尖刺金纳米壳与磁性微电机的结合：一种新型SERS传感器用于Thiram及细菌的高灵敏检测

1. 引言

表面增强拉曼散射（SERS）是一种强大的光谱技术，利用等离子体纳米粒子、纳米结构或粗糙基底实现显著的信号增强，广泛应用于电化学、催化、生物医学检测、食品科学和环境科学等领域。当与微/纳米机器人结合时，SERS传感器可以实现动态移动，称为“动态热点”，适合原位检测。微/纳米机器人能够在低雷诺数流动中推进，并通过外部场或化学燃料提供动力，从而加速分析物的传输和富集，显著增强SERS信号。

本研究报道了一种带有尖刺金纳米壳的磁性微电机作为SERS传感器用于Thiram和细菌检测。图1A展示了在超顺磁微球（MB, Dynabead M-270, 直径约为2.7µm）上生长的尖状金纳米壳。随后，在70℃的高温下，加入聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为还原剂和稳定剂，将Ag(NH₃)²⁺还原为纳米银，避免使用其他强还原剂，如NaBH₄。从图1B可以看出，微球表面均匀地沉积了银纳米颗粒，平均尺寸约为几十纳米。接下来，Sanchez-Gaytan等人利用形状变形因子（NaBr）修改“介花”的配方，成功生长出尖状金纳米壳，制成MB@Ag@Au复合微球（图1C）。研究系统分析了NaBr、表面活性剂CTAC、还原剂抗坏血酸（AA）、AgNO₃和Au³⁺浓度的影响，并找到了优化的组合。从元素映射中可以看到银NP涂层后均匀的尖刺金纳米壳（图1D）。

图1. 尖粒金纳米壳生长后微球形貌的制备与表征。A).尖状微球制造原理图。B). MB@Ag微球的SEM图像。C).尖状金纳米壳生长后的尖状MB@Ag@Au微球的SEM图像。D).刺状微球TEM图像的元素映射。红色虚线圈表示生长在散装溶液中的金介花的吸附。

2. 结果与讨论

Spiky MB@Ag@Au微球的制备

由于微球表面丰富的银纳米粒子和金尖刺，这些尖刺状MB@Ag和MB@Ag@Au微球被认为是有前途的SERS传感器。研究中，微球使用4-氨基噻吩（4-ATP）作为拉曼报告分子进行测试，干燥后沉积在硅衬底上，并用785 nm激光采集拉曼光谱。结果显示，银的信号比金的信号更敏感，增强因子约为100倍。金尖状微球的检出限（LOD）可达10 nM，MB@Ag和MB@Ag@Au的线性工作范围分别为10⁻¹¹ ~ 10⁻⁸和10⁻⁹ ~ 10⁻⁷。此外，微球的均匀性和时间稳定性也得到了评估，MB@Ag@Au在八周后依然稳定（图2）。

在用4-ATP进行校准后，微电机传感器还被用于检测thiram，这是一种剧毒的杀菌剂。该传感器提供了灵敏和便捷的检测方法，适用于环境监测和水质检测。

图2. 校准MB@Ag （A， B， C， D）微球与尖状MB@Ag@Au微球（E， F， G， F）作为SERS传感器，使用4-ATP作为拉曼报告分子。A和E：不同4-ATP浓度下MB@Ag@Au和MB@Ag沉积底物的拉曼光谱。B和F：分别对MB@Ag@Au和MB@Ag沉积基底上的10个随机斑点进行一致性测试。C和G：拉曼强度@ 1080.5 cm⁻¹对不同4-ATP对数浓度（lg C）的校准曲线，分别来自A和E。D和H：来自B和F的10个随机点的拉曼强度@ 1080.5 cm⁻¹。

相对于4-ATP， MB@Ag@Au微球的thiram LOD保持不变，而MB@Ag微球的LOD则降低了2个数量级（图3）。与MB@Ag相比，MB@Ag@Au微球在低分析物浓度下拉曼信号的降解速度较慢，可能是由于表面结构分布不均一性导致信号不均一性

图3. 利用MB@Ag A，B)和MB@Ag@Au C，D)对thiram传感的表征。不同浓度（lg C）的A、C拉曼光谱；B和D拉曼强度@ 1376 cm⁻¹与不同硫的对数浓度（lg C）

尖状微球在不同基质上的可控推进

由于其磁响应性，MB@Ag和尖状MB@Ag@Au微球能够在外部磁场的操控下推进，这使它们成为有效的移动微电机。这种能力使得SERS微电机与简单的磁分析区分开来，后者控制能力较弱。尖状微球在外加三维磁场下旋转，结合x-y平面上的旋转磁场和z轴上的交流磁场，实现净推进。研究发现，随着重金属Ag/Au涂层的增加，尖状微球在玻璃基板上的推进速度比未修饰的微球降低了约2-3倍，而在水凝胶模拟的软基质上，推进速度比在玻璃基板上快约2-3倍（图4）。

此外，微球在不同介质中的推进速度也被测量，尽管在高粘度介质（如血浆）中几乎不动，但在含盐介质（如湖水或培养基）中表现良好，推进速度接近于在去离子水中的速度。这些结果表明，尖状微球具有良好的移动性和适应性，适合于实际应用。

图4. 三维磁场不同场组合下的推进速度

用于病原菌捕获和检测的移动传感器

基于标签的SERS标签技术可以通过三明治结构实现细菌细胞的分离和检测（图5）。尖状MB@Ag@Au微球能够同时完成这两项功能。当颗粒表面用聚乙烯亚胺（PEI）修饰后，可以通过静电相互作用捕获带负电荷的细菌细胞，如大肠杆菌，并在数小时内完成捕获。一旦捕获，致病菌可以通过拉曼光谱进行进一步表征，得到的光谱与其他SERS底物一致。此外，移动的SERS传感器可以精确控制推进方向，使微球能够接近沉积的细菌细胞，并通过场梯度控制接触程度。研究还表明，尖状微球在不同基底上的推进速度和时间稳定性得到了评估，结果显示其在检测细菌方面具有良好的性能和适应性。这种新型传感器为细菌检测提供了灵活且高效的方法。

图5. 微型机器人操作和细菌检测。A)接近细菌群（右侧），控制推进力MB@Ag（电影S1，辅助信息）。轨迹用红点标出。B)用MB@Ag@Au从散装溶液中分离细菌示意图。C)与MB@Ag@Au接触的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌细胞的拉曼光谱。

3. 总结

本研究设计了一种带有尖刺金纳米壳的磁性微电机作为SERS传感器用于Thiram和细菌检测。我们通过胶体表面修饰开发了使用尖状MB@Ag@Au微球的移动SERS传感器。这些传感器能够对LOD为10⁻⁸ mol L⁻¹的痕量水进行传感，也可以从溶液中捕获和浓缩致病菌。由于微电机的操纵推进，这些传感器可以以可控的接触程度接近沉积的细菌细胞。因此可以得到一个主要由嘌呤提取物组成的典型拉曼光谱。大肠杆菌和金黄色葡萄球菌等细菌可以通过拉曼光谱的独特指纹进一步区分，这种能力首先通过SERS微电机显示出来。与传统的无源传感器相比，我们的移动SERS传感器具有多种优势，包括组合传感和操作能力。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202405193