海星状金纳米标签赋能 SERS 传感 实现黑曲霉超灵敏快速检测

研究背景

黑曲霉是食品发酵领域关键功能微生物，广泛应用于普洱茶渥堆发酵、酱油制曲等工艺，相关产品年产量庞大。尽管该菌种被认定为一般公认安全（GRAS）菌株，但大量工业菌株具备产毒能力，研究显示69株工业黑曲霉中 83% 可产伏马毒素B₂，33% 能合成赭曲霉毒素 A，26% 具备双重产毒能力，其产毒特性与工业应用的矛盾性，对发酵食品质量安全构成严重威胁。

传统黑曲霉检测以平板培养法为金标准，虽可靠性高，但检测周期长达 3-7 天，无法满足快速筛查需求。现代检测技术如 ELISA、PCR、质谱、流式细胞术等，虽灵敏度有所提升，但存在设备昂贵、操作复杂、成本高昂等问题，难以普及应用。表面增强拉曼散射技术凭借单分子级灵敏度与指纹特异性，成为微生物检测热点，然而传统 SERS 方法存在信号强度弱、光谱重叠、热点密度不足等缺陷，超灵敏精准定量仍面临挑战。

研究内容

团队受海星多棘形态可产生高密度电磁场启发，设计集成金纳米星、拉曼报告分子4-乙炔基苯胺（4-EBZN）、特异性适配体的三功能SERS探针，构建新型黑曲霉检测生物传感器。

研究采用分步合成策略：先制备金纳米颗粒种子，再通过各向异性生长合成海星状金纳米星；随后将4-EBZN通过炔基-金配位自组装到金纳米星表面，形成AuNSs@4-EBZN复合物；最后将黑曲霉特异性适配体固定于复合物表面，完成SERS生物传感器构建。

该传感器检测核心为三级级联增强机制：黑曲霉存在时，适配体特异性识别使探针在菌体表面聚集，激活金纳米星尖端一级热点、单颗粒分支间纳米间隙二级热点、多颗粒间等离子体耦合三级热点，协同放大 4-EBZN 特征拉曼信号，实现高灵敏定量检测。团队系统优化4-EBZN 浓度、孵育时间、适配体浓度及反应时间等关键参数，提升传感器性能。

图1. 示意图说明基于SERS生物传感器检测普洱茶、酱油和饮用水中黑曲霉的原理。

图2. X 射线光电子能谱（XPS）分析。(a) AuNSs、4-EBZN 和 AuNSs@4-EBZN 的对比 XPS 调查光谱；(b) AuNSs@4-EBZN 的 C 1s 轨道光谱；(c) AuNSs@4-EBZN 的 Au 4f 轨道光谱；(d) AuNSs@4-EBZN 的 N 1s 轨道光谱

图3. (a) AuNSs@4-EBZN 的EDS元素映射；(b) AuNSs@4-EBZN-Apt 的EDS元素映射。

研究结果

形貌表征显示，金纳米星呈树枝状结构，粒径约 60nm，具备多尖锐尖端；紫外-可见吸收光谱、拉曼光谱、Zeta 电位、XPS 及 EDS mapping 等测试，证实 4-EBZN 与适配体成功修饰于纳米颗粒表面，形成稳定功能化复合物。

性能测试表明，该 SERS 探针增强因子达2.4×10⁸；对黑曲霉检测限低至1 CFU·mL⁻¹，在 3.6-3.6×10⁵ CFU・mL⁻¹ 浓度范围内，拉曼信号强度与浓度对数值呈良好线性关系，R²＞0.99。

特异性实验中，传感器对大肠杆菌 O157:H7、金黄色葡萄球菌、肠炎沙门氏菌、铜绿假单胞菌无交叉反应，仅对黑曲霉产生强响应信号，特异性优异。实际样品验证显示，在普洱茶、酱油、饮用水中加标回收率为95.13%-104.90%，检测结果与平板计数法高度相关，R²＞0.99，RSD＜4.3%，4℃储存 30 天信号稳定，具备良好重现性与长期稳定性。

图4. AuNSs@4-EBZN 和 AuNSs@4-EBZN-Apt 合成实验参数的优化。(a) 不同4-EBZN浓度下的SERS光谱；(b) 特征峰强度与浓度曲线；(c) 对应不同孵育时间的SERS光谱；(d) 4-EBZN信号强度与孵育时间关系；(e) 不同适配体剂量下的SERS响应光谱；(f) 适配体剂量对4-EBZN信号的定量影响；(g) 不同适配体反应时间下的SERS光谱；(h) 适配体反应时间对4-EBZN特征峰强度的影响；(i) 在不同孵育时间下，黑曲霉与AuNSs@4-EBZN-适配体的SERS响应光谱；(j) 孵育时间与4-EBZN信号强度的定量关系（n = 3）。

图5. SERS 生物传感器的灵敏度和线性。(a) 不同浓度 R6G 的 SERS 光谱；(b) 拉曼信号强度与 R6G 浓度负对数值 (Log₁₀[C]) 之间的线性关系；(c) 不同浓度黑曲霉的 SERS 光谱；(d) 拉曼信号强度与黑曲霉浓度对数值 (Log₁₀[C]) 之间的线性关系 (n = 3)。

图6. 生物传感器的可重复性、均一性和稳定性。(a) 在同一位置进行10次测量的SERS光谱；(b) 同一位置10次重复检测的SERS强度及相对标准偏差(RSD)值；(c) 来自10个不同位置的SERS光谱；(d) 不同位置10次检测的SERS强度及RSD值；(e) 连续15天检测的SERS光谱；(f) 连续30天检测的SERS强度及RSD值 (n = 3)。

技术优势

1.超高灵敏度：三级级联热点效应实现单菌落水平检测，检出限低至 1 CFU・mL⁻¹，优于传统无标记 SERS 方法；

2.快速高效：实际样品检测全程仅需 45 分钟，远短于平板培养法 3-7 天周期，适配现场快速筛查；

3.特异性突出：依托高亲和力适配体识别，无交叉反应，精准区分目标菌与干扰微生物；

实用性强：在普洱茶、酱油、饮用水等复杂基质中表现稳定，加标回收率优异，抗基质干扰能力强；

4.稳定可靠：RSD＜4.3%，4℃可稳定储存 1 个月，满足实际检测场景对重复性与稳定性的要求。

结论与展望

本研究成功开发适配体功能化海星状金纳米标签 SERS 生物传感器，突破传统黑曲霉检测灵敏度低、耗时长、操作复杂等瓶颈，实现发酵食品中黑曲霉超灵敏、快速、特异性检测，为食品安全现场快速检测提供创新解决方案。该技术不仅可用于黑曲霉监控，其设计原理还可拓展至其他食源性致病菌检测，通过适配体库构建实现多病原菌同步分析，有效应对食品中微生物复合污染问题。

未来，该传感平台可结合便携式拉曼光谱仪，开发一体化快速检测设备，推动在食品生产、加工、流通全链条的落地应用，为发酵食品质量安全保驾护航，助力食品安全检测技术向高效、精准、便携方向升级。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.saa.2026.127666