細(xì)菌感染是威脅公眾健康的重要因素，每年導(dǎo)致數(shù)以億計(jì)的食源性疾病病例?？焖佟⒈憬萸页`敏地檢測病原細(xì)菌對(duì)于細(xì)菌感染的早期診斷至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的檢測方法如細(xì)菌培養(yǎng)、酶聯(lián)免疫吸附測定和聚合酶鏈反應(yīng)等，存在檢測時(shí)間長、操作復(fù)雜、抗干擾能力低等局限性。
近日，山東大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在《ACS Applied Nano Materials》期刊上發(fā)表了一項(xiàng)重要研究成果，開發(fā)出一種氧化酶樣表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）三明治傳感器，實(shí)現(xiàn)了細(xì)菌的超靈敏雙模檢測（SERS 和比色），為細(xì)菌檢測領(lǐng)域帶來了新的突破。
傳感器的設(shè)計(jì)與工作機(jī)制
該傳感器由捕獲模塊和信號(hào)模塊組成。捕獲模塊是經(jīng)過細(xì)菌種類可識(shí)別適配體（Apt）修飾的氧化鐵納米顆粒（Fe?O?），能夠高效富集痕量濃度的細(xì)菌。信號(hào)模塊則是將等離子體金納米顆粒（Au NPs）負(fù)載到氧化酶樣介孔二氧化錳（MnO?）納米酶中，然后進(jìn)行伴刀豆球蛋白 A（Con A）功能化，形成高強(qiáng)度的 SERS 熱點(diǎn)。
其工作機(jī)制主要基于以下幾點(diǎn)：信號(hào)模塊能夠?qū)?SERS 非活性的 3,3',5,5'- 四甲基聯(lián)苯胺（TMB）分子吸附到熱點(diǎn)附近，并將其氧化為 SERS 活性的氧化 TMB（oxTMB），從而實(shí)現(xiàn) SERS 信號(hào)的顯著放大。同時(shí)，TMB 從無色到藍(lán)色的顏色變化賦予了傳感器比色傳感能力，形成了雙模檢測優(yōu)勢。
當(dāng)傳感器與細(xì)菌組裝后，這種三明治結(jié)構(gòu)（捕獲模塊 - 細(xì)菌 - 信號(hào)模塊）能夠同時(shí)提供 SERS 和比色信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)菌的超靈敏檢測和準(zhǔn)確識(shí)別。
圖1.用于超靈敏雙模菌的氧化酶樣 SERS 傳感器的構(gòu)建示意圖檢波
圖 2.信號(hào)模塊的綜合和表征。（a） 信號(hào)模塊合成及其對(duì)細(xì)菌的識(shí)別示意圖。（b?d）MnO2、Au 和 MnO2?Au 的 SEM 圖像。比例尺：200 nm。（e） MnO2?Au 的元素映射圖像。比例尺：200 nm。（f、g）Au、MnO2 和 MnO2?Au 的 Zeta電位和 UV-vis-NIR 吸收光譜。（h） MnO2 和 MnO2?Au 的 XRD 圖譜。MnO2?Au 的 （i） 寬掃描 XPS光譜，（j） O 1s XPS 光譜和 （k） Mn 2p XPS 光譜。（l） MACsurface 上基于 BCA 測定的 Con A 濃度定量。（m） MAC 細(xì)菌識(shí)別性能的 SEM 圖像。比例尺：200 nm。
超靈敏雙模檢測性能
研究結(jié)果顯示，該傳感器對(duì)模型病原細(xì)菌金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出超高的雙模檢測靈敏度：SERS 檢測限為 7 CFU / 毫升，比色檢測限為 30 CFU / 毫升。這種雙模檢測策略具有明顯的優(yōu)勢：在高濃度細(xì)菌條件下，兩種檢測模式可以相互驗(yàn)證，提高結(jié)果的準(zhǔn)確性；而在痕量細(xì)菌濃度下，即使比色檢測難以識(shí)別，SERS 檢測仍能實(shí)現(xiàn)超靈敏的細(xì)菌檢測。
傳感器的選擇性同樣表現(xiàn)出色。當(dāng)檢測金黃色葡萄球菌（103 CFU / 毫升）與大腸桿菌（10? CFU / 毫升）、銅綠假單胞菌（10? CFU / 毫升）及其混合物時(shí)，只有金黃色葡萄球菌樣本組顯示出明顯的 SERS 響應(yīng)，而干擾細(xì)菌組的強(qiáng)度幾乎與空白組相當(dāng)。在比色檢測中，也只有在金黃色葡萄球菌存在時(shí)，溶液才會(huì)變藍(lán)，吸收值在 652nm 處增加，進(jìn)一步驗(yàn)證了其優(yōu)異的選擇性。
圖3.捕獲模塊的綜合和表征。（a） 捕獲模塊合成及其細(xì)菌富集示意圖。（b） Fe3O4 納米顆粒的 SEM 圖像。（c） Fe3O4 納米顆粒的磁滯曲線。插圖顯示，F(xiàn)e3O4 納米顆?？梢栽?Fe3O4 納米顆粒的 1 min （d） FTIR 光譜內(nèi)快速磁性分離。（e） Fe3O4 納米顆粒和 FA 的紫外-可見光譜 （f） Fe3O4 納米顆粒和 FA 的沸沸位 （g） Fe3O4 納米顆粒和 FA 的流體動(dòng)力學(xué)尺寸 （h） FA 捕獲的細(xì)菌 SEM 圖像 （i） FA 富集前后的細(xì)菌溶液培養(yǎng)板以及不同細(xì)菌濃度下 FA 的定量細(xì)菌富集效率。
實(shí)際樣本檢測與應(yīng)用潛力
為了驗(yàn)證傳感器在實(shí)際場景中的應(yīng)用能力，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)膿毒癥血液樣本進(jìn)行了檢測。實(shí)驗(yàn)中，將金黃色葡萄球菌注射到小鼠體內(nèi)，9 小時(shí)后收集眶血并稀釋成 1% 的血液樣本。結(jié)果顯示，傳感器在這些真實(shí)樣本中表現(xiàn)出良好的檢測能力，SERS 信號(hào)沒有干擾峰，比色結(jié)果也與金標(biāo)準(zhǔn)細(xì)菌培養(yǎng)法一致，回收率在 90% 至 105% 之間。
這種傳感器的優(yōu)勢還體現(xiàn)在其良好的生物相容性上。即使在傳感器濃度是細(xì)菌檢測所用濃度四倍的情況下，也沒有觀察到明顯的溶血現(xiàn)象，這為其在臨床樣本檢測中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
技術(shù)創(chuàng)新與未來展望
這項(xiàng)研究的創(chuàng)新之處在于將納米酶的氧化酶活性與 SERS 技術(shù)巧妙結(jié)合，構(gòu)建了一種具有雙模檢測能力的新型傳感器。氧化酶樣 MnO?納米酶不僅作為 SERS 熱點(diǎn)的載體，還能催化 TMB 的氧化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的雙重放大。
與傳統(tǒng)的單模傳感器相比，這種雙模檢測策略大大提高了檢測的可靠性和適應(yīng)性。例如，在高濃度細(xì)菌檢測中，兩種模式的結(jié)果可以相互校準(zhǔn)；而在痕量檢測中，SERS 模式則發(fā)揮了其超高靈敏度的優(yōu)勢。
從應(yīng)用前景來看，這種傳感器為細(xì)菌感染的早期臨床診斷提供了一種極具潛力的新工具。特別是在膿毒癥等需要快速準(zhǔn)確診斷的疾病中，其快速檢測能力（整個(gè)檢測過程可在較短時(shí)間內(nèi)完成）和高靈敏度能夠?yàn)榛颊叩募皶r(shí)治療爭取寶貴時(shí)間。
未來的研究可以進(jìn)一步優(yōu)化傳感器的結(jié)構(gòu)和性能，例如通過改進(jìn)納米酶的制備方法提高 SERS 熱點(diǎn)的密度和穩(wěn)定性，或者開發(fā)針對(duì)其他病原細(xì)菌的特異性適配體，拓展傳感器的檢測范圍。此外，將傳感器與便攜式檢測設(shè)備結(jié)合，有望實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測，進(jìn)一步推動(dòng)其在臨床和食品安全監(jiān)測等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。
總之，這種納米酶賦能的 SERS 雙模傳感器為細(xì)菌檢測領(lǐng)域帶來了新的技術(shù)思路和方法，其優(yōu)異的性能和廣泛的應(yīng)用前景使其成為保障公眾健康的有力工具。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsanm.5c01030
來源：微生物安全與健康網(wǎng)，作者~李康倩。
