玻璃-银纳米森林SERS平台问世实现食源性致病菌高通量多通道精准检测

研究背景

食源性致病菌引发的感染严重威胁全球公共卫生，大肠杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌是导致食物中毒的主要病原体。传统检测方法如 PCR、ELISA、MALDI‑TOF 等虽特异性高，但存在操作复杂、耗时较长、成本高昂、需专业人员操作等局限，难以满足现场与分布式快速检测需求。

表面增强拉曼散射（SERS）可实现无标记、高灵敏微生物检测，然而传统 SERS 平台多依赖不稳定胶体纳米颗粒或不透明基底，限制光学成像与高通量分析。透明玻璃基底具备双向光学通路、低背景荧光、化学稳定等优势，与银纳米结构结合可兼顾高增强因子与光学兼容性，成为构建实用化 SERS 检测平台的理想选择。在此背景下，研发兼具高灵敏、高重现、高通量与多通道能力的固态 SERS 传感系统，对食品安全防控具有重要现实意义。

研究内容                      

研究团队采用溅射沉积工艺在载玻片上制备玻璃-银纳米森林（GSNF）基底，通过调控气体流量、功率、压力等参数，形成高密度、互连的银纳米柱簇结构。利用3D打印技术制作 24 孔微孔板传感器阵列，实现多样本并行装载；配套定制自动化拉曼读取系统，搭载显微物镜与二维移动平台，可精准靶向测量区域并自动完成多点图谱采集。

以罗丹明6G（R6G）为探针分子，系统评估基底的增强因子、灵敏度、空间均匀性、批次重现性与长期稳定性。选取大肠杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌为模式菌，获取不同浓度下的 SERS 光谱，结合主成分分析（PCA）实现菌种区分；构建混合菌样本，验证多通道同步识别能力；在鸡胸肉提取液基质中加标大肠杆菌，测试真实食品体系下的检测性能。

图1. 整个研究的示意图。a) 制备的24孔微孔板传感器阵列平台及玻璃-银纳米森林（GSNF）。传感器阵列上的比例尺表示14毫米，扫描电镜（SEM）图像上的比例尺表示250纳米。b) 高通量拉曼读出装置及操作状态。比例尺表示15厘米。c) 细菌实验过程示意图。

图2. a) GSNF的摄影图像，b) GSNF的扫描电子显微镜（SEM）图像。主图和插图的比例尺分别为1 mm和1。c) 玻璃基底上银元素的EDX元素分布图。比例尺为1 mm。d) GSNF的能量色散X射线光谱（EDX）图谱。e) 玻璃上的水滴，f) GSNF上的水滴。g) 玻璃和GSNF的接触角。

研究结果

1.基底性能优异：GSNF基底接触角达140°，呈现强疏水性，可通过咖啡环效应富集待测物；银纳米结构均匀，EDX mapping 证实元素分布一致；对 R6G 的增强因子（EF）达7.63×10⁵，检测限低至9.57×10⁻¹⁴ mol，实现飞摩尔级灵敏检测。

2.信号高度稳定：单块基底100个随机位点RSD仅4.36%，24 块不同基底间RSD为6.98%；常温存放7天信号波动小，RSD为2.695%，具备优异的重现性与稳定性。

3.菌种精准区分：三种致病菌SERS光谱特征显著，PCA分析在三维主成分空间形成清晰独立聚类，可有效区分光谱相似的大肠杆菌与沙门氏菌；混合样本中可同时识别物种特异性特征峰，峰强度比与混合比例高度相关（R²=0.9639）。

4.高通量快速高效：24孔板全板检测仅需数分钟，远快于PCR（1–3 h）、ELISA（1–7 h）等传统方法；在鸡胸肉提取液中可清晰区分大肠杆菌特征峰与食品基质背景信号，实现复杂基质中准确定量。

图3. a) 使用微孔板拉曼读数仪获取的10 μM R6G负载的GSNF的光学显微镜图像。比例尺：50 μm。b) 光学玻璃的拉曼光谱，c) 银纳米森林（SNF），以及d) GSNF上的罗丹明6G（R6G）。点表示各个区域。e) 不同浓度获得的R6G拉曼光谱（n = 3），f) 1512 cm⁻¹处R6G拉曼强度随浓度的变化，g) 在单个GSNF的100个随机点处取得的拉曼光谱。h) 1512 cm⁻¹处拉曼强度的相对标准偏差（RSD）为4.36%。i) 微孔板中24个不同GSNF的拉曼光谱。显示的光谱是从100个随机点测量的平均值。j) 1512 cm⁻¹处拉曼强度的RSD为6.98%。

图4. a) 不同浓度下细菌的拉曼光谱：大肠杆菌在 i) 10⁸，ii) 10⁶ CFU/mL；金黄色葡萄球菌在 vii) 10⁸，viii) 10⁷，ix) 10⁶ CFU/mL；沙门氏菌在 iv) 10⁸，v) 10⁷，vi) 10⁶ CFU/mL。b) 基于大肠杆菌、沙门氏菌和金黄色葡萄球菌在 10⁸ CFU/mL 拉曼光谱的三维主成分分析（PCA）得分图。c) 三个细菌的主成分 PC 1、2、3 的载荷图及平均 SERS 光谱。d) 大肠杆菌、金黄色葡萄球菌及混合样品的拉曼光谱，测量浓度均为 10 CFU/mL。e) 不同大肠杆菌 / 金黄色葡萄球菌比例下获得的 SERS 光谱。f) 拉曼强度比 (645 cm⁻¹ / 735 cm⁻¹) 与细菌比例的关系。

图5. a) 实验示意图. b) 大肠杆菌、鸡胸肉提取液及大肠杆菌掺入鸡胸肉提取液的SERS光谱，均测量于10¹ CFU/mL. c) 不同浓度大肠杆菌掺入鸡胸肉提取液的SERS光谱. d) 大肠杆菌掺入鸡胸肉提取液在645 cm⁻¹处的SERS强度随浓度的变化关系.

技术优势

1.固态基底更可靠：摒弃胶体纳米颗粒，采用固态银纳米森林结构，避免团聚与信号不稳定问题，大幅提升重现性。

2.透明兼容高通量：玻璃基底透明，支持光学观测与图像引导测量，适配标准微孔板流程，实现批量并行检测。

3.无标记快速检测：无需荧光、抗体等标记，1 秒积分即可获取高信噪比光谱，满足现场快速筛查需求。

4.复杂基质适用：在鸡胸肉等真实食品体系中可有效剥离基质干扰，精准识别并定量致病菌，具备实际应用潜力。

5.多通道同步分析：可解析混合菌群中各物种特征峰，实现多致病菌同步检测，契合真实样本复杂污染场景。

结论与展望

本研究成功构建集成GSNF基底与定制拉曼读取系统的高通量SERS平台，在食源性致病菌检测中展现出高灵敏、高重现、高通量、多通道识别等突出优势，可快速区分大肠杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌，并在真实食品基质中实现准确检测。该平台突破传统SERS基底不透明、胶体不稳定、难以高通量等瓶颈，为食品安全快速监测提供高效解决方案。

未来研究将进一步优化环境控制与咖啡环区域自动识别，提升复杂场景下的检测鲁棒性；拓展应用至临床诊断领域，开展快速药敏试验、液体活检等研究，构建覆盖食品安全与感染性疾病防控的多元化快速检测体系，推动SERS技术从实验室走向实际应用。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.microc.2026.116949