大肠杆菌 O157:H7 是志贺毒素产生型大肠杆菌中的重要血清型，也是全球范围内备受关注的食源性致病菌之一。自 20 世纪 80 年代被确认以来，该菌因可通过受污染农产品、未充分加热肉制品以及粪口传播途径进入食物链，而持续对食品安全和公共卫生构成威胁。与一般大肠杆菌相比，O157:H7 的致病剂量极低，仅 10 至 100 个细胞便可能引发感染，临床表现可由出血性结肠炎发展至危及生命的溶血性尿毒综合征。更重要的是，该菌能够在非生物表面形成生物膜，并在胁迫条件下进入活的不可培养状态，从而增加了常规检测和控制的难度。因此，建立一种既能快速检测又能有效抑制该菌的新平台，具有明显现实意义。

现阶段，针对大肠杆菌 O157:H7 的金标准培养法通常需要 3 至 4 d 才能获得明确结果，这显然无法满足现场快速筛查和实时预警的需求。虽然 PCR、ELISA、DNAFoil、电化学发光免疫分析等方法也被用于病原检测，但这些技术普遍存在样品前处理复杂、操作步骤繁琐、设备要求较高等问题，在实际食品样品中的推广仍受到一定限制。因此，从食品安全实时监管的角度出发，开发一种快速、准确、特异、便携，并且适用于复杂基质的检测体系，始终是这一领域的重要研究方向。

表面增强拉曼散射技术因能够利用局域表面等离子体共振显著增强弱拉曼散射信号，被认为是实现超灵敏快速检测的重要工具。其最大优势在于不仅具备高灵敏度，还能够在复杂样品中实现较快、无损和高选择性的分析，因此在病原检测、食品监测和生物传感领域展现出广阔前景。传统上，银和金等贵金属纳米颗粒是最常用的 SERS 基底，但其成本较高，在实际推广中受到一定制约。近年来，半导体与贵金属复合材料因兼具电荷转移效应和电磁场增强效应而重新受到重视。尤其是氧化亚铜作为一种价格低、环境友好且结构可控的半导体材料，不仅具有较好的 SERS 活性潜力，同时也具备一定的抗菌能力，因此被视为构建检测-抑菌一体化平台的理想候选。

本研究的核心创新点就在于将氧化亚铜与银纳米颗粒结合，制备出兼具 SERS 增强效应和抗菌能力的 Cu₂O@Ag 复合纳米材料，并进一步与抗体功能化磁珠结合，建立三明治型 SERS 检测体系。研究目标并不局限于提高检测灵敏度，而是试图同时解决当前病原检测中的三个关键问题：一是传统贵金属 SERS 基底成本较高且抗菌能力有限；二是实际食品样品中病原菌浓度低且基质复杂，容易引发非特异吸附和信号干扰；三是现场检测设备和操作流程仍偏复杂，不利于快速应用。正因如此，本研究从材料构建、信号增强、样品富集到功能集成多个层面展开设计，最终形成了一个面向实际食品样品的多功能平台。

如图1所示，本研究首先建立了一个基于 SERS 的三明治型检测平台，用于特异性识别并抑制目标细菌。研究者将银包覆氧化亚铜纳米颗粒作为拉曼信号探针，并在其表面修饰拉曼报告分子 IR-808 和检测抗体；与此同时，磁珠表面连接捕获抗体。当样品中存在大肠杆菌 O157:H7 时，抗原-抗体高亲和识别促使磁珠、细菌和 Cu₂O@Ag 探针组装成三明治结构，从而在目标存在时显著增强拉曼信号。研究还指出，Cu₂O 与 Ag 之间的电荷转移作用以及 IR-808 与 785 nm 激光之间的共振耦合作用，共同构成了高灵敏检测的物理基础。除了检测功能外，Cu₂O 作为传统无机抗污材料，本身还具备良好抗菌潜力，因此这一平台天然具有“检测 + 控制”的双重特征。

图1. 所构建的 SERS 三明治检测平台原理示意图，用于特异性细菌的检测与抑制。

在材料构建方面，本研究首先通过改进的 PVP 介导法制备规则多面体 Cu₂O 纳米颗粒，然后进一步利用原位生长方式在其表面负载银纳米颗粒，得到 Cu₂O@Ag 复合探针。研究认为，这种复合结构的意义不仅在于简单叠加两种材料，而在于通过半导体与贵金属之间的能级差促进电荷转移，从而显著提升整体光学活性与局域电磁场增强能力。与此同时，Cu₂O 与 Ag 的复合也有助于强化材料的协同抗菌性能，为后续“检测 + 抑菌”一体化应用打下基础。

如图2所示，本研究对 SERS 探针进行了较为全面的表征。图2a展示了 Cu₂O@Ag 纳米颗粒的合成路线，图2b和图2c分别展示了 Cu₂O 纳米颗粒及 Cu₂O@Ag 纳米颗粒的扫描电镜形貌。结果显示，所制备的 Cu₂O 纳米颗粒具有规则多面体结构和平整表面，可为银纳米颗粒的均匀生长提供丰富位点；在引入银之后，Ag 纳米颗粒能够较均匀地分布在 Cu₂O 表面，这对于后续 SERS 信号稳定性具有重要作用。图2d给出了 Cu₂O 与 Cu₂O@Ag 的紫外-可见吸收光谱，显示在银修饰后主吸收峰由 646 nm 红移至 654 nm，说明复合结构的形成改变了材料的光学性质。图2e则通过 zeta 电位变化证明检测抗体和捕获抗体分别成功连接到 Cu₂O@Ag 探针和磁珠表面。进一步的 FDTD 模拟结果如图2f和图2g所示，相比纯 Cu₂O，负载致密 Ag 纳米颗粒后的 Cu₂O@Ag 可产生更强的局域电磁耦合，其 |Emax|² 值显著提高，为后续超灵敏拉曼检测提供了关键支持。

图2. SERS 探针的表征结果。（a）Cu₂O@Ag 纳米颗粒的合成过程示意图。（b）Cu₂O 纳米颗粒的扫描电子显微镜图像。（c）Cu₂O@Ag 纳米颗粒的扫描电子显微镜图像。（d）Cu₂O 纳米颗粒（黑色）和 Cu₂O@Ag 纳米颗粒（红色）的紫外-可见吸收光谱。（e）Cu₂O 纳米颗粒、Cu₂O@Ag@Ab、磁珠以及 MB@Ab 的 zeta 电位。（f）Cu₂O 纳米颗粒在 785 nm 光源下的 FDTD 电磁场分布模拟结果。（g）Cu₂O@Ag 纳米颗粒在 785 nm 光源下的 FDTD 电磁场分布模拟结果。

在完成材料制备后，本研究进一步对 SERS 检测平台的多个关键参数进行了优化，以获得更强的拉曼信号和更高的检测灵敏度。优化内容包括拉曼报告分子 IR-808 的用量、检测抗体和捕获抗体的修饰量、探针与细菌孵育时间，以及 Cu₂O@Ag@Ab 和 MB@Ab 的投加量。研究发现，随着 IR-808 加入量从 2 μL 增加至 8 μL，拉曼信号逐渐增强，但继续增加则会因颗粒在离心过程中聚集而导致信号下降，因此 8 μL 被选为最佳条件。检测抗体和捕获抗体的最佳修饰量则分别为 150 μL 和 80 μL，在这一条件下，三明治复合物形成效率最高，信号最强。

如图3所示，这一系列优化过程被系统呈现出来。图3a至图3f分别显示了 IR-808 用量、检测抗体用量、捕获抗体用量、孵育时间、Cu₂O@Ag@Ab 浓度以及 MB@Ab 浓度对 SERS 信号的影响。研究指出，随着抗体修饰量增加，三明治复合物形成更充分，信号持续增强，但在达到饱和后继续增加并不会带来显著收益。对于孵育时间，虽然 40 min 可获得更高强度信号，但考虑到快速检测需求，最终选择 20 min 作为后续实验条件，因为此时已经能够在检测效率与操作速度之间取得较好平衡。在探针和磁珠浓度选择上，研究特别注意控制空白信号上升问题，避免因过量颗粒带来的非特异碰撞和洗涤残留而增加假阳性风险。

图3. SERS 检测平台的条件优化结果。（a）IR-808 用量的影响。（b）检测抗体用量的影响。（c）捕获抗体用量的影响。（d）孵育时间的影响。（e）Cu₂O@Ag@Ab 用量的影响。（f）MB@Ab 用量的影响。

在完成条件优化后，本研究进一步评估了所构建 SERS 三明治平台的检测性能。研究使用 PBS 配制 1、5、10、10²、10³ 和 10⁴ CFU/mL 的标准菌液，并以 525 cm⁻¹ 处的峰面积作为定量指标。结果显示，IR-808 的 SERS 信号会随着大肠杆菌 O157:H7 浓度增加而显著增强，并且在低至 1 CFU/mL 时仍可实现稳定检测，这说明该方法具有极高灵敏度。研究进一步建立了细菌浓度对数与拉曼信号强度之间的线性关系，得到较好的线性相关性，表明该平台不仅适合定性检测，也具备进一步定量分析潜力。

如图4所示，本研究进一步展示了标准样品检测、线性关系、重复性以及选择性评价结果。图4a显示不同浓度标准样品的 SERS 光谱，图4b给出 525 cm⁻¹ 峰面积与细菌浓度对数之间的相关关系，图4c反映 5 个批次、30 个随机点位的信号重复性，图4d则比较了对多种常见细菌的响应差异。为了考察特异性，研究选用了副溶血弧菌、鼠伤寒沙门菌、金黄色葡萄球菌、单核细胞增生李斯特菌以及大肠杆菌 K12 等常见干扰菌株，并统一以比目标菌更高的浓度进行检测。结果表明，所建立平台对大肠杆菌 O157:H7 的响应至少比其他菌株高出 100 倍，且无明显交叉反应，说明其具有优良特异性。

图4. 所建立 SERS 三明治平台的检测性能。（a）不同浓度标准样品的 SERS 光谱。（b）525 cm⁻¹ 峰面积与细菌浓度对数之间的相关关系。（c）来自 5 个独立批次、30 个随机点位的 SERS 信号结果。（d）平台对常见细菌的 SERS 响应结果。注：大肠杆菌 O157:H7 的浓度为 10⁴ CFU/mL，其余细菌浓度统一为 10⁶ CFU/mL；*** 表示与其他菌株相比存在极显著差异。

为了验证该平台在实际食品样品中的应用能力，本研究进一步选择市售牛奶样品开展加标检测。研究者通过人工加标方式制备不同浓度的大肠杆菌 O157:H7 污染牛奶样品，并将样品由 4 mL 预浓缩至 200 μL 后用于 SERS 分析。实验结果表明，复杂牛奶基质对检测信号几乎没有明显干扰，说明该平台具有较好的抗基质影响能力。更重要的是，在牛奶样品中，该方法仍然实现了 1 CFU/mL 的超低检出限，且在 1−10⁴ CFU/mL 范围内保持良好的线性响应关系。这表明该平台并非只适合简单缓冲液环境，而是真正具备进入实际食品样品检测的能力。

如图5所示，研究对牛奶样品中的检测结果进行了更完整展示。图5a给出了污染牛奶中 SERS 三明治检测平台的示意图，图5b以等高线形式展示了不同菌浓度下牛奶样品的 SERS 光谱变化，图5c展示了 525 cm⁻¹ 峰面积与细菌浓度对数的线性关系，图5d给出了来自 5 个独立批次、30 个随机点的重复性结果，图5e则比较了不同品牌牛奶样品中的检测表现。统计分析表明，不同品牌牛奶之间不存在显著差异，说明该平台对常见商品化乳制品具有较好的适用性。这一点非常关键，因为食品样品中的蛋白质、脂肪和矿物质差异往往会引起信号偏移，而该研究结果说明这一平台对实际乳品品牌差异具有较强耐受性。

图5. 牛奶样品中大肠杆菌 O157:H7 的检测结果。（a）污染牛奶样品的 SERS 三明治检测平台示意图。（b）不同浓度污染牛奶样品的 SERS 光谱。注：该图为 SERS 光谱等高线表示，纵坐标代表细菌浓度，颜色梯度代表信号强度。（c）525 cm⁻¹ 峰面积与大肠杆菌 O157:H7 浓度对数之间的相关关系。（d）牛奶样品中来自 5 个独立批次、30 个随机点位的 525 cm⁻¹ SERS 信号结果。（e）不同品牌牛奶中大肠杆菌 O157:H7 诱导的 525 cm⁻¹ SERS 信号结果。

除了高灵敏检测外，本研究还特别强调了 Cu₂O@Ag 复合材料的内在抗菌能力。研究者将其与细菌悬液直接混合，并通过肉眼观察培养液浑浊程度、测量 24 h 内 OD₆₀₀ 变化、两倍梯度稀释法测定最低抑菌浓度以及平板计数等方式，对其抗菌性能进行了较为系统的评价。结果显示，加入 Cu₂O@Ag 纳米颗粒后，原本在对照组中明显增殖并形成浑浊的细菌悬液在实验组中保持相对澄清，说明材料对细菌生长具有显著抑制作用。

如图6所示，本研究从多个角度展示了 Cu₂O@Ag 的抗菌性能。图6a反映 PBS 与 Cu₂O@Ag 处理组中 OD₆₀₀ 的变化差异；图6b和图6c分别给出了大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在处理前后 24 h 的 OD₆₀₀ 变化；图6d和图6e比较了 Ag NPs、Cu₂O NPs 和 Cu₂O@Ag NPs 对两种菌的存活率影响；图6f则通过平板计数更直观地展示了不同处理组的抑菌结果。结果显示，Cu₂O@Ag 的抗菌效果优于单独的 Ag NPs 或 Cu₂O NPs，表明二者复合后产生了明显协同作用。研究进一步推测，这一现象与 Ag 引入后在 Cu₂O 表面形成肖特基势垒、促进催化过程和活性氧生成有关，进而增强了对细胞壁和细胞膜的破坏作用。

图6. Cu₂O@Ag 纳米颗粒的体外抗菌实验结果。（a）PBS 与 Cu₂O@Ag NPs 处理组中 OD₆₀₀ 的变化。（b）大肠杆菌在处理前后 24 h 的 OD₆₀₀ 变化。（c）金黄色葡萄球菌在处理前后 24 h 的 OD₆₀₀ 变化。（d）Ag NPs、Cu₂O NPs 和 Cu₂O@Ag NPs 对大肠杆菌的菌体存活率影响。（e）Ag NPs、Cu₂O NPs 和 Cu₂O@Ag NPs 对金黄色葡萄球菌的菌体存活率影响。（f）相同细菌浓度条件下，不同材料处理后大肠杆菌的平板菌落计数结果：f₁ 为 PBS 对照组，f₂ 为 Ag NPs 组，f₃ 为 Cu₂O NPs 组，f₄ 为 Cu₂O@Ag NPs 组。

此外，这一平台面向实际样品设计的思路也较为明确。研究者并未仅停留在 PBS 标准体系，而是进一步进入牛奶这一复杂实际基质中进行验证，并通过品牌差异实验说明其适用性较强。这意味着平台未来若进一步优化稳定性、操作流程和批量制备工艺，就更有可能向便携式、低成本和现场化方向推进。论文结论也指出，后续工作将聚焦于提升在更复杂食品基质中的稳定性、简化检测操作、拓展至沙门菌和李斯特菌等其他典型食源性病原菌，并探索 Cu₂O@Ag 纳米颗粒的大规模低成本制备，以提升其商业化潜力。

综上所述，本研究成功构建了一个面向大肠杆菌 O157:H7 的多功能 Cu₂O@Ag 探针平台，实现了高灵敏快速检测与材料内在抑菌功能的集成。基于抗体功能化的三明治 SERS 体系，该平台可在污染牛奶中 22 min 内完成检测，检出限低至 1 CFU/mL，同时 Cu₂O@Ag 纳米颗粒对大肠杆菌 O157:H7 和金黄色葡萄球菌分别表现出 62.5 μg/mL 和 125 μg/mL 的最低抑菌浓度。凭借较高灵敏度、优异特异性、较强重复性以及检测-抑菌一体化优势，该平台为食品中食源性病原菌的现场监测与控制提供了新的技术方案，也为未来多功能食品安全传感材料的发展提供了重要参考。

论文来源：https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2026.149293