研究背景

细菌感染是威胁公众健康的重要因素，每年导致数以亿计的食源性疾病病例。快速、便捷且超灵敏地检测病原细菌对于细菌感染的早期诊断至关重要。然而，传统的检测方法如细菌培养、酶联免疫吸附测定和聚合酶链反应等，存在检测时间长、操作复杂、抗干扰能力低等局限性。

近日，山东大学的研究团队在《ACS Applied Nano Materials》期刊上发表了一项重要研究成果，开发出一种氧化酶样表面增强拉曼散射（SERS）三明治传感器，实现了细菌的超灵敏双模检测（SERS 和比色），为细菌检测领域带来了新的突破。

 传感器的设计与工作机制

该传感器由捕获模块和信号模块组成。捕获模块是经过细菌种类可识别适配体（Apt）修饰的氧化铁纳米颗粒（Fe₃O₄），能够高效富集痕量浓度的细菌。信号模块则是将等离子体金纳米颗粒（Au NPs）负载到氧化酶样介孔二氧化锰（MnO₂）纳米酶中，然后进行伴刀豆球蛋白 A（Con A）功能化，形成高强度的 SERS 热点。

其工作机制主要基于以下几点：信号模块能够将 SERS 非活性的 3,3',5,5'- 四甲基联苯胺（TMB）分子吸附到热点附近，并将其氧化为 SERS 活性的氧化 TMB（oxTMB），从而实现 SERS 信号的显著放大。同时，TMB 从无色到蓝色的颜色变化赋予了传感器比色传感能力，形成了双模检测优势。

当传感器与细菌组装后，这种三明治结构（捕获模块 - 细菌 - 信号模块）能够同时提供 SERS 和比色信号，实现对细菌的超灵敏检测和准确识别。

图1.用于超灵敏双模菌的氧化酶样 SERS 传感器的构建示意图检波

图 2.信号模块的综合和表征。（a） 信号模块合成及其对细菌的识别示意图。（b−d）MnO2、Au 和 MnO2−Au 的 SEM 图像。比例尺：200 nm。（e） MnO2−Au 的元素映射图像。比例尺：200 nm。（f、g）Au、MnO2 和 MnO2−Au 的 Zeta电位和 UV-vis-NIR 吸收光谱。（h） MnO2 和 MnO2−Au 的 XRD 图谱。MnO2−Au 的 （i） 宽扫描 XPS光谱，（j） O 1s XPS 光谱和 （k） Mn 2p XPS 光谱。（l） MACsurface 上基于 BCA 测定的 Con A 浓度定量。（m） MAC 细菌识别性能的 SEM 图像。比例尺：200 nm。

超灵敏双模检测性能

研究结果显示，该传感器对模型病原细菌金黄色葡萄球菌表现出超高的双模检测灵敏度：SERS 检测限为 7 CFU / 毫升，比色检测限为 30 CFU / 毫升。这种双模检测策略具有明显的优势：在高浓度细菌条件下，两种检测模式可以相互验证，提高结果的准确性；而在痕量细菌浓度下，即使比色检测难以识别，SERS 检测仍能实现超灵敏的细菌检测。

传感器的选择性同样表现出色。当检测金黄色葡萄球菌（10³ CFU / 毫升）与大肠杆菌（10⁵ CFU / 毫升）、铜绿假单胞菌（10⁵ CFU / 毫升）及其混合物时，只有金黄色葡萄球菌样本组显示出明显的 SERS 响应，而干扰细菌组的强度几乎与空白组相当。在比色检测中，也只有在金黄色葡萄球菌存在时，溶液才会变蓝，吸收值在 652nm 处增加，进一步验证了其优异的选择性。

图3.捕获模块的综合和表征。（a） 捕获模块合成及其细菌富集示意图。（b） Fe3O4 纳米颗粒的 SEM 图像。（c） Fe3O4 纳米颗粒的磁滞曲线。插图显示，Fe3O4 纳米颗粒可以在 Fe3O4 纳米颗粒的 1 min （d） FTIR 光谱内快速磁性分离。（e） Fe3O4 纳米颗粒和 FA 的紫外-可见光谱 （f） Fe3O4 纳米颗粒和 FA 的沸沸位 （g） Fe3O4 纳米颗粒和 FA 的流体动力学尺寸 （h） FA 捕获的细菌 SEM 图像 （i） FA 富集前后的细菌溶液培养板以及不同细菌浓度下 FA 的定量细菌富集效率。

实际样本检测与应用潜力

为了验证传感器在实际场景中的应用能力，研究团队对脓毒症血液样本进行了检测。实验中，将金黄色葡萄球菌注射到小鼠体内，9 小时后收集眶血并稀释成 1% 的血液样本。结果显示，传感器在这些真实样本中表现出良好的检测能力，SERS 信号没有干扰峰，比色结果也与金标准细菌培养法一致，回收率在 90% 至 105% 之间。

这种传感器的优势还体现在其良好的生物相容性上。即使在传感器浓度是细菌检测所用浓度四倍的情况下，也没有观察到明显的溶血现象，这为其在临床样本检测中的应用奠定了基础。

技术创新与未来展望

这项研究的创新之处在于将纳米酶的氧化酶活性与 SERS 技术巧妙结合，构建了一种具有双模检测能力的新型传感器。氧化酶样 MnO₂纳米酶不仅作为 SERS 热点的载体，还能催化 TMB 的氧化反应，实现信号的双重放大。

与传统的单模传感器相比，这种双模检测策略大大提高了检测的可靠性和适应性。例如，在高浓度细菌检测中，两种模式的结果可以相互校准；而在痕量检测中，SERS 模式则发挥了其超高灵敏度的优势。

从应用前景来看，这种传感器为细菌感染的早期临床诊断提供了一种极具潜力的新工具。特别是在脓毒症等需要快速准确诊断的疾病中，其快速检测能力（整个检测过程可在较短时间内完成）和高灵敏度能够为患者的及时治疗争取宝贵时间。

未来的研究可以进一步优化传感器的结构和性能，例如通过改进纳米酶的制备方法提高 SERS 热点的密度和稳定性，或者开发针对其他病原细菌的特异性适配体，拓展传感器的检测范围。此外，将传感器与便携式检测设备结合，有望实现现场快速检测，进一步推动其在临床和食品安全监测等领域的实际应用。

总之，这种纳米酶赋能的 SERS 双模传感器为细菌检测领域带来了新的技术思路和方法，其优异的性能和广泛的应用前景使其成为保障公众健康的有力工具。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsanm.5c01030