三相界面调控策略：SERS快速识别多种病原菌

一、技术原理与设计策略

病原菌，如单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）、鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli），是食品安全和公共卫生领域需要重点关注的典型致病微生物。传统检测方法通常存在耗时较长、操作流程复杂等问题，难以满足快速筛查和现场分析的需求。针对这一问题，该研究构建了以银纳米颗粒装饰PVA微凝胶（APM）为核心的三相界面调控SERS检测平台。该策略通过界面诱导APM转移和收缩，使AgNPs形成更密集的三维热点，同时促进细菌富集至热点区域，从而增强其拉曼指纹信号并实现多重病原菌识别。整体技术原理如图1所示。

图1  三相界面调控APM微反应器的构建及多重病原菌SERS检测原理

二、三相界面收缩与机制解析

向四氯化碳/水界面加入含丙酮的正己烷上层有机相后，APM在Marangoni力和界面张力变化的共同作用下，由下层油/水界面向水/上层油界面转移，并逐渐发生收缩。图2展示了这一三相界面诱导收缩过程：APM在界面张力梯度作用下发生迁移，随后随着体系达到三相平衡而形成收缩状态。加入丙酮后，水与有机相之间的相容性增强，水分子从PVA微凝胶网络中迁移至有机相，使APM体积减小。

APM收缩使其内部和表面的AgNPs更加接近，为形成高密度SERS热点提供结构基础。收缩后的APM微凝胶尺寸约为45 ± 4 μm，相邻AgNPs之间的纳米间隙可缩小至约5.8-7.4 nm，理论估算的平均纳米间隙约为8.1 nm。这说明三相界面调控不仅能够驱动APM发生空间转移和体积收缩，还能够重构AgNPs之间的热点结构，从而为后续病原菌富集和SERS信号增强提供基础。

图2  三相界面诱导APM收缩的机制示意及光学图像

三、SERS性能验证与微量分析能力

研究使用小分子（PYR、BBP、ANT）、大尺寸聚合物颗粒（PE、PS、PVC）以及细胞模型（MCF-7、HeLa、H8）评估APM的尺寸选择效应和SERS增强性能。结果显示，APM对PE、PS、PVC等大尺寸聚合物颗粒表现出显著增强的SERS信号，增强因子可达1.36×10⁸。对于MCF-7、HeLa和H8等细胞模型，拉曼信号较弱，提示尺寸较大的细胞模型难以充分接近APM内部热点区域；而对于细菌检测，APM能够通过表面空腔、PVA网络结构和AgNPs热点区域之间的协同作用获得更丰富的SERS特征信号。

在稳定性方面，APM表现出较好的信号保持能力。APM在储存4周后仍保持约95%的SERS活性；在8周储存测试中，其特征峰位置和信号强度未出现明显变化，显示出较好的长期稳定性。重复使用实验表明，经碘离子处理后，APM可进行多轮“检测-再生”循环，且信号波动较小，说明其具有一定的可再生分析潜力。

图3  APM对不同尺寸分子、聚合物颗粒及细胞模型的SERS响应

图4  APM的SERS均匀性、响应稳定性及储存稳定性评价

四、多重病原菌定量与复杂样品检测

在实际应用验证中，研究将APM用于牛奶和尿液样本中四种病原菌的同时检测。SEM结果显示，AgNPs可聚集于细菌表面；同时，SERS谱图、PCA分析和SVM分类结果表明，APM相比裸AgNPs能够提供更丰富且更易区分的细菌SERS特征信号。这说明APM不仅提高了信号强度，也改善了细菌表面成分与SERS热点区域之间的接触，从而有利于获得更完整的细菌指纹信息。

PCA分析能够区分不同细菌的SERS谱图，SVM分类模型显示出较高的识别准确性。与裸AgNPs相比，APM所得数据在PCA图中聚类边界更清晰，SVM混淆矩阵中误分类更少，说明三相界面调控后的APM更适合用于多种病原菌的区分识别。

在复杂样品加标检测中，研究将牛奶和尿液样本经离心、过滤和稀释后用于检测验证，结果显示APM平台的回收率为92.51%-108.5%，RSD低于10%。与部分已报道方法相比，该三相界面调控策略表现出较宽的线性范围和较低的检测限，说明其在复杂基质病原菌分析中具有较好的应用潜力。

图5  定量示意、SERS谱图、PCA及SVM分类结果

总体而言，该三相界面调控APM-SERS方法实现了多种病原菌的快速、灵敏检测，最低检测浓度可达0.28 CFU/mL。该方法通过三相界面诱导APM收缩，在提高AgNPs热点密度的同时，促进细菌进入热点区域，从而增强SERS信号并提高多种病原菌识别能力。该平台具有较好的稳定性、重复性和可再生使用潜力，并可用于经简单前处理后的复杂基质样本分析，如牛奶和尿液样本。结合PCA和SVM等数据分析方法后，该策略能够实现不同病原菌SERS指纹谱图的有效区分，为食品安全、公共卫生及现场快速分析提供了具有应用潜力的新方案。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.175861