APPS | 基于光學探針的農產品多重監測平臺：從制備到光譜應用的檢測策略

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Abstract

多重檢測平臺的發展是精準診斷與環境監測領域的重要前沿，其進步主要得益于納米尺度制備技術與光譜分析手段的持續創新。然而，傳統的單一分析物檢測方法在多種目標物共存的復雜真實樣品體系中已難以滿足實際需求。本文從三個核心技術維度，系統梳理并解析了集成傳感系統的最新研究進展：

1）制備與異質結構構筑：通過可控合成策略（如模板法、動力學調控和相工程）、定向組裝方式（界面效應、生物程序化組裝）以及異質結構設計（等離激元–催化–多孔結構協同），實現電磁“熱點”構建、信號放大和選擇性富集；

2）性能提升策略：利用工程化界面提高檢測特異性，依托納米結構實現超高靈敏度放大，引入深度學習輔助的光譜解析手段，并有效抑制基質干擾；

3）跨平臺應用：涵蓋表面增強拉曼光譜（SERS）（如柔性基底、復合材料）、熒光傳感以及比色傳感（如納米酶、便攜式檢測體系），實現農業監測等領域的多靶標檢測。

盡管當前相關平臺已實現阿摩爾（attomolar）級靈敏度并具備現場檢測潛力，但仍面臨“功能性–穩定性–可規模化”之間的“三難困境”，以及材料穩定性不足、制備重復性有限和真實樣品驗證不充分等關鍵挑戰。通過對上述機理與局限性的系統評述，本文為下一代智能檢測平臺提供了理論框架，并強調未來研究應重點關注模塊化設計、多模態協同以及可規模化制造策略。

01

Introduction

在精準診斷與環境監測領域，多重檢測平臺的演進已成為重要研究前沿，其發展主要得益于納米尺度制備技術與光譜分析方法的融合。傳統單一分析物檢測在多種污染物、生物標志物和病原體共存的復雜體系中存在明顯不足，推動研究從單一傳感元件轉向依賴結構精密調控、空間有序構筑和界面協同作用的集成化檢測系統。

納米檢測材料的進展主要來源于可控合成、定向組裝及異質結構構筑的協同發展。通過模板調控、動力學調節和相結構工程可實現納米結構的精準設計；借助界面效應和生物程序化策略實現空間有序組裝；而異質結構則通過等離激元增強、催化加速及多孔結構富集等機制顯著提升檢測性能。然而，這類體系在多靶標功能、環境穩定性以及高精度制備與規模化生產之間仍存在權衡問題。

在光譜檢測方面，實現復雜基質中的可靠多靶標分析仍具挑戰，研究重點集中于提升多重識別特異性、實現超靈敏信號放大、提高光譜解析穩定性以及抑制基質干擾等方面。于農業檢測領域，表面增強拉曼、熒光及比色/吸收等光譜技術已被廣泛用于多組分檢測，但在信號一致性、材料穩定性和真實樣品適用性方面仍有待提升。

本綜述系統總結了先進基底工程策略（包括可控制備、定向組裝和異質結構構筑），并評估其在多靶標檢測性能與系統集成優化中的作用，同時討論了不同光譜平臺（SERS、熒光、比色/吸收及多模態體系）在農業檢測中的應用（圖1），以期為實用化光譜檢測技術的進一步發展提供參考。

圖1 本綜述的示意概覽，涵蓋納米材料的合成與組裝策略、性能優化，以及在農業產品多靶點檢測平臺中基于光譜技術的應用

02

基底制備與組裝策略

可控制備技術

在傳感基底構筑中，可控合成、定向組裝與異質結構工程相互補充，其中可控合成是提升基底一致性與重復性的基礎。通過對材料組成、晶體結構及缺陷的精細設計，可構筑高均一性納米結構，為痕量分析物的穩定檢測提供保障。

可控合成的核心在于調節納米結構的尺寸、形貌和晶相，通常通過反應參數調控、模板限域以及相/缺陷工程實現。由此發展出多種用于光譜檢測的納米結構，包括球形、立方體、棒狀、片狀和樹枝狀等，并進一步拓展至核–殼結構、超薄膜以及垂直取向陣列等復雜體系，顯著增強光–物質相互作用與信號穩定性。

常用合成方法包括晶種介導生長、水熱法、溶膠–凝膠法和原位生長。通過調節前驅體濃度、溶劑組成和反應時間，可實現對結構的精細控制。例如，乙醇輔助紫外光還原可在PMMA表面原位生成金納米星，通過調控前驅體濃度和光照時間實現尖刺密度調節（圖2A）。類似地，調節溶劑和浸涂濃度可控制聚多巴胺包覆鋁納米顆粒的長度及團簇尺寸（圖2B）。

配體調控在形貌工程中同樣關鍵。適配體與拉曼報告分子協同介導生長，可實現對金納米棒形貌的精準控制，但多參數耦合仍可能引入一定不確定性。

為提高復雜體系中的合成效率，人工智能被引入材料設計與優化中。通過高通量實驗與機器學習算法，可實現對晶相、缺陷及等離激元響應的反向設計，顯著降低研發成本并提升成功率。

模板引導合成策略

模板引導合成利用物理或化學模板實現結構的精準復制，是構筑高均一納米結構的重要手段。典型方法如納米球光刻，通過聚苯乙烯微球模板電沉積金納米顆粒，去除模板后可獲得有序金腔陣列基底（圖2C）。此外，高溫處理MOF材料可構筑負載單原子的碳基結構。

界面反應同樣可用于結構構筑，例如在動力學調控下，可在PDMS基底上原位生長樹枝狀銀納米結構（圖3A）。生物模板也展現出獨特優勢，如利用植物葉脈結構制備規則多孔薄膜，具有成本低、制備快和環境適應性強等特點。

總體來看，模板法在結構均一性和尺寸可控性方面優勢顯著，但仍面臨模板去除損傷和天然模板差異性等問題。未來結合可降解模板與3D打印技術，有望實現更高自由度的基底設計。

相/缺陷工程策略

相與缺陷工程通過直接優化活性位點和提升催化效率來增強材料性能。例如，通過濕化學還原和酸刻蝕相結合的方法，實現了釕納米晶由密排六方相向面心立方相的轉變，從而優化催化活性位點，有利于比色檢測應用（圖3B）。在MOF材料中，引入結構缺陷可暴露更多Lewis酸位點，顯著加速水解反應過程（圖3C）。

相工程還推動了水相穩定鈣鈦礦量子點的制備，實現了在水/生物體系中仍保持高發光效率和窄發射峰寬的材料，為熒光檢測靈敏度的提升提供了關鍵支撐。然而，缺陷結構在高溫或強光條件下易發生湮滅，穩定性問題仍是該策略面臨的重要挑戰。

圖2 （A）不同光還原時間下合成的金納米結構的場發射掃描電子顯微鏡（FESEM）圖像；（B）通過溶劑組成（THF/1,4-二氧六環比例）控制納米結構長度；（C）使用聚苯乙烯（PS）球模板通過電沉積法制備的GCA

圖3 （A）通過溶劑交換和界面反應動力學控制的原位生長形成的樹枝狀銀納米結構；（B）展示出亞穩面心立方（fcc）結構的高活性釕納米晶體；（C）Ce??摻雜誘導形成的缺陷結構

定向組裝方法

定向組裝技術通過精確構筑功能單元之間的空間構型與相互作用，實現納米尺度間隙的可控調節，從而獲得穩定、可重復的信號分布，顯著提升檢測可靠性與實用性。同時，該策略有助于緩解探針淬滅和基質干擾問題，實現復雜體系中的多靶標高靈敏檢測。界面作用力與分子識別機制使組裝過程由被動聚集轉變為主動空間排布，形成高度有序的納米結構。

界面效應驅動的定向組裝

界面組裝是構筑高度有序納米結構的有效途徑。通過多相界面體系，可利用Marangoni效應驅動金納米顆粒形成高致密單層陣列，并精確調控結構參數（圖4A）。油–水界面組裝還可構筑三維等離激元超結構，形成亞2～4 nm的納米間隙，產生強電磁熱點。類似策略被用于二維銀納米立方體單層、復合薄膜以及MXene/GO/Ag核–殼異質纖維的構筑，其中MXene促進電荷轉移，Ag納米顆粒提供高密度熱點。此外，通過優化蒸發過程可抑制咖啡環效應，獲得均一三維超晶格結構。

總體而言，界面組裝在空間精度、結構均一性和信號增強方面優勢突出，但在大面積制備、結構穩定性及多相體系操控方面仍存在挑戰。未來研究應聚焦更穩健的界面調控策略、微流控集成及刺激響應型界面體系。

分子識別與特異相互作用驅動組裝

分子識別賦予定向組裝分子尺度的精細調控能力。通過靜電作用、配體引導或生物識別體系，可實現納米顆粒間距的精準控制。例如，通過調節樹枝狀高分子濃度或配體類型，可獲得亞2～5 nm的可控納米間隙（圖4C）。生物識別體系（如鏈霉親和素–生物素）可實現紙基或膜基底上金納米顆粒的定向排列。表面潤濕性調控、量子點與介孔載體的組裝以及離子誘導聚集等策略，也為構筑功能化熱點結構提供了簡便途徑。

該類方法在可編程性、材料通用性及生物識別方面優勢明顯，但仍受限于分子連接體穩定性、空間位阻效應及體系復雜度。未來需發展更穩定的連接化學、刺激響應型分子橋及計算輔助設計方法。

異質結構構筑

異質結構通過界面工程整合等離激元增強、催化活性和分子識別功能，是突破單一材料性能瓶頸的關鍵策略。該多界面協同機制為新一代高靈敏、高穩定檢測平臺奠定基礎。

等離激元異質結在SERS中表現突出，通過電磁–電荷轉移耦合顯著提升信號強度。多組分結構（如MXene、半導體、貴金屬復合體系）在增強因子、抗氧化性和柔性適配方面表現優異，但在結構–性能定量關聯及規模化制備方面仍面臨挑戰

催化型異質結構將目標富集與信號放大相結合，通過磁分離、類酶催化和比色/光學讀出實現高效檢測。單原子納米酶和雙金屬結構在催化性能上優勢明顯，但穩定性和成本仍制約其應用。

熒光異質結構通過載體工程和比率型設計提升信號穩定性與定量可靠性。MOFs、量子點和復合微球等體系在多通道檢測中表現突出，但仍需解決能量傳遞效率和結構一致性問題。

總體來看，異質結構設計已從經驗合成走向精密工程，但在成本、穩定性和產業化方面仍需突破。

圖4 （A）受馬朗戈尼效應驅動，金納米顆粒（AuNPs）組裝成致密緊密堆積的單層；（B）利用油–水界面組裝制備均勻的金-銀（Au@Ag）復合薄膜；（C）功能基團誘導下顆粒狀球面多面體組裝，形成三維空腔狀金納米囊，可用于捕獲PS顆粒

03

檢測性能優化

多靶標檢測能力

多靶標檢測平臺旨在實現多分析物的同步檢測，同時降低樣品消耗和操作復雜度。現有策略主要包括空間分隔、光譜區分、分子識別及其組合模式。

空間分隔策略通過物理隔離消除信號串擾，廣泛應用于側向層析和微流控系統中，可實現多毒素或多病原體的可視化檢測（圖5A）。但隨著檢測靶標數量增加，器件尺寸和制備復雜度顯著上升。

光譜區分策略依托拉曼指紋或熒光發射差異實現多重檢測，并結合機器學習算法解析重疊信號，在理論多重能力上具有明顯優勢，但對材料一致性和算法可靠性要求較高。

信號維度解卷積與分子工程通過適配體、抗體及智能納米材料實現高特異性識別與信號調控，可實現并行或廣譜檢測，但在生物體系穩定性和成本方面仍存在挑戰。

此外，時間分辨檢測和多模態融合策略為復雜應用場景提供補充方案，但系統復雜度較高，限制了現場應用。

綜合性能優化

超靈敏多靶標檢測依賴于高密度電磁熱點的精準構筑。通過樹枝狀結構、生物仿生組裝、三維超晶格及動態可調納米間隙設計，可實現fM級甚至更低檢測限（圖5B）。同時，樣品前處理、分子識別、表面鈍化、內標校準及智能算法協同應用，有效克服復雜基質干擾，實現真實樣品中的高保真檢測。

總體而言，多靶標檢測正由單一策略向空間、光譜、分子與材料智能協同的融合設計演進，其能否實現實際轉化，取決于標準化制備、算法穩健性及模塊化平臺的發展。

功能適應性

多靶標傳感的實際應用對基底柔性和數據解析能力提出了更高要求。柔性平臺可實現非破壞、原位采樣。例如，PDMS 等離激元薄膜可貼合植物表面，結合手持設備實現原位檢測，靈敏度可達阿摩爾級（10?1? mol/L）（圖5C）。

此外，具有超潤濕圖案的柔性海綿基底、負載AgNPs的吸附棉及紙基平臺，可通過擦拭方式實現農殘和污染物的快速現場檢測，并兼容便攜式拉曼系統，在復雜基質中仍可實現多靶標分析。

在數據處理方面，人工智能（AI），尤其是卷積神經網絡（CNN），顯著提升了光譜解析能力，可直接從原始SERS光譜中提取特征，避免傳統峰擬合的局限。例如，CNN在病原體識別和農藥定量中表現出更高準確率和更寬線性范圍，并支持復雜樣品的多重檢測。

為實現多分析物的高特異性同步檢測，研究者通過表面化學調控、復合材料設計和空間分離策略降低交叉干擾，如pH響應型納米酶陣列、復合吸附材料及磁珠/膜分區設計等。這些策略顯著提升了多靶標檢測的選擇性和基質適應性。

盡管取得顯著進展，多靶標SERS仍面臨大規模制備一致性、模型數據依賴性及柔性基底長期穩定性等挑戰。未來需發展可規模化納米制造、低數據依賴 AI 模型及多模態檢測策略，以推動其現場應用。

圖5 （A）多重側流免疫測定（mLFA）示意圖，用于同時檢測真菌毒素：DON、ZEN和AFB1；（B）nMGSs的形貌、對應的電磁場增強分布及由此產生的SERS信號放大效果；（C）柔性等離子體薄膜的性能表征

04

多重檢測平臺的應用

SERS檢測平臺

SERS由于其指紋特異性、響應快速及現場應用潛力，已成為農產品多重檢測的重要工具。近年來，通過構建柔性、可擦拭基底及復合納米結構，實現了對農藥、獸藥、毒素和重金屬的高靈敏檢測。

柔性SERS基底（如PDMS或棉纖維@AgNPs）可貼合水果和蔬菜表面，實現超痕量農藥檢測，檢測限遠低于法規要求（圖6A）。在動物源性食品中，復合等離激元基底可實現多種獸藥的同步定量分析。

此外，SERS在重金屬、真菌毒素及病原菌檢測中同樣表現出高靈敏度和良好重復性。

總體而言，SERS平臺在多靶標農業檢測中兼具高靈敏、快速和低成本優勢，但仍需進一步解決復雜基質干擾和現場一致性問題。

熒光多重檢測平臺

熒光檢測因其靈敏度高、可多通道編碼，在農產品安全檢測中得到廣泛應用。通過整合量子點、MOFs、碳點等發光納米材料與抗體、適配體等識別元件，可實現農藥、霉菌毒素、獸藥和病原體的同步檢測（圖6B）。

多色量子點編碼、比率型熒光及側向層析技術顯著提升了檢測通量和可靠性，并推動了便攜化和可視化檢測的發展。

然而，熒光平臺仍受限于基質效應、探針穩定性及成本問題，亟需在復雜樣品中進一步驗證。

圖6 （A）Au@AgNPs-Bi2WO6薄膜示意圖，用于農藥和獸藥檢測；（B）利用交通信號燈式熒光側流免疫測定（T-FLFIA）對蘋果和豇豆中的CTN、PBZ和FIP進行同時定量檢測

比色與吸收光譜檢測平臺

比色和吸收光譜方法依托納米酶活性和等離激元效應，實現了無需復雜儀器的多靶標檢測。通過構建納米酶陣列、AuNP/AgNP顏色響應體系及傳感陣列，可對多種農藥、重金屬和食品新鮮度指標進行快速區分。

此類平臺成本低、操作簡便，適用于現場篩查，但在定量精度和高選擇性方面仍存在挑戰。

多模態協同光譜檢測平臺

多模態平臺通過整合SERS、熒光、比色、電化學等技術，實現信號互補和交叉驗證，大幅提升檢測可靠性。例如，顏色篩查結合SERS定量，或雙/三信號自校準體系，可有效降低誤判率。

盡管多模態系統在靈敏度和準確性方面優勢明顯，但其系統復雜度和集成成本仍限制了大規模應用。

05

Summary and Outlook

總體來看，可控制備、柔性基底、AI光譜解析和多模態融合是推動多靶標光學檢測平臺走向實際應用的關鍵。未來研究應聚焦于：1）可規模化納米制造；2）高穩定、可再生傳感基底；3）低數據依賴的智能算法；4）面向現場的一體化檢測系統。這些進展將加速光學多重檢測平臺在農業安全、食品質量和環境監測中的落地應用。

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

翻譯：王小云（實習）

編輯：梁安琪；責任編輯：孫勇

封面圖片來源：攝圖網

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