用发表了许多综述。这些综述大多集中于将SERS作为一种直接的分子“指纹技术”用于超灵敏食品安全检测。然而，由于复杂的食品基质造成的背景干扰，使用800～1800 cm^-1的分子指纹区域对准确的食品安全检测构成了重大挑战。有趣的是，大多数干扰物质在“生物沉默”区域（1800～2800 cm^-1）没有拉曼响应。这促使在“生物沉默”区域开发具有拉曼信号的SERS标签，从而在目标分析物存在的情况下提供强拉曼信号并否定任何矩阵效应。到目前为止，还没有关于SERStags在“指纹”和“生物沉默”区域应用于食品安全分析的全面综述报道。本文系统地论述了SERStag技术在食品安全领域的应用。

拉曼光标签（SERS标签）

一般来说，SERS标签由四个功能层组成，即信号增强底物、拉曼报告分子、保护层和特异性识别元件。一般而言，SERS标签的性能依赖于金属底物、拉曼报告分子、生物保护层和识别元件这4个关键组分之间的协同作用。

图1 SERS标签的总体组成、结构和设计概览，以及各部件的功能

一般而言，SERS标签的性能依赖于金属底物、拉曼报告分子、生物保护层和识别元件这4个关键组分之间的协同作用。基于拉曼报告分子中使用的特征峰，SERS标签可以在“指纹”区或“生物沉默”区工作。表1总结了常用拉曼报告分子的峰位及其分类。

表1 用于SERS标签检测的常用拉曼报告器总结

“指纹”区域SERS标签在食品安全中
不同拉曼报告分子修饰的Ag@Au NPs的SERS标签位于四面体骨架的三个顶点，而对应的适体嵌入DNA四面体骨架的三个边缘。通过适体识别，使四面体变形，形成SERS“热点”，增加拉曼信号强度，从而实现对农药的灵敏检测。对丙诺福、对乙酰脒、多菌灵的检出限分别为0.0021、0.0046、0.0061 ng/mL。

图2 SERS配体传感器测定食品中生物毒素

“生物沉默”区SERS标签在食品安全中的应用
磁驱动SERS探针的发展和其他辅助策略的引入，极大地提高了SERS标签技术的灵敏度和选择性。然而，在800～1800 cm^-1“指纹区”的SERS标签仍然会受到复杂食物基质引起的背景干扰的影响，影响SERS标签检测技术的准确性和稳定性。结果表明，在1800～2800 cm^-1的“生物沉默”区几乎不存在生物本底干扰。同时，目前的研究发现，一些生物外源基团如炔基、氰基和叠氮基在“生物沉默”区具有特征峰。因此，在“生物沉默”区域工作的SERS标签的开发和利用将为复杂矩阵中高信噪比的拉曼成像领域带来曙光。“生物沉默”区域的SERS成像窗口显示出无与伦比的检测优势，有效地避免了拉曼“指纹”的杂乱区域，使检测结果更加准确。

图3 使用在“生物沉默”区域工作的SERS适体传感器测定食品中的生物毒素

表2 概述了与食品相关的SERS标签检测技术和常见的SERS标签

Conclusions and Future Prospects
本文综述了SERS标签技术在食品安全评价中的应用研究进展。讨论了SERS的原理、条件以及SERS标签的设计、构造和检测机制。探讨了SERS标签在微生物、农药、金属离子、抗生素等食品危害物检测中的应用。SERS标签技术具有灵敏度高、选择性好、抗干扰性强等优点，在食品安全分析中具有重要意义。许多种类的识别元件，如抗体、适体和生物分子，都可以用来构建SERS标签与聚合酶链反应、磁性实体元件、DNA水凝胶等技术的融合，为SERS标签技术创造了广阔的应用平台。来越多的研究表明，SERS标签技术作为食品安全评价的前沿分析方法正在迅速发展。

SERS-tag technology in food safety and detection: sensing from the “fingerprint” region to the “biological-silent” region

Chen Chen^a, Ximo Wang^a, Ruiqiang Wang^b, Geoffrey I.N. Waterhouse^c,*, Zhixiang Xu^a,*
^a College of Food Science and Engineering, Shandong Agricultural University, Tai'an 271018, China
^b Shandong Cayon Testing Co., Ltd., Jining 272000, China
^c School of Chemical Sciences, The University of Auckland, Auckland 1142, New Zealand
*Corresponding author.
Abstract
Surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) offers many advantages for the fast and sensitive detection of specific compounds, metal ions or pathogens in foods, motivating to its increasing utilization in food safety. SERS-tags, typically constructed using signal enhanced substrate, Raman reporter molecules, a biocompatible protective layer and a specific recognition element, provide a powerful tool for the analysis of food hazards. This article reviews recent progress in the development of SERS-tags for food safety assessment covering SERS-tags with characteristic peaks in the “fingerprint” region (800–1 800 cm^–1) and the “biological-silent” region (1 800–2 800 cm^–1). Following a brief description of SERS substrates, the design, synthesis and applications of SERS-tag are explored in detail. The application of SERS-tags technology for the detection of microorganisms, pesticides and antibiotics are then investigated. Finally, the prospects of using SERS-tag in real-world food safety analysis are critically discussed.

Reference:
CHEN C, WANG X M, WANG R Q, et al. SERS-tag technology in food safety and detection: sensing from the “fingerprint” region to the “biological-silent” region[J]. Journal of Future Foods, 2024, 4(4): 309-323. DOI:10.1016/j.jfutfo.2023.11.003.

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