表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman scattering, SERS）技术凭借高灵敏度、快速响应及独特的分子指纹识别能力，在食品与环境基质中抗生素残留的现场检测领域展现出巨大潜力。研究人员系统综述了SERS抗生素传感器的最新研究进展，聚焦增强机制、基底设计策略、实际应用挑战及未来方向四个维度。首先，从电磁增强与化学增强的基本原理出发，介绍单分子SERS的里程碑工作，并探讨密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算在揭示抗生素吸附取向与信号强度关系中的指导作用。其次，总结从金属纳米颗粒到复合基底的设计策略，重点强调碳材料、二维材料与金属/金属氧化物基底杂化在协同增强与抗干扰方面的优势。随后，系统分析阻碍SERS传感器实际应用的三大核心挑战：复杂样品的基质干扰、结构相似抗生素的选择性识别困难，以及信号定量可靠性与重现性不足。针对上述挑战，研究人员总结了表面功能化、分子印迹/适配体修饰、内标法及均匀基底制备等解决方案。最后，展望该领域未来发展方向，包括SERS与微流控芯片集成实现自动化样品前处理、机器学习辅助光谱数据分析，以及商用便携式传感器的标准化与成本控制。本综述旨在为高性能SERS抗生素传感器的设计提供理论指导，推动其在食品安全与环境监测中的实际应用。
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Introduction
1.1 Global challenges of antibiotic residues
全球化背景下，抗生素残留已成为全球性重大挑战。随着集约化养殖扩张、医用抗生素普及及废水处理设施不完善，抗生素残留广泛存在于食品供应链、自然水体、土壤生态系统及大气环境中。残留抗生素不仅造成不可忽视的生态破坏，还持续威胁人类健康，推动抗生素耐药性传播，成为全球公共卫生领域的重大问题。食品行业中，抗生素被广泛用于工业养殖的疾病预防、感染控制与促生长，但未被动物完全代谢，随排泄物进入环境或直接残留于肉、乳制品及蛋类等动物源性食品中。消费者长期摄入含抗生素残留的食品可能引发过敏反应、破坏肠道微生物平衡，导致耐药菌定植并削弱感染性疾病治疗效果，儿童、孕妇及免疫功能低下人群的潜在风险尤为突出。环境中的抗生素残留同样不容忽视，污水处理厂受工艺限制无法完全去除废水中的抗生素，排放后进入河流、湖泊等自然水体，对水生生物产生毒性效应，干扰其正常生理功能与生态行为，并通过食物链影响人类等高营养级生物。农业灌溉与畜禽粪肥土地利用也会导致抗生素进入土壤生态系统，改变土壤微生物群落结构、降低土壤肥力，进而对作物生长与品质产生不利影响。大气环境中的抗生素残留可通过空气扩散进一步扩大影响范围，即便偏远地区也难以隔绝。面对这一全球挑战，分析化学作为关键学科承担着重要责任，准确灵敏地检测抗生素残留是有效监控其传播的前提。传统检测方法如高效液相色谱（High-performance Liquid Chromatography, HPLC）、气相色谱-质谱联用（Gas Chromatography-Mass Spectrometry, GC-MS）及酶联免疫吸附测定（Enzyme-Linked Immunosorbent Assay, ELISA）虽可一定程度检测抗生素残留，但存在显著局限：HPLC与GC-MS需复杂的样品前处理（提取、净化、衍生化），耗时费力且易引入人为误差；同时依赖专业操作人员与昂贵设备，难以满足现场快速检测与实时监测需求。ELISA等免疫分析方法操作相对简便，但检测灵敏度与特异性有限，易受样品基质干扰，易出现假阳性或假阴性结果。现有技术体系在处理复杂基质干扰（如肉类中的脂质、环境水样中的腐殖酸）时通常需繁琐的前处理步骤，严重制约快速现场检测的实现，因此开发满足实际需求的新检测技术成为分析化学领域的研究热点。
1.2 Introduction of SERS technology
1928年印度物理学家C. V. Raman首次发现单色入射光照射物体时，除与入射光频率相同的瑞利散射外还存在频率不同的散射光，后者被命名为拉曼散射。瑞利散射强度仅为入射光的10−3，而拉曼散射强度更低，约为入射光的10−6–10−3，极弱的拉曼光谱信号曾严重限制其实际应用。1974年Fleischmann等人发现吡啶分子吸附于银电极表面时拉曼光谱强度显著增强，归因于粗糙基底大幅提升了银电极的有效表面积。1977年Van Duyne团队提出表面增强因子测量方法，通过比较粗糙贵金属表面的特定分子SERS信号强度与溶液中同种分子的信号强度，证实增强因子可达105–106，并将这种与粗糙表面相关的增强现象命名为SERS，有效克服了拉曼散射灵敏度低的缺陷。1978年Moskovits首次解释粗糙银电极上表面等离子体对SERS增强的作用，预测类似增强效应也可能出现在吸附剂覆盖的银、铜胶体中。1979年Creighton等人利用银、金胶体成功验证该预测，将研究领域从粗糙电极表面拓展至金属胶体，开启了基于等离子体纳米结构的SERS研究主流方向。20世纪90年代，Nie与Kneipp团队独立报道单分子表面增强拉曼散射（Single-Molecule SERS, SM-SERS）的里程碑突破，将SERS检测灵敏度推向单分子水平：Nie团队通过筛选具有特定尺寸依赖特性的单个银纳米颗粒，实现罗丹明6G的超高超强增强，本征增强因子达1014–1015；Kneipp团队利用近红外激发银胶体聚集体，通过泊松分布统计验证了单分子事件。这两项研究不仅首次实验证实单分子拉曼检测的可行性，还揭示了“热点”对电磁场极端增强的核心贡献，为后续超灵敏SERS分析与单分子光谱发展奠定了关键基础。21世纪以来，随着光催化材料与智能响应材料的进步，可再生SERS基底逐渐成为研究热点：2000年代后期，TiO2/Ag、ZnO/Ag等半导体-贵金属复合基底被证实可在紫外或可见光照射下通过光生电荷转移降解吸附的目标分子，实现基底表面自清洁与再生；2010年代以来，基于刺激响应聚合物（如热响应、pH响应）的智能基底进一步拓展了可再生策略，通过环境条件的可逆变化实现目标分子的可控捕获与释放。这些可再生基底的发展不仅降低了单次检测成本，还提升了SERS检测的重复性与长期稳定性，为抗生素残留检测等实际监测场景的应用提供了关键支撑。近年来，SERS技术凭借单分子灵敏度、抗光漂白、多组分检测潜力等独特优势，逐步应用于生物医学、纳米材料、食品安全、环境保护等领域。以抗生素残留检测为例，SERS技术通过将待测分子吸附于具有特殊结构的金属或半导体基底表面，可显著增强分子的拉曼散射信号，实现极低浓度目标分子的检测。该技术不仅能提供丰富的分子结构信息、实现抗生素的特异性识别，还具有操作简单、检测速度快、便携性强等优势，非常适用于现场快速检测与实时监测。尽管SERS技术在抗生素检测领域已展现出巨大潜力，但其实际应用仍面临诸多挑战，如基底-分析物相互作用机制不明确、复杂基质干扰难以抑制、缺乏标准化规范等，仍需进一步研究与优化。本综述旨在系统阐述SERS技术在食品与环境抗生素残留检测中的研究进展，探讨其增强机制、基底设计创新策略与实际应用案例，分析技术转化过程中的瓶颈与突破路径，为未来研发提供有益参考与启示。
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The mechanism and signal enhancement strategy of SERS detection of antibiotics
与传统拉曼光谱相比，SERS技术凭借高灵敏度信号可获取常规拉曼光谱难以获得的信息。尽管SERS效应已被研究数十年，但其机制仍存在争议，基底材料选择、样品表面形貌、电子结构特征及光与物质的相互作用均是影响SERS效应的因素。目前学术界公认电磁增强（Electromagnetic Enhancement, EM）与化学增强（Chemical Enhancement, CM）是两大核心机制，不同体系下往往存在不同的主导增强机制，单一机制无法解释所有现有增强效应。
2.1 Theoretical basis of SERS enhancement mechanism
2.1.1 EM of SERS
绝大多数SERS过程中，电磁场增强起主导作用，主要源于表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）。电磁场增强机制由Van Duyne等人首次提出，旨在揭示金属表面等离子体共振对分子的SERS增强作用。多数拉曼增强基底采用贵金属纳米材料制备，因其表面存在自由移动的电子，与光子相互作用时可产生沿金属表面传播的电子群，称为表面等离子体。当电磁波作用于等离子体且二者频率一致时发生共振，即表面等离子体共振，通常分为传播表面等离子体与局域表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR）。传播表面等离子体常见于光滑金属膜表面；当入射光与贵金属纳米颗粒表面相互作用时，金属纳米颗粒内的电子云会发生集体振荡，这种振荡仅局限于纳米颗粒附近，是SERS效应的主要贡献来源。简单来说，当入射光频率与这些电子的集体运动频率一致时会产生LSPR，导致局部电磁场强度急剧升高，大幅提升分子的拉曼散射概率，从而使SERS信号急剧增强。理论计算表明电磁增强效应可达1010–1011。实际过程中，SERS增强效应常受基底（纳米材料）的形貌与尺寸、激发光波长、目标分子与纳米材料表面的距离等因素影响，增强因子近似与局部电磁场强度的四次方成正比。研究发现，金属纳米表面曲率较大的尖端结构位置聚集大量表面原子，更多表面电子聚集于这些原子附近；当金属纳米颗粒彼此靠近至一定距离时，纳米颗粒间隙的局部电场也会增强，形成由等离子体共振耦合产生的强局域电磁场，即“热点”效应。1997年单分子SERS检测的里程碑突破直接证实了“热点”对电磁场极端增强的决定性作用：Nie等人通过筛选具有特定尺寸依赖特性的单个银纳米颗粒，发现当罗丹明6G分子吸附于这些颗粒的尖端或棱角处时，本征增强因子可达1014–1015，远超常规系综平均增强值；Kneipp等人则利用近红外激发在银胶体聚集体中实现单分子检测，指出仅不到1%的聚集体具有单分子活性，这些高活性位点正是纳米颗粒间隙形成的“热点”。后续理论计算显示，在银纳米颗粒二聚体等结构中，间隙处的局域电磁场增强可达109以上，增强因子与间隙距离的四次方成反比。这种极端的电磁场分布也解释了为何SERS信号主要来自基底表面极少数的“热点”分子——约1%的分子贡献了超过70%的总信号强度。因此，“热点”不仅是电磁增强机制的核心载体，也是SERS技术实现超灵敏单分子检测的根本物理基础。电磁场增强机制基于分子与纳米颗粒的接触，可大幅增强目标分子的SERS信号，换句话说，分子与纳米金属表面的距离决定了分子SERS信号的强弱：距离越小，分子所在位置的局域电磁场强度越高，获得的SERS信号越强。由于电磁场增强机制局限于纳米颗粒表面附近区域，该区域内的局域电磁场强度随分子与纳米颗粒表面距离的增加呈指数衰减。
2.1.2 CM of SERS
化学增强主要源于分子与金属表面的相互作用，改变了分子的电子态从而增强拉曼散射信号。具体而言，当分子吸附于金属表面时，金属的自由电子与分子的电子云之间发生电荷转移（Charge Transfer, CT）与重分布，改变了分子部分振动模式的极化率，从而增强了对应振动模式的拉曼散射强度。化学增强是食品与环境抗生素残留SERS传感器的重要基础，抗生素分子与基底的能级匹配直接影响CT效率，进而影响SERS信号强度。在四环素-Ag体系中，当四环素分子与银基底的能级匹配良好时，二者之间可有效发生电荷转移，从而显著增强拉曼信号。这种CT过程不仅增强信号强度，还为抗生素分子检测提供特异性信息。分子取向对SERS信号强度的影响不容忽视：在磺胺类药物检测中，当其通过π–π堆积垂直吸附于基底表面时，SERS信号强度可提升10倍。这一现象可通过密度泛函理论模拟解释：模拟显示磺胺药物分子垂直吸附时，其分子轨道与基底表面的电子云分布匹配度更高，从而促进电荷转移与电磁场增强的协同作用，导致SERS信号显著增强。分子取向的优化提升了检测灵敏度，也为高性能SERS基底的设计提供了理论指导。基底设计是实现高效SERS检测的关键，为增强SERS信号，研究人员通常设计具有高比表面积与丰富“热点”的基底结构，金纳米颗粒（Au NPs）、银纳米颗粒（Ag NPs）及其复合材料被广泛用于SERS基底制备，这些纳米材料具有良好的等离子体共振效应，还可通过表面修饰进一步提升其与抗生素分子的相互作用。此外，多级腔体结构基底设计为SERS检测提供了新思路，Ag/ZnO/PDMS多级腔体结构基底通过结合腔体的等离子体效应与光学共振效应，显著提升了SERS信号的强度与稳定性。值得注意的是，电磁场增强是局限于倏逝场的远程效应，随探针分子与SERS基底距离的增加呈指数衰减；而化学增强是尺度上的短程效应，探针分子与基底之间存在直接相互作用。
2.1.3 Synergistic effect of EM and CM
SERS技术的增强机制主要包括电磁增强与化学增强，两种机制存在协同效应，共同作用实现拉曼信号的显著增强。双功能基底的设计可充分利用电磁场增强与化学增强的协同效应，实现更高的SERS信号增强因子（Enhancement Factor, EF）。Li等人通过静电自组装将带正电的Ag NPs与带负电的Ti3C2Tx混合，为基底创造了大量均匀的“热点”；由于待测分子与Ti3C2Tx的高亲和力，促进了分子间电荷转移，产生了显著的增强效果。Ti3C2Tx/Ag NPs基底成功制备后，研究人员利用R6G染料分子对其SERS活性进行研究，结果显示该基底可实现3.8×108的EF，且证实电磁增强与化学增强的耦合作用是Ti3C2Tx/Ag NPs复合基底性能优异的主要原因。Zhai等人进一步拓展了复合基底的设计理念，制备了再生三维ZnO/Ag@Au基底，通过调整金属与半导体金属氧化物的电子分布触发强电磁增强效应，并通过密度泛函理论与时域有限差分法验证了物理增强与化学增强的协同作用，将EF提升至1.48×109，进一步降低了检测限，为SERS传感器在实际复杂样品检测中的应用提供了更有力的技术支持。从Ti3C2Tx/Ag NPs到ZnO/Ag@Au的转变，体现了研究人员在材料选择与结构设计上的创新与优化，进一步推动了SERS传感器的性能提升。除上述金属-半导体复合结构设计思路外，Ag@MoS2核壳结构是典型的双功能基底：外层MoS2可与Ag形成异质结，实现有效的CT与重分布，增强分子极化效应；同时Ag核提供强局域电磁场，二者的协同作用使EF值提升两个数量级，相关研究已将EF值提升至108。这些研究丰富了SERS基底的设计思路，为高性能SERS传感器的开发提供了宝贵参考。
2.1.4 DFT calculations on adsorption orientation and SERS intensity
密度泛函理论（DFT）计算是揭示抗生素分子在SERS基底表面吸附行为与信号增强本质的重要理论工具。通过构建金属团簇（如Ag10–Ag20）或周期性平板模型，DFT可模拟抗生素分子在基底表面不同取向（水平或垂直）下的吸附构型，进一步计算体系的几何结构、振动频率、极化率及界面电荷转移特性。对于极化率的计算，DFT可获得分子的静态极化率张量（α）及其对简正坐标的一阶导数（∂α/∂Q），而拉曼散射强度与|∂α/∂Q|2成正比。研究表明，当抗生素分子垂直吸附时，其长轴方向的极化率变化通常更为显著，导致对应振动模式具有更大的拉曼散射截面，从而在SERS光谱中表现出更强的信号；相比之下，水平吸附时分子与金属表面的接触面积更小，极化率导数降低，信号强度通常降低约50%。对于电荷转移的计算，DFT可通过微分电荷密度、Bader电荷分析或Hirshfeld电荷布居等方法定量描述抗生素分子与基底之间的电子转移量，同时通过分析分子最高占据分子轨道（Highest Occupied Molecular Orbital, HOMO）与金属费米能级的相对位置评估电荷转移效率：当能级匹配良好时，光激发诱导的电子可从金属转移至分子未占据轨道或发生反向转移，显著增强特定振动模式的拉曼散射。在四环素-Ag体系与磺胺类药物的研究中，DFT模拟证实垂直吸附时分子轨道与基底电子云分布的重叠度更好，从而促进电荷转移与电磁场增强的协同作用。2017年中国科学院合肥物质科学研究院黄青教授团队在《The Journal of Physical Chemistry C》发表研究，以腺嘌呤为模型分子，提出了结合密度泛函理论计算与同位素标记SERS实验的新方法：团队首先在B3LYP/6-311+G(d,p)理论水平进行DFT计算，模拟腺嘌呤在银、金表面不同吸附构型的几何优化、吸附能与理论拉曼光谱；随后制备全15N标记的腺嘌呤并收集其在银、金纳米颗粒上的SERS实验光谱，通过比较理论模拟与实验测量的峰位、相对强度及同位素位移，证实腺嘌呤在银、金表面采用相同的吸附构型——具体为N7H腺嘌呤通过N3与N9位点与Ag4+/Au4+团簇相互作用。该方法也可拓展至抗生素体系：通过制备15N或2H标记的抗生素分子，可准确识别SERS光谱中的特征峰，确定抗生素在基底表面的具体吸附位点与取向。值得注意的是，除黄青团队的工作外，日本关西学院大学Takeshi Tanaka与Yukio Ozaki团队早在2003年就开创了“SERS光谱+DFT计算”的研究范式，以邻、间、对硝基苯胺为模型体系，利用DFT方法计算这些分子的静电性质、振动频率与拉曼散射强度，结合SERS实验发现尽管邻硝基苯胺与对硝基苯胺结构式相同，但取代基位置的差异导致分子偶极矩与极化率不同，从而在金属表面呈现不同的吸附取向，为后续采用DFT-SERS集成策略研究包括抗生素在内的药物分子吸附行为奠定了方法论基础。2023年意大利摩德纳-雷焦艾米利亚大学与佛罗伦萨大学的Maurizio Muniz-Miranda合作者在《Molecules》期刊发表综述，系统总结了DFT方法在SERS光谱模拟中的进展，重点关注DFT计算如何阐明吸附分子与金属基底之间的锚定机制、键合强度，以及吸附诱导的结构与电子性质变化。DFT计算为优化SERS基底设计、提升抗生素检测的灵敏度与选择性提供了关键理论指导，通过DFT模拟可预测各类抗生素分子在特定基底上的最优吸附取向，助力研究人员开发针对性的表面功能化策略，实现目标抗生素的高效捕获与信号增强。
2.2 SERS response characteristics of antibiotic molecules
SERS技术凭借超高灵敏度与分子指纹识别能力，在食品与环境抗生素残留检测中展现出巨大潜力。抗生素分子在SERS光谱中表现出独特的响应特征，主要源于其特定的官能团与分子结构：β-内酰胺类抗生素（如青霉素）的β-内酰胺环在拉曼光谱中产生特异性指纹峰，可作为鉴定与定量检测的依据；氨基糖苷类抗生素（如链霉素）的氨基糖苷结构也在特定拉曼位移处产生明显的振动模式，在SERS光谱中以特征峰形式呈现。分子的取向与吸附构型显著影响SERS信号强度，研究表明分子在基底表面的吸附模式直接影响拉曼信号的强度与稳定性：氟喹诺酮类抗生素水平吸附时的SERS信号强度比垂直吸附时低约50%，这种差异主要源于分子与基底之间的电磁场增强效应与化学增强效应的差异——水平吸附时分子与基底的接触面积较小，电磁场增强效应减弱；垂直吸附时分子与基底的接触面积更大，电磁场增强效应更强，从而产生更强的SERS信号。
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Innovative strategies for SERS substrate design
SERS基底是SERS技术不可或缺的核心组件，指可显著增强吸附于其表面或邻近区域的分子拉曼散射信号的特殊基底材料，使原本微弱的拉曼信号可被检测与分析。SERS基底的设计是实现高灵敏度检测的关键，近年来研究人员通过多种创新策略优化SERS基底的性能。
3.1 Selection of SERS substrate materials
SERS基底的活性直接影响其在实际检测中的灵敏度与检测限，因此制备高活性的SERS基底是SERS检测应用的关键。基于SERS增强理论，SERS检测过程涉及光子、分子与制备纳米结构三者之间耦合效应的复杂影响，通过调整基底结构可创造更多SERS“热点”，增强待测分子与SERS基底的相互作用，从而提升检测灵敏度。SERS基底主要由贵金属纳米材料、贵金属/半导体材料、复合/柔性基底构成，在基底材料制备研究中，通过调整材料尺寸、形貌、颗粒间距与材料复合可获得具有优异增强性能的基底。
3.1.1 Noble metal nanostructures
传统贵金属材料（如金、银、铜等）作为常用等离子体纳米结构，是常用的SERS基底材料。贵金属材料的局域表面等离子体更易被激发，且具有独特的光吸收特性，通过改变纳米半径、纳米材料形貌等条件可调整共振频率，实现对入射光的选择性吸收与散射。Nguyen等人建立基于Au NPs的美罗培南视觉检测与高灵敏度定量方法，该方法基于柠檬酸盐封端的Au NPs与美罗培南相互作用引起的聚集，导致Au NPs溶液颜色从红色变为蓝色，对应紫外-可见光谱最大吸收从520 nm移至660 nm，通过A660/A520吸光度比值与美罗培南浓度的对数线性关系可定量美罗培南，回收率达97.6–101.5%，相对标准偏差（Relative Standard Deviation, RSD）<4.5%，检测限（Limit of Detection, LOD）为0.06 mg L−1，进一步体现了贵金属材料在分析化学中的重要性。金、银、铜三种贵金属具有覆盖可见与近红外波长的特性，完全覆盖拉曼测试所需的波长范围，也提升了贵金属材料的SERS增强效果。通过改变贵金属基底的结构并优化粒径，可使SERS基底的检测信号强度最大化。Neng等人构建了基于Ag NPs薄膜的分子印迹聚合物（Molecularly Imprinted Polymers, MIPs）-SERS传感器，用于食品中恩诺沙星的选择性检测：通过在铜棒表面原位还原合成具有最佳SERS效应的Ag NPs层作为增强材料，再通过本体聚合制备包含包裹于Ag纳米颗粒薄膜表面的模板分子的目标MIPs（Ag NPs-MIPs），结果表明Ag NPs-MIPs可从复杂环境中特异性识别恩诺沙星，LOD为0.25 ng mL−1。但小尺寸贵金属的制备成本较高，且当贵金属粒径较小时，Au NPs与Ag NPs易发生团聚，影响基底的均匀性与重复性，限制了SERS检测技术在实际检测中的应用。基于贵金属材料的SERS基底形貌，可利用表面活性剂制备出多种形态的贵金属纳米颗粒：纳米棒、纳米线、纳米球、纳米星等。Diego M. Solis等人通过理论计算研究了不同形态贵金属纳米颗粒的增强效应，得出结论：非致密排列的简单形态结构具有更好的增强效果，而在单排列结构中，纳米星结构表现出更优的增强效果。Riswana Barveen等人通过光化学合成法在PMMA薄膜上制备Au纳米星（Au NSs）作为柔性SERS基底，用于抗生素的原位检测，所提出的柔性Au NSs/PMMA SERS基底对环丙沙星与氯霉素两种抗生素表现出优异的检测性能：高灵敏度、EF达2.03
