纳米酶助力的SERS传感器：开启超灵敏细菌检测双模新时代

研究背景

细菌感染一直是全球公共卫生的重大挑战，早期精准检测对于控制感染传播至关重要。然而，传统检测方法往往耗时且操作复杂。近年来，表面增强拉曼散射（SERS）技术凭借其快速、灵敏的特点在生物检测领域崭露头角。本文介绍了一种基于纳米酶的SERS传感器，它能够实现对细菌的超灵敏双模检测，为临床快速诊断细菌感染提供了新的思路。

独特的双模检测原理

该传感器由捕获模块和信号模块组成。捕获模块利用修饰有细菌特异性核酸适配体的磁性氧化铁纳米颗粒，能够高效富集低浓度细菌。信号模块则将具有氧化酶样活性的介孔二氧化锰（MnO₂）纳米酶与金纳米颗粒相结合，通过催化反应将SERS非活性的无色底物TMB转化为SERS活性的蓝色产物oxTMB，从而在产生显著SERS信号增强的同时，也具备了比色检测能力。这种双模检测策略不仅提高了检测灵敏度，还增强了结果的可靠性。

图 1.用于超灵敏双模式细菌检测的氧化酶样SERS传感器结构示意图

氧化酶样活性与SERS信号放大

氧化酶样活性：MnO₂-Au展现出类似氧化酶的活性，能够将无色的TMB催化氧化为蓝色的oxTMB，并在652 nm处产生明显的吸收峰。动力学分析表明，MnO₂-Au的最大反应速率（V_max）为0.28 μM/s，底物亲和力（Km）为140.55 μM。

SERS信号放大：MnO₂-Au能够显著增强SERS信号。实验表明，oxTMB在1601 cm⁻¹处的拉曼峰强度远高于TMB，且MnO₂-Au的SERS增强因子达到5.872×10⁷。

图 2.MnO₂−Au 的氧化酶样活性及其对 SERS 信号的放大性能

捕获模块的合成与表征

Fe₃O₄纳米颗粒的合成：通过水热法合成了具有均匀尺寸的Fe₃O₄纳米颗粒，其磁饱和值为51.7 emu/g，能够在1分钟内通过外部磁场完全分离。

功能化修饰：通过共价结合的方式将金黄色葡萄球菌特异性核酸适配体（Apt）修饰到Fe₃O₄纳米颗粒表面，成功制备了捕获模块（FA）。修饰后的FA对S. aureus具有高效的富集能力，富集效率接近80%。

图 3.捕获模块的合成与表征

双模检测性能

检测灵敏度：在人工样本中，传感器对S. aureus的SERS检测限为7 CFU/mL，比色检测限为30 CFU/mL。SERS模式下，oxTMB的特征峰强度与细菌浓度的对数呈良好的线性关系（R²=0.985）；比色模式下，溶液的吸光度与细菌浓度的对数也呈线性关系（R²=0.95）。

选择性与重复性：传感器对S. aureus具有高度的选择性，即使在含有其他干扰细菌的混合样本中，也仅对S. aureus产生明显的SERS和比色响应。此外，不同批次传感器的SERS和比色信号重复性良好，相对标准偏差分别为5.8%和5.1%。

图 4.传感器在人工样本中的 SERS 和比色双模检测性能

双模检测的优势

高浓度与痕量检测：在高浓度（10⁴ CFU/mL）和痕量（10 CFU/mL）细菌样本中，双模传感器均表现出良好的检测性能。在高浓度条件下，SERS和比色信号均能准确反映细菌浓度，与金标准细菌培养法的回收率分别为95%和89%；在痕量条件下，尽管比色信号不明显，但SERS信号仍能准确检测到细菌，回收率为90%。

图 5.双模检测优势的验证

临床样本检测

败血症血样检测：在败血症小鼠模型中，传感器能够快速、准确地检测出血样中的细菌。SERS和比色检测结果与金标准细菌培养法一致，回收率在90%到105%之间，证明了该传感器在实际临床样本中的应用潜力。

图 6.使用双模传感器检测败血症小鼠中的细菌

结论

这种基于纳米酶的SERS-比色双模传感器为细菌感染的早期诊断提供了一种快速、灵敏且准确的新方法。其独特的双模检测机制不仅拓宽了检测的应用场景，还通过两种模式的相互验证提高了检测结果的可信度。未来，随着技术的进一步优化和成本降低，有望在临床诊断、食品安全检测等多个领域得到广泛应用，为公共卫生安全和疾病防控贡献力量。

DOI: 10.1021/acsanm.5c01030