SERS（表面增强Raman散射）与监督学习技术在废水样本中用于轮状病毒概念验证检测的应用

《Biosensors and Bioelectronics》：SERS and Supervised Learning for Proof-of-Concept Rotavirus Detection in Wastewater Matrices

　　

A. 米兰|A. 达维诺|V. 马尔凯萨诺|I.S. 佩罗塔|B. 吉尔卡皮|D. 萨涅利|M. 里帕|L. 周|G. 皮卡齐奥|G. 富斯科|L. 佩蒂

应用科学与智能系统研究所，CNR，Via Campi Flegrei 34，那不勒斯，80072，意大利

摘要

轮状病毒是全球急性胃肠炎的主要原因之一，其在废水中的监测是早期发现疫情和公共卫生监测的宝贵工具。在这项工作中，我们致力于开发一种快速、灵敏且成本效益高的传感平台，能够在不使用耗时的分子扩增技术的情况下检测废水中的轮状病毒。

为此，我们开发了一种基于表面增强拉曼散射（SERS）的生物传感器，该传感器使用通过马兰戈尼效应驱动的液-液自组装制备的大面积等离子体基底。这些基底经过单克隆抗轮状病毒抗体的功能化处理，并从对照样品和实际废水基质中获取了SERS光谱。随后使用基于支持向量机（SVM）的监督机器学习方法对光谱数据进行了处理和分类。

SERS基底表现出高均匀性、可重复性、长期稳定性和低制造成本。这种经过抗体功能化的生物传感器能够灵敏且选择性地检测轮状病毒，在磷酸盐缓冲盐水中检测限为3.9 TCID₅₀/mL，并且具有明显的剂量依赖性响应。当应用于废水样品时，自动化的SERS-SVM分类平均准确率为0.89，Cohen’s κ值为0.79，证明了轮状病毒阳性样本和阴性样本之间的稳健区分。这些结果突显了所提出的SERS-机器学习平台在可扩展、快速基于废水的病毒监测方面的潜力。

引言

近年来，全球卫生格局越来越受到对强大环境监测和早期预警系统需求的塑造，以减轻病毒疫情的影响。有效的公共卫生准备现在依赖于能够在非临床环境中识别威胁的集成监测策略，例如高风险环境生态位或通过宏基因组群体筛查。这些主动方法对于管理新兴的全球健康威胁以及像轮状病毒这样的已确立的病原体的传播至关重要（Abbasi, 2026, 2025a, 2025b）。

轮状病毒是急性胃肠炎的主要原因，尤其是在儿童和其他脆弱人群中。在与人类感染相关的不同血清群中，A组轮状病毒最为普遍，它导致了大多数临床相关病例（Crawford et al., 2017a; ECDC, 2023; Hallowell et al., 2022）。轮状病毒A在感染个体的粪便中以高浓度排出，并表现出显著的环境稳定性，加上其对传统废水处理过程的抵抗力，使其在水环境中持续存在（Carter, 2005; Dennehy, 2008）。尽管在高收入国家广泛实施了疫苗接种计划，但由于其高传染性和环境持久性，轮状病毒仍然是一个全球性问题。受污染的水是重要的传播途径，轮状病毒在处理前后都曾在市政废水中被反复检测到，有可能进入地表水和其他环境区域。因此，持续监测废水对于评估处理效率和支持病毒在人群中的早期预警策略至关重要（CDC, 2025; Clark et al., 2019; Crawford et al., 2017b; Du et al., 2022; Sattar et al., 1984）。从环境监测的角度来看，轮状病毒也被认为是水质的一个有价值指标，因为它在水基质中的稳定性、对消毒剂的抵抗力以及与人类粪便污染的强关联（Adriaenssens et al., 2018; Omatola and Olaniran, 2022）。然而，由于病毒浓度低和基质的复杂性，在废水中检测轮状病毒仍然具有挑战性。传统的分析方法，包括基于PCR的技术、测序、ELISA和细胞培养测定，依赖于劳动密集型工作流程、昂贵的仪器和专业人员，这限制了它们在快速、现场或大规模监测应用中的适用性（Adriaenssens et al., 2018）。为了应对这些限制，人们探索了替代的生物传感方法。基于局部表面等离子体共振（LSPR）和免疫测定平台的等离子体纳米传感器已在受控条件下显示出检测临床相关浓度轮状病毒的能力（Li et al., 2019; M. Rippa et al., 2017）。然而，开发结合高灵敏度、在复杂基质中的稳健性以及与快速和可扩展的环境监测兼容性的传感策略仍然是一个未解决的挑战。

表面增强拉曼光谱（SERS）因其高灵敏度和通过局部表面等离子体共振提供独特分子指纹的能力而成为一种有前景的方法。当纳米粒子紧密排列时，会形成电磁“热点”，显著增强拉曼信号。基底设计和纳米粒子组织至关重要。通过Langmuir-Blodgett（LB）技术组装成密集单层的金纳米粒子确保了热点分布的均匀性、信号的可重复性和灵敏度的提高（D’Avino et al., 2025; Tahghighi et al., 2020）。通过调整尺寸、形状和排列等参数，SERS平台可以在痕量水平上检测病原体和代谢物，作为无标记系统运行，避免了外部染料或标签的复杂性（Alahi and Mukhopadhyay, 2017; Chen et al., 2015; D’Avino et al., 2026; Hamm et al., 2019; Lai et al., 2015; Liu et al., 2015; Pandey et al., 2021; Rajkovic et al., 2020; M. Rippa et al., 2017; Saravanan et al., 2021; Scaramuzza et al., 2019; Tiryaki et al., 2024; Zhou et al., 2022, 2020; Zhu et al., 2022）

虽然SERS在检测复杂基质中的病毒和细菌目标方面显示出潜力，但其应用于环境样品中的轮状病毒仍然有限。诸如样品预处理、信号可重复性和定量解释等挑战仍然存在，这突显了需要集成分析策略（Guilcapi et al., 2026; Srivastava et al., 2024a; Yang et al., 2025）。支持向量机（SVMs）通过高效分析复杂光谱、定义最大化类别分离的决策边界，并即使在高维或非线性数据集中也能实现可靠分类，提供了解决方案（M and Sadashivappa, 2020）。将SERS与SVMs结合使用可以增强分析物的识别，并支持开发稳健、用户友好的检测平台（S. He et al., 2025; Srivastava et al., 2024b）。

在这项研究中，我们展示了一种自下而上的SERS传感器，该传感器基于低成本、易于组装的金纳米粒子，用于在废水中灵敏地检测轮状病毒。通过集成用于自动存在/缺失分类的监督学习算法，该平台消除了对专业光谱知识的需求。这种方法提供了一种快速、可重复且可扩展的废水监测工具，支持治疗优化和病毒释放的早期预警，有助于提高公共卫生决策和疫情预防。

部分摘录

化学品

四氯金酸氢盐（III）三水合物（HAuCl₄·3H₂O）、柠檬酸三钠（Na₃C₆H₅O₇·2H₂O，99%）和甲苯购自Carlo Erba Reagents。4-巯基苯甲酸（4MBA，99%）、磷酸盐缓冲盐水（PBS，pH 7.4，液体）和p型Si（100）晶圆（掺硼，电阻率0.7–1.3 Ω·cm）购自Sigma-Aldrich。硫酸（H₂SO₄，90–98%）来自Alfa Aesar，而过氧化氢（H₂O₂，30%）来自VWR Chemicals。牛血清白蛋白（BSA）也获得了

结果与讨论

本研究中使用的平台核心是一种由单分散金纳米粒子通过马兰戈尼效应驱动的液-液界面过程自组装成大面积单层的等离子体基底。这一过程产生了具有最小聚集的均匀薄膜，最大化了用于拉曼信号放大的电磁热点（Zhou et al., 2023）

基底具有高度的可重复性和时间稳定性，在三次使用后4MBA信号仅减少了10%

结论

在这项工作中，我们使用基于SERS的生物传感平台和监督数据分析，证明了在实际废水样品中灵敏地检测轮状病毒的能力。经过抗体功能化的等离子体基底提供了可重复的病毒拉曼指纹，能够在不进行核酸扩增或复杂样品制备的情况下直接识别轮状病毒。该系统在受控条件下达到了3.9 TCID₅₀/mL（2.7 PFU/mL）的检测限

CRediT作者贡献声明

卢周：撰写 – 审稿与编辑，方法学。马西莫·里帕：撰写 – 审稿与编辑，方法学。乔瓦娜·富斯科：资源，方法学。杰拉尔多·皮卡齐奥：资源，方法学。伊万·萨尔瓦托雷·佩罗塔：方法学。瓦伦蒂娜·马尔凯萨诺：撰写 – 审稿与编辑，验证，方法学。多梅尼科·萨涅利：撰写 – 审稿与编辑，调查。布莱恩·吉尔卡皮：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。阿玛利亚·达维诺：撰写 – 原稿，方法学，数据管理。亚历西亚

未引用参考文献

He et al., 2025; M and Sadashivappa, 2020; Rippa et al., 2017.

利益冲突声明

作者声明没有可能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“EMDAS-环境移动数据采集系统”项目的支持，该项目属于坎帕尼亚地区计划FESR（2021-2027）。该项目专注于开发一种用于监测可能对渔业、水资源、畜牧业和农业地区产生影响的病原体的环境监测系统。作者衷心感谢OPUS S.p.A.提供用于本研究的废水样品，以及安东尼奥·皮佐兰特博士在样品收集方面的宝贵帮助