多功能MoS2@AuNSs纳米薄片作为单细胞细菌检测和原位灭活的SERS和光热标签

病原细菌的灵敏检测和就地清除对于应对细菌感染和抗菌素耐药性威胁具有重要意义。在这项研究中，作者开发了一种“二合一”MoS2@AuNSs(纳米星)纳米片作为表面增强拉曼散射(SERS)和光热标签，用于敏感检测和原位灭活细菌和生物膜。MoS2@AuNSs纳米片具有优异的SERS活性和丰富的抗体连接位点，用于特异性细菌标记。结合双功能Fe3O4@Au作为磁捕获和拉曼内标(IS)底物，可将金黄色葡萄球菌从复杂的生物样品中分离出来，检测限为1 cell/mL，该SERS检测的可变系数可降至1.57%，比普通的夹心式磁性SERS生物传感器更敏感、更稳定。此外，MoS2@AuNSs纳米薄片具有显著的光热转换效率(43.41%)，808 nm激光处理后，游离金黄色葡萄球菌100%失活，生物膜99%失活。这项工作首次证明了MoS2@AuNSs纳米片在SERS传感和光热治疗方面的潜力。该方法可方便地实现各种样品中病原菌的单细胞水平原位诊断和清除。

上图为MoS2@AuNSs纳米薄片的制备和金黄色葡萄球菌检测和灭活的工作流程示意图。

如图a所示，二维MoS2纳米片可以通过阳离子聚乙烯亚胺(PEI)介导的静电自组装与AuNSs@DTNB (DTNB，拉曼分子作为检测信号报告者)组装，在纳米复合材料上修饰金黄色葡萄球菌特异性抗体形成SERS标签，用于金黄色葡萄球菌标记。得益于MoS2纳米片的大表面积，MoS2@AuNSs纳米片与胶体金纳米星相比具有优异的SERS强度和盐溶液稳定性。为了检测各种生物标本中的细菌，我们合成了金黄色葡萄球菌特异性抗体Fe3O4@Au，从复杂样品中捕获并分离金黄色葡萄球菌。在Fe3O4@Au上修饰拉曼分子4-MBA作为内标(IS)报告物。总的来说，对于基于磁分离的SERS生物传感器来说，夹在中间的Fe3O4/目标物/SERS标签的随机聚集不可避免地会引起SERS强度波动，因此SERS定量分析的可靠性仍然是一个挑战。比值法为解决信号波动问题提供了一种有效的方法。研究证实，采用以拉曼分子为内标(IS)的比例SERS策略可以明显降低环境聚集和随机聚集引起的信号偏差。

细菌检测和消除的工作流程如图b所示。首先，合成Fe3O4@Au@4-MBA (4-MBA，拉曼分子作为内标(IS)报告者)纳米颗粒，快速(~10 min)捕获和分离复杂样品中的金黄色葡萄球菌。磁分离后加入MoS2@AuNSs SERS标签对金黄色葡萄球菌进行标记。量化是由DTNB/4-MBA的SERS强度比决定的，因此，这种比率SERS策略可以减少批量测试产生的相对波动的SERS信号。此外，金黄色葡萄球菌上的MoS2@AuNSs粘附物光热转换效率高(43.41%)，在近红外照射下可诱导金黄色葡萄球菌温度升高，从而可同时对金黄色葡萄球菌进行光热灭活。因此，该研究首次探索了MoS2@AuNSs纳米薄片的SERS检测和光热治疗应用，基于本策略，可以快速轻松地实现单细胞水平的细菌检测和~100%的原位光热细菌和生物膜灭活。

结论：开发了“二合一”MoS2@AuNSs纳米片，用于细菌检测和原位灭活。通过结合MoS2@AuNSs纳米薄片优异的SERS活性、磁捕获和拉曼IS底物，可以从生物样品中特异性分离出单细胞金黄色葡萄球菌，且检测稳定性高(CV <5%)。在实际的牛奶和尿液样品中，检测结果与金标准“标准板计数”的检测结果一致，证实了本方法的可靠性。此外，基于MoS2@AuNSs纳米片的高光热转换效率(43.41%)，约100%的游离金黄色葡萄球菌和99%的金黄色葡萄球菌可以在15 min内被杀死。因此，MoS2@AuNSs纳米片可以为各种样品中的超灵敏SERS检测和原位消除细菌提供新的策略。此外，磁选和洗涤预处理操作简单，不需要专业技能和大型设备。因此，该快速、易操作、灵敏的检测方法有望在未来用于伤口感染的快速检测和现场治疗。

参考文献

Zhou, P., Cheng, S., li, Q., Pang, Y., & Xiao, R. (2023). Multifunctional MoS2@AuNSs nanoflakes as SERS and photothermal tags for single-cell bacterial detection and in-situ inactivation. Chemical Engineering Journal, 471. 144514.

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144514.