海南大学食品科学与工程学院吴龙副教授在生物毒素检测领域发表国际食品顶刊综述

学术 2024-09-08 10:20 上海

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海南大学食品科学与工程学院吴龙副教授在生物毒素检测领域发表国际食品顶刊综述

近日，海南大学食品科学与工程学院吴龙副教授在国际食品领域顶级期刊《Trends in Food Science & Technology》（中科院1区Top，IF=15.1）在线发表了题为“Advancements and challenges on SERS-based multimodal biosensors for biotoxin detection”的综述论文，系统论述了表面增强拉曼光谱（SERS）及其组合技术在生物毒素检测的进展。

成果介绍

这篇综述深入探讨了表面增强拉曼散射（SERS）及其组合技术在生物毒素检测方面的进展，详细介绍了 SERS 基底、检测模式以及不同类型的基于SERS 的生物传感器，重点强调了设计机制和传感策略。尽管在检测灵敏度和准确性方面有所提升，但它也讨论了复杂基质中信号干扰的解决方案以及信号转换和放大的需求。强调了基于 SERS 的生物传感器在彻底改变食品安全检测方面的潜力，并提出了未来研究的方向，以解决当前的局限性并在生物毒素监测中充分利用其优势。该综述表明：基于 SERS 的多模态生物传感器的技术创新显著提高了SERS 的检测性能，为在生物毒素检测中更广泛的应用提供了另一种途径。纳米材料的多功能性为构建基于 SERS 的生物传感器提供了灵活的设计解决方案。通过应对当前的挑战并探索未来的机遇，这些方法的进步有望加强食品安全检测工作。

结论与展望

将表面增强拉曼散射（SERS）系统与其他检测技术相结合是一项极有成效的工作。基于 SERS 的多模态生物传感器的关键优势之一是其多种信号输出模式的自验证能力，可有效提高检测的准确性和可靠性。此外，多功能纳米材料的设计和制造为快速多模态检测提供了有力支持，例如磁性 SERS 基底、SERS 纳米探针、具有高效类酶活性的 SERS 活性纳米粒子以及光电 SERS 基底。尽管具有显著优势，但目前基于 SERS 的多模态生物传感器在生物毒素检测中仍面临一些挑战。

由于多模态检测的实现需要多个信号同时响应，其中一个主要挑战是多个信号的重现性和稳定性，这取决于功能纳米材料的制造和识别元件的修饰。因此，需要进一步研究设计和制造更均匀、具有更稳定识别性能的 SERS 基底。另一个挑战是开发有效的信号放大策略以提高灵敏度。尽管已经使用了诸如抗体、适体和分子印迹聚合物等各种识别单元来提高定量灵敏度，但在复杂基质的干扰下检测痕量毒素仍然是一个巨大的挑战。将催化反应循环引入多模态生物传感系统以提供新型信号放大是一个有力的方向。传感器在分析复杂的 SERS 光谱数据和进行现场测试方面的实际应用带来了重大挑战，这凸显了将算法集成到便携式设备的设计和操作中的必要性。

总之，基于 SERS 的多模态生物传感器的未来涉及使用创新材料、出色的信号放大策略、先进的数据分析技术和跨学科方法来克服挑战。纳米技术与 SERS 的结合彻底改变了 SERS 基底的发展，提高了其在各种应用中的性能。此外，利用人工智能和机器学习来解释复杂的光谱数据有望显著提高生物毒素检测的速度和准确性。开发 SERS 芯片并将其与移动平台集成也可能实现现场测试和实时监测。通过应对挑战并探索未来机遇，SERS 检测朝着广泛采用基于 SERS 的多模态传感方法迈进。这一进展将在生物毒素检测方面带来重大进步，并最终为提高公共健康和安全做出贡献。

该研究得到国家自然科学基金(32360622)、海南省院士创新平台专项研究基金(YSPTZX202318)、热带果蔬质量安全国家市场监管重点实验室(TDYJ-2024003)、海南大学创业科研项目(KYQD(ZR)-21044)资助。

图文欣赏

图1.基于SERS的多模态生物毒素检测传感器从工作原理到策略设计的示意图

图2. SERS方法中无标记和有标记检测方案示意图。(A)具有独特振动指纹的目标分子无标记SERS检测;(B)带有标记SERS标签的抗体捕获的靶分子的标记SERS检测

图3. (A) MIP和磁性纳米酶双模光学传感器检测STX的示意图;(B)使用双功能纳米酶检测AFB1的双模适体传感器示意图;(C)采用NLASA结合SERS和比色法双模检测的OTA检测策略

图4. (A)荧光- SERS双模检测OTA示意图;(B)基于AuNPs@MIL-101纳米杂化体的荧光- SERS适体传感器TTX检测示意图;(C)利用Cy3-cDNA链对AuNSs的高亲和力，荧光- SERS策略对MC-LR进行敏感检测

图5.(A) LFIA-SERS条带同时检测蓖麻毒素、SEB和BoNT/A的示意图;(B)基于多重SERS的真菌毒素侧流免疫传感器示意图;(C)同时检测AFB1和ZEN的SERS-LFIA试纸条设计

图6.(A)基于Ag@Cu2O NPs标签和MXene纳米片的TTX检测示意图;(B)用H - Al-MOF@AuNPs检测多菌灵的EC-SERS传感器示意图;(C)构建EC-SERS用于检测Au SERS基底上的MG

图7.(A)用于SPR-SERS检测的Au/MoS2/Ag改性塑料光纤示意图;(B)基于AuNPs网络和CHA反应构建SPR-SERS生物传感器;(C) SPR-SERS检测的核心-卫星纳米组装策略

图8.(A)基于无标记SERS纳米探针和磁性纳米探针的黄曲霉毒素亚型MRS-SERS检测示意图;(B)用于SERS检测的TLC-SERS芯片的制备;(C)基于AgSAC催化的适配体介导的AFB1的RRS-SERS原理

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.tifs.2024.104672

作者简介

吴龙，副教授，博士，硕士/博士生导师，海南大学高层次引进人才，“武汉黄鹤英才”优秀青年人才，海南省食品安全风险评估委员会委员。主要从事热带农产品质量与安全检测和快速检测方法研究。主持国家自然科学基金2项、海南省自然科学项目、国家重点实验室项目、海南大学高层次人才项目、校企服务等各类项目10余项。申请国家发明专利10余项，授权6项，成果转化2项，发表SCI论文60余篇（其中以第一作者或通讯作者发表SCI论文30余篇，ESI高被引论文2篇，论文被引2500余次，h-index 27），出版英文专著1部，参与撰写英文专著5部，入选“2022年全球2%顶尖科学家”榜单。《Frontiers in Chemistry》、《Molecules》和《Biosensors》杂志客座主编。

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