《Food Chemistry》：A multifunctional Ag@AuNFs/PB/SPE substrate for sensitive ratiometric EC-SERS detection of carbendazim
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比率电化学SERS技术基于银金纳米花/普鲁士蓝/印刷电极多功能基底，通过?0.6 V电势调控增强多菌灵的范德华力吸附和信号，检测灵敏度达3.7 nM，较传统SERS提升9.3倍。
江欢|秦世一|尹青春|张思航|韩宇|刘家伟|陈一平|吴龙
海南大学食品科学与工程学院，国家市场监督管理总局热带果蔬质量安全重点实验室，海口570228，中国
摘要
表面增强拉曼散射（SERS）是痕量分析的一种有前景的替代方法，但其潜力主要受到目标物质与基底亲和力弱、复杂基质干扰以及信号波动的限制。本研究开发了一种用于检测 Carbendazim（CBZ）的比率电化学（EC）-SERS平台，并制备了一种银@金纳米花/普鲁士蓝/丝网印刷电极（Ag@AuNFs/PB/SPE）基底。利用 Ag@AuNFs/PB/SPE 的多功能性，该 EC-SERS 平台实现了对 CBZ 的电增强吸附和自校准检测。实验和理论模拟均表明，施加 -0.6 V 的电位显著增强了 CBZ 与 Ag 纳米粒子之间的范德华（vdW）力，促进了在“热点”区域的 CBZ 有效富集。与传统比率 SERS 方法相比，这种最佳电位使 CBZ 的 SERS 信号提高了 3.8 倍。相应地，比率 EC-SERS 平台的检测限为 3.7 nM，比比率 SERS（34.5 nM）的灵敏度提高了 9.3 倍。因此，多功能 Ag@AuNFs/PB/SPE 基底促进了 SERS 技术在实际应用场景中的发展。
引言
Carbendazim（CBZ）是一种广谱苯并咪唑类杀菌剂，由于其有效的抗真菌病能力，被广泛用于水果、蔬菜和谷物等作物的栽培和采后保存（Bak?rc? 等，2014；Temgoua 等，2021）。然而，其在环境中的持久稳定性和生物累积潜力可能导致农产品中残留过多。毒理学研究表明，长期摄入含有 CBZ 残留物的食物会干扰人体内分泌系统和细胞代谢，甚至可能引发肝毒性和基因毒性（Velraj 等，2025）。因此，开发具有高灵敏度、准确性和实用性的 CBZ 检测技术已成为食品安全领域的迫切需求（?zcan 等，2021）。目前，主流的 CBZ 残留物检测方法包括高效液相色谱-质谱（HPLC-MS）（Zheng 等，2022）、气相色谱-串联质谱（GC–MS/MS）（H. Li 等，2021）和酶联免疫吸附测定（ELISA）（C. Chen 等，2024）。尽管这些方法可以满足痕量检测的要求，但它们存在操作程序复杂、耗时较长以及依赖昂贵仪器等固有缺点，这限制了其在实际食品安全监测中的应用（Huang & Xu，2025）。
表面增强拉曼散射（SERS）作为一种先进的分析技术，在痕量污染物监测中崭露头角（Beeram 等，2023）。凭借超高的灵敏度、固有的分子指纹识别能力和快速响应性，它在食品、环境和生物样品中的化学残留物痕量分析中显示出巨大潜力（K. Chen 等，2014；Wei 等，2024）。局部表面等离子体共振（LSPR）源于贵金属纳米材料中的表面自由电子在外部电磁场激发下的集体振荡（Oh 等，2024；Wu 等，2024）。在 LSPR 激发下，这些表面自由电子发生相干集体振荡，从而在相邻纳米结构之间的纳米级间隙（“热点”）内产生强增强的局部电磁场（Langer 等，2019；Q. Zhao 等，2022）。吸附在这些“热点”附近的分子会显示出大幅放大的拉曼信号（X. Zhao 等，2024），这是 SERS 具有痕量检测能力的基础。然而，当目标分子与 SERS 基底的亲和力较弱时，目标分析物无法自发吸附到基底表面并在热点区域有效积累（H. Liu 等，2025）。这一内在限制从根本上限制了 SERS 检测策略的实际性能。此外，复杂食品基质的干扰可能会掩盖 SERS 信号（Wu, Mao 等，2025）。当目标污染物处于超痕量水平时，这一问题尤为明显，从而严重削弱了无标记 SERS 检测方法的可靠性和灵敏度。因此，迫切需要开发一种方法，既能有效捕获在复杂样品基质中对等离子体表面亲和力较弱的分析物，又能校准 SERS 强度波动，以提高定量分析的可重复性，从而最小化复杂基质的干扰。为此，我们开发了一种多功能银@金纳米花/普鲁士蓝/丝网印刷电极（Ag@AuNFs/PB/SPE）基底，该基底集成了内标（IS）（J. Li 等，2022；Zhang, Li 等，2024）、SERS 检测和电化学调制功能。这种多功能基底促进了分析物的有效捕获，并显著提高了检测灵敏度。
比率 SERS 传感器已成为一种极具前景的分析平台（J. Liu 等，2020；Zhang, Zhang 等，2023）。其核心优势在于，在原位 SERS 检测后，内标 IS 信号可以作为可靠的参考，有效校正由测量条件和基底异质性引起的 SERS 信号波动（Fan & Brolo，2025），从而显著提高传感器的检测重复性和准确性。为了实现这样的分析平台，已经开发了结合贵金属纳米颗粒与 IS 的纳米复合基底，这些基底具有强大的电磁增强和自校准能力，这对于实现灵敏和稳定的检测至关重要。例如，Li 等人（S. Li 等，2023）证明，在 Au@Ag 核壳 SERS 基底中加入 5,5′-二硫代二硝基苯甲酸（DTNB）作为 IS 可以有效校正由于聚集状态和测量条件变化引起的信号波动，从而提高 4-巯基苯甲酸（4-MBA）的定量 SERS 分析的可靠性。此外，合成的 Ag@4-MBN@Ag 纳米阵列为溴氰菊酯的检测提供了更多且稳定的热点，并保护了 4-MBN 分子（IS）免受浸出，从而提高了信号稳定性（Zhang, Chen 等，2024）。类似地，多功能 Fe?O?@Ag@COF 纳米复合基底能够有效富集甲基氨基磷（Qin 等，2024）。COF 涂层既作为富集目标分子的平台，也作为分离复杂基质中杂质的手段，并作为 IS。这种基底对真实茶叶样品的检测表现出高灵敏度和选择性。
多功能基底的设计对于有效捕获目标分析和校准 SERS 信号至关重要。值得注意的是，研究人员发现施加的电场可以调节目标分析物与基底表面之间的相互作用（Hendricks-Leukes 等，2022；Moldovan 等，2024），从而缩短检测时间并提高检测灵敏度（Wu, Sun 等，2025）。例如，在受控电位条件下，增强含有巯基的 alpha-胎蛋白（AFP）适配体（修饰有亚甲蓝（MB）与化学传感器界面之间的耦合效率，显著缩短了孵育时间（Ding 等，2024），从而促进了生物传感器的商业化。通过对金电极施加 -0.4 V 的电压，肉碱分子垂直吸附到电极表面，显著缩短了分析物与金基底之间的距离（Tan 等，2025），从而提高了检测灵敏度。此外，表 S1 中提供了关于 EC-SERS 方法及其分析性能的各种报告的总结。研究表明，这项技术已成功应用于各种食品污染物的痕量检测。受这些研究的启发，将 IS 与电化学调制创新结合为开发高效和稳定的检测策略提供了新的思路。
在这项工作中，我们开发了一种新型的电压调节自校准多孔 SERS 平台，用于敏感和准确检测 CBZ。多功能 Ag@AuNFs/PB/SPE SERS 基底是通过逐步电沉积技术制备的，如图 1a 所示。Ag@AuNFs 具有独特的花状形态，形成了高密度的“热点”区域，这些区域将 CBZ 的拉曼信号放大了几个数量级。PB 作为“参考信号”（Zhou 等，2021），通过计算目标峰与内参峰之间的 SERS 强度比 I1227/I2169，可以校正基底批次变化和激光强度波动等干扰（Y. Lu 等，2024；Zhang 等，2025）。Ag@AuNFs/PB/SPE 基底同时作为工作电极、固相微萃取（SPME）吸附剂和 SERS 基底（图 1b）。通过结合实验研究和密度泛函理论（DFT）计算，本工作系统地阐明了电位调节主要调节目标分子与基底表面之间的范德华（vdW）力。施加 -0.6 V 的电位显著增强了 vdW 相互作用，从而促进了 CBZ 的有效吸附。与未施加电位的比率 SERS 相比，SERS 信号强度和检测灵敏度分别提高了 3.8 倍和 9.3 倍。所提出的比率 EC-SERS 方法能够有效富集和校准复杂基质中桃子和 Vitis vinifera（L.）Walp. 样本中的 CBZ 的 SERS 信号。这项工作为食品安全风险监测的稳健 SERS 平台开发提供了新的见解。
材料
Carbendazim（C9H9N3O2，98%）、三水合金(III)氯化物（HAuCl4·3H2O，99.9%）和 4-巯基苯甲酸（4-MBA，95%）均购自 Macklin Biochemical Co., Ltd.（上海，中国）。所有实验均使用去离子水。电极（CE）、工作电极（WE）和参比电极（RE）分别用 JC-2110 低电阻导电碳浆（LRCP）和 Ag/AgCl 墨水进行丝网印刷。这些材料均购自深圳市杰永成科技有限公司。
Ag@AuNFs/PB/SPE 的表征
首先通过标准丝网印刷工艺制备了 SPE，然后通过逐层电沉积构建了 Ag@AuNFs/PB/SPE 复合材料作为活性 SERS 基底。如图 1a 和 b 所示，与原始分层 SPE 的相对平坦表面相比，沉积的 PB/SPE 显示出规则且密集堆积的立方结构，平均边长约为 52.10 nm（图 S1a）。为了评估 PB 沉积的均匀性和重复性，
结论
总结来说，我们基于 Ag@AuNFs/PB/SPE 基底开发了一种比率 EC-SERS 平台，用于高效和稳定地检测 CBZ。这一成就得益于 Ag@AuNFs/PB/SPE 的多功能性，它既作为 SPME 吸附剂从复杂基质中提取 CBZ，又作为工作电极/SERS 活性基底进行电增强富集和原位检测。在施加 -0.6 V 的电位下，CBZ 的 SERS 信号相比未施加电位时增强了 3.8 倍。
CRediT 作者贡献声明
江欢：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学。秦世一：方法学，研究。尹青春：验证。张思航：撰写 – 审稿与编辑，研究。韩宇：可视化。刘家伟：验证，方法学。陈一平：可视化。吴龙：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了 国家自然科学基金（42388101 和 32360622）、海南省院士创新平台（YSPTZX202152）、国家市场监督管理总局热带果蔬质量安全重点实验室开放项目（TDYJ-2024003、KF-2025001）以及 湖北省自然科学基金（2024AFB426）的支持。
