微流控-SERS平台：快速检测食品中大肠杆菌的新技术

引言

食品安全是全球关注的重要议题，尤其是食品中可能存在的致病微生物。大肠杆菌（Escherichia coli）作为一种常见的食品污染物，常引发严重的食源性疾病。传统的检测方法通常繁琐且耗时，难以满足快速检测的需求。近期，研究人员开发了一种新型微流控-SERS（表面增强拉曼散射）平台，能够在食品中快速、灵敏地检测大肠杆菌，为食品安全提供了新的解决方案。

微流控技术的优势

微流控技术通过将液体在微米级别的通道中精确控制，能够实现高效的混合和反应。该技术的核心在于其微小的尺寸，使得反应物的接触面积增大，从而加速反应速率。在食品检测中，微流控技术不仅可以减少样品和试剂的使用量，还能提高检测的灵敏度和准确性。

SERS技术的应用

表面增强拉曼散射（SERS）是一种高灵敏度的光谱分析技术，能够检测到极低浓度的分子。通过在金属纳米颗粒的表面增强拉曼信号，SERS可以提供丰富的分子信息。结合微流控技术，SERS的应用范围得到了极大的扩展，尤其是在食品安全检测领域。

新型微流控-SERS平台的设计

研究团队设计了一种Y型交叉蛇形微流控通道，能够实现银纳米颗粒（AgNPs）的原位合成。该平台通过特定的适配体与大肠杆菌细胞结合，指导AgNPs的合成，确保了检测的特异性和准确性。实验结果表明，该方法的检测限为1.1 CFU/mL，线性检测范围从10²到10⁸ CFU/mL，显示出优越的灵敏度。

实验过程与结果

1. 纳米颗粒的合成

在微流控通道中，研究人员通过将银硝酸盐（AgNO₃）和硼氢化钠（NaBH₄）混合，实现了AgNPs的原位合成。该过程的关键在于控制反应条件，以避免纳米颗粒的聚集和堵塞。通过调节流速和反应物浓度，研究人员成功合成了形态均匀的银纳米颗粒。

图1 A）适配体引导细胞表面银纳米颗粒原位合成的示意图；B）在不同浓度NaBH₄溶液中，被适配体包被的细胞（10⁶ CFU/mL）的表面增强拉曼光谱（SERS）；C）大肠杆菌细胞在最佳条件下的SERS光谱及谱带归属（“Cell + Ag”指与预合成银纳米颗粒混合的细胞，而“Cell@Ag”表示在有细胞但无适配体存在的情况下合成的银纳米颗粒）；D）原位合成银纳米颗粒后，被适配体包被的大肠杆菌细胞的扫描电子显微镜（SEM）图像；E）人工染色的SEM图像，显示银纳米颗粒（黄色）附着在被适配体包被的大肠杆菌细胞（紫色）上；F）从大肠杆菌细胞10个不同位置和3个不同批次收集的SERS光谱（插图：765 cm^-1峰处的相应强度）；G）用适配体并原位合成银纳米颗粒后收集的金黄色葡萄球菌的SERS光谱。 

2. 检测大肠杆菌的灵敏度

在对大肠杆菌的检测中，研究人员将适配体与细胞结合后，通过微流控-SERS平台进行分析。实验结果显示，即使在最低浓度（10² CFU/mL）下，特征峰依然清晰可见，表明该方法具有极高的灵敏度。通过对不同浓度样品的拉曼光谱进行分析，研究人员建立了浓度与信号强度之间的线性关系。

图2 A）不同浓度（范围从10²至10⁸ CFU/mL）的大肠杆菌细胞的表面增强拉曼光谱（SERS）；B）不同浓度大肠杆菌细胞的SERS光谱等高线图；C）不同细胞浓度下765 cm^-1峰强度的回归分析曲线；D）从生菜样本中提取的、不同浓度（范围从10²至10⁸ CFU/mL）的大肠杆菌细胞的SERS光谱。 

3. 食品样品中的应用

为了验证该技术在实际食品中的应用，研究团队选择了生菜作为检测样品。通过将大肠杆菌接种于生菜表面，研究人员成功提取并检测了细菌，结果显示该方法在复杂食品基质中同样有效，进一步证明了其在食品安全监测中的潜力。

表1 本研究开发的技术与其他用于食品中大肠杆菌检测的表面增强拉曼光谱（SERS）方法的分析性能对比

未来展望

随着食品安全问题的日益严重，快速、灵敏的检测技术显得尤为重要。微流控-SERS平台的成功开发为食品中致病微生物的检测提供了新的思路。未来，研究人员可以进一步优化微流控通道的设计，以适应更多类型的食品样品，拓宽该技术的应用范围。

结论

新型微流控-SERS平台的开发，不仅提升了大肠杆菌的检测灵敏度和特异性，也为食品安全检测提供了快速、有效的解决方案。随着技术的不断进步，期待这一平台能够在实际应用中发挥更大的作用，为保障食品安全贡献力量。

参考文献：

Jayan H, Zhou R, Zheng Y, et al. Microfluidic-SERS platform with in-situ nanoparticle synthesis for rapid E. coli detection in food[J]. Food Chemistry, 2025: 142800.