一种基于工程纳米间隙的SERS传感策略，用于超灵敏和选择性检测金黄色葡萄球菌

王文辉|张阳|薛珊珊|张鹏民|周瑞云|海拉·贾扬|赫沙姆·R·埃尔-塞迪|邹晓波|郭志明

江苏大学食品科学与工程学院，镇江212013，中国

摘要

金黄色葡萄球菌（S. aureus）是主要的食源性病原体，对公共卫生构成严重威胁，这凸显了开发超灵敏和快速检测策略的必要性。本文提出了一种基于纳米间隙工程和适配体介导的表面增强拉曼散射（SERS）生物传感器，通过结合富含纳米间隙的等离子体结构和封装的拉曼报告分子，实现了对S. aureus的高灵敏度和选择性检测。制备了经过金修饰的微球（MF@Au），其表面分布有密集的电磁热点，并用S. aureus特异性适配体进行功能化处理，从而能够高效捕获和富集复杂食品基质中的细菌。另一种等离子体纳米结构——含有4-巯基苯甲酸（4-MBA）的适配体修饰Au@Ag纳米颗粒——被组装成三明治型纳米结构，形成了大量均匀的纳米间隙，实现了强而稳定的拉曼放大效果。这种双重识别和双重放大机制显著提高了检测的特异性和选择性，而MF@Au的“富含纳米间隙”形态为内部编码的拉曼报告分子提供了丰富的热点，共同实现了高灵敏度的信号放大。该生物传感器具有宽动态范围和极低的检测限（1.91 CFU/mL）。其在添加了目标菌的牛奶和果汁样品中的实际应用效果得到了验证，回收率达到了91.2%–119.1%。该方法引入了一种稳健的高性能SERS平台，结合了结构工程和分子识别技术，实现了对食源性病原体的快速、超灵敏检测，显示出在食品安全监测中的巨大潜力。

引言

金黄色葡萄球菌（S. aureus）是最普遍且危险的食源性病原体之一（Lin等人，2024年；Wang等人，2022年；Zhao等人，2023年）。这种革兰氏阳性细菌具有极强的环境适应性，能耐受广泛的pH值范围和极端温度（Liang等人，2023年；Zhu等人，2021年），这使得它在食品加工和储存环境中能够持续存在。S. aureus几乎可以感染所有类型的组织，且某些菌株携带能够产生葡萄球菌肠毒素（SEs）的基因（Lin等人，2024年；Ma等人，2024年），这些毒素是急性食物中毒和多种严重食源性疾病的主要原因（Kadariya等人，2014年）。这些毒素可通过受污染的食品或水轻易传播。根据世界卫生组织（WHO）的数据，S. aureus相关感染每年导致近50万人死亡（Cui等人，2023年），这凸显了在食品安全监测中迫切需要快速、特异性和高度准确的检测方法。

传统的检测技术，如平板计数、酶联免疫吸附测定（ELISA）和聚合酶链反应（PCR），由于其稳健性和可重复性，仍被广泛使用（Hu等人，2021年；Huber等人，2021年；Zhang等人，2025年）。然而，这些方法存在劳动强度高、周转时间长以及样品处理过程中容易发生二次污染等局限性（Mi等人，2023年）。与此同时，检测细菌信号分子（如参与群体感应的N-乙酰-L-高丝氨酸内酯（AHLs）的方法已成为监测细菌污染和行为的替代策略（Acet等人，2021年；Acet & Odabaşı，2023年）。这些限制促使人们越来越关注基于生物传感器的技术，因为它们能够降低成本、实现设备微型化并提高分析精度（Gao等人，2025年）。其中，表面增强拉曼散射（SERS）由于其超高的灵敏度、操作简便性以及能够提供分子特异性指纹而特别适用于病原体检测（Itoh等人，2023年；Zhu等人，2021年）。SERS的这种卓越灵敏度源于等离子体基底和贵金属纳米结构在纳米尺度上产生的强烈电磁场增强效应（Jayan等人，2025年；Liu等人，2022年）。利用这种增强效应，SERS可以实现无标记识别和基于标签的细菌病原体检测，具有高分子特异性（Chen等人，2024年；Zhu等人，2023年）。基于标签的SERS策略在食源性病原体检测中显示出巨大潜力。通过将拉曼报告分子放置在“热点”附近，SERS标签能够产生强、稳定且可多重化的信号，支持高灵敏度的检测（Yin等人，2024年）。当这些标签与识别元件（如抗体、适配体等）结合使用时，即使在复杂的样品基质中也能实现选择性细菌识别，为高通量和现场食品安全监测提供了有力手段。

拉曼增强的程度取决于SERS基底的结构和材料特性（Guo等人，2024年；Yin等人，2024年；Zeng等人，2025年）。因此，人们投入了大量努力来设计具有尖锐尖端和边缘的等离子体纳米结构，以最大化“热点”的形成。复杂的三维结构（如纳米花和纳米星）确实可以提供强烈的增强效果（Chen等人，2024年；Wang等人，2024年；Zhang等人，2024年），但其实际应用受到纳米颗粒聚集、探针装载不均匀和信号重复性差的限制。为了解决这些问题，基于贵金属的核心-壳层纳米结构因具有优异的稳定性和可控的结构以及强大的SERS活性而受到越来越多的关注。在工程化的纳米间隙中嵌入拉曼报告分子，可以创建空间受限的内部标准，实现稳定和可重复的SERS增强效果，同时允许灵活的表面功能化（Chen等人，2023年；Yin等人，2026年）。在新兴的平台上，“富含纳米间隙”的金属组装体显示出巨大潜力。这些结构中的纳米级间隙能够产生异常强的电磁场，显著提升拉曼信号强度。三聚氰胺-甲醛（MF）微球因其出色的稳定性、低成本和易于制备而成为构建此类系统的理想支架。它们的高氮含量使其对金具有强亲和力，从而能够实现金纳米颗粒（AuNPs）的密集、均匀组装，无需复杂的表面预处理（Qin等人，2019年）。由此产生的MF@Au结构结合了丰富的等离子体纳米间隙和大颗粒尺寸，促进了高效的细菌捕获和分离，使其非常适合构建灵敏且多功能的SERS生物传感平台（Wen等人，2018年）。因此，将硫醇末端适配体连接到MF@Au上作为捕获探针，可以在分离和富集过程中实现S. aureus的快速高效检测。

本文开发了一种高灵敏度和选择性的SERS生物传感器，结合了富含纳米间隙的等离子体基底、内部编码的拉曼纳米标签和基于适配体的生物识别机制来检测S. aureus。首先，构建了MF@Au作为快速捕获和分离探针，提供了额外的电磁热点以增强SERS信号。其次，嵌入了4-巯基苯甲酸（4-MBA）的Au@Ag核心-壳层纳米结构（Au^4-MBA@AgNPs）作为稳定的拉曼纳米标签，进一步增强了拉曼信号。第三，使用S. aureus特异性适配体实现了高度选择性的识别。目标结合后，适配体修饰的MF@Au和Au^4-MBA@AgNPs捕获并标记细菌，形成三明治结构（MF@Au/S. aureus/Au^4-MBA@AgNPs），产生浓度依赖的拉曼响应。这种集成策略实现了强信号放大、优异的可重复性和稳健的特异性。总体而言，所提出的平台为检测复杂食品基质中的病原菌提供了快速、可靠且实用的解决方案。

部分摘录

试剂和仪器

实验材料、试剂、仪器和表征方法的详细信息见补充信息。

细菌培养和平板计数

细菌浓度通过标准平板计数方法确定。简要来说，细菌在37°C下、220 rpm的摇床条件下在Luria-Bertani（LB）无菌培养基中培养12小时。随后制备了一系列稀释的细菌悬液，并取100 μL细菌溶液均匀涂布在LB琼脂上

用于检测S. aureus的SERS生物传感器原理

图1展示了用于定量检测S. aureus的SERS生物传感器的工作原理，该传感器结合了适配体修饰的核心-壳层纳米颗粒（Au^4-MBA@AgNPs-apt）和金微球（MF@Au-apt）。如图1A所示，在加热条件下，三聚氰胺和甲醛形成了透明的MF预聚物。随后，Au³⁺离子通过酸催化的甲醛还原作用在MF表面原位生长，生成了MF@Au微球

结论

总之，本文合成了一种结合配体介导的分子识别和信号放大策略的SERS生物传感器。通过将MF@Au捕获探针与内部编码的Au^4-MBA@AgNPs协同整合，检测信号得到了最大化。研究结果表明，拉曼报告分子在核心-壳层间隙中的空间限制不仅大大增强了拉曼强度，超出了传统金属纳米颗粒所能达到的水平

CRediT作者贡献声明

郭志明：项目监督、项目管理、资金获取、概念构思。薛珊珊：正式分析。张鹏民：方法学。王文辉：撰写——初稿、软件开发、方法学研究、数据分析、数据整理。张阳：撰写——审稿与编辑、项目监督、方法学。赫沙姆·R·埃尔-塞迪：撰写——审稿与编辑。邹晓波：资源协调、概念构思。周瑞云：实验研究。海拉·贾扬：撰写——审稿与编辑

Chen等人，2024年；Frens，1973年；Zhang等人，2024年。

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利益冲突声明

本研究得到了国家自然科学基金（32472431，W2412103）、镇江科技计划（GJ2024009）以及江苏省的研究生研究与实践创新计划（KYCX25_4270）的资助。