快速检测致命细菌！新型纳米试纸条20分钟锁定食品中的大肠杆菌O157:H7

原创

来源：蔡伟程

2025-08-29 09:25:42

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核心提示：本研究开发了一种基于WS2-Auᴰᵀᴺᴮ纳米标签的表面增强拉曼散射免疫层析试纸条（SERS-ICA），用于食品中大肠杆菌O157:H7的超灵敏检测。创新点在于利用WS₂纳米片负载金纳米颗粒形成双机制增强基底（化学+电磁），结合DTNB拉曼信号分子，突破传统试纸条的灵敏度瓶颈。

研究背景：食品安全检测的迫切需求

大肠杆菌O157:H7是一种高致病性食源性病原体，可通过污染肉类、乳制品等引发致命性出血性腹泻和溶血性尿毒综合征。传统检测方法（如培养法需2-3天，PCR/ELISA依赖实验室设备）难以满足现场快速筛查需求。尽管免疫层析试纸条（ICA）具备低成本、易操作等优势，但传统胶体金标记ICA的灵敏度低（>10⁴ CFU/mL）且无法定量，亟需技术创新。

创新点：WS₂-Au纳米标签颠覆传统检测技术

中国检科院与北京工业大学联合团队开发了一种新型WS₂-Auᴰᵀᴺᴮ SERS纳米标签，突破传统ICA局限：

1. 材料设计创新：

利用二维材料WS₂纳米片的大比表面积（图1a）作为载体，负载金纳米颗粒（AuNPs）形成密集“SERS热点”（图1b-d）；

图1 所制备的二硫化钨 - 金（WS₂-Au）复合物的表征。（a）二硫化钨（WS₂）和（b）二硫化钨 - 金（WS₂-Au）的透射电子显微镜（TEM）图像。（c）二硫化钨（WS₂）表面金纳米颗粒（AuNPs）的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像。（d）二硫化钨 - 金（WS₂-Au）的能量色散 X 射线（EDX）元素（钨、硫、金及合并） mapping 图像。

通过硫-金键耦合DTNB拉曼信号分子，实现电磁-化学双增强机制，信号强度较纯金纳米颗粒提升10⁶倍。

2. 检测流程优化：

纳米标签与目标菌结合后，通过试纸条层析捕获（图2b），20分钟内完成检测；

拉曼光谱仪读取T线DTNB特征峰（1329 cm⁻¹），实现可视化定性+精准定量双输出。

图2 表面增强拉曼散射免疫层析检测法（SERS-ICA）的制备流程示意图。（a）二硫化钨 - 金 - 5,5'- 二硫代双（2 - 硝基苯甲酸）（WS₂-Auᵈᵀᴺᴮ）表面增强拉曼散射纳米标签的制备及抗体修饰过程。（b）用于大肠杆菌 O157:H7 检测的免疫层析试纸条检测流程。

研究成果：灵敏度提升100倍，实际样本验证可靠

1. 超高灵敏度与宽线性范围：

检测限低至175 CFU/mL（比传统ICA提升100倍），线性范围跨越7个数量级（8×10⁰–8×10⁶ CFU/mL）（图3c）；

肉眼可视阈值达8×10³ CFU/mL（图3a），SERS定量结果与菌浓度对数呈强线性相关（R²=0.9954）。

图3（a）表面增强拉曼散射免疫层析法（SERS-ICA）检测不同浓度大肠杆菌 O157:H7 标准菌液的图像。（b）不同浓度大肠杆菌 O157:H7 的表面增强拉曼散射（SERS）光谱。（c）1329 cm⁻¹ 处的表面增强拉曼散射（SERS）信号强度随大肠杆菌 O157:H7 浓度的对数值呈线性增长。

2. 卓越特异性与稳定性：

对8种常见病原体（如沙门氏菌、李斯特菌）无交叉反应（图4a-b）；

批内/批间重复测试RSD<9.1%，满足实际应用需求（图4c-d）。

图4所研发的免疫层析法（ICA）检测大肠杆菌 O157:H7 的特异性和重复性。（a）9 种不同细菌对应的试纸条数字照片。（b）1329 cm⁻¹ 处对应的拉曼强度。（c）9 次大肠杆菌 O157:H7 检测的表面增强拉曼散射（SERS）信号。（d）三批不同试纸条在 1329 cm⁻¹ 处的表面增强拉曼散射（SERS）强度。

3. 实际样本验证成功：

在牛奶、猪肉中添加目标菌，回收率达86.8–117.6%（RSD<9.52%），证明抗基质干扰能力强（图5）。

图5 基于二硫化钨 - 金（WS₂-Au）的免疫层析法（ICA）检测（a）牛奶和（b）猪肉样品中大肠杆菌 O157:H7 的实用性测试。

讨论：为何是颠覆性突破？

1. 双机制增强信号：WS₂的化学增强与AuNPs的电磁场增强协同作用，突破单一材料限制；

2. 成本与效率平衡：无需核酸扩增或富集步骤，成本低于PCR，速度远超培养法；

3. 现场适用性：试纸条形式兼容便携拉曼仪，为现场检测（POCT）提供新范式。

总结与展望：迈向多病原体快速筛查

该研究首创的WS₂-Au SERS-ICA技术为食源性病原体检测树立新标杆：

短期应用：可集成至食品企业质检流程，实现生鲜产品出厂前快速筛查；

技术拓展：通过更换抗体，平台可扩展至沙门氏菌、李斯特菌等多元检测；

未来方向：

开发智能手机耦合式拉曼读卡器，进一步提升现场便捷性；

探索多重信号编码策略，同步检测多种病原体（如毒素+细菌组合）。

参考文献：

Wang D, Chen Y, Zhang Q, et al. SERS-Based Immunochromatographic Assay for Sensitive Detection of Escherichia coli O157: H7 Using a Novel WS2-AuDTNB Nanotag[J]. Sensors, 2025, 25(8): 2457.