常压等离子体一步制备 SiOx‑Ag 纳米复合涂层 实现复杂食品基质中李斯特菌超灵敏 SERS 检测

研究背景

食源性致病菌是全球公共卫生与食品产业的重大威胁。据世界卫生组织数据，全球每年约 6 亿人因食用受污染食品患病，超 40 万人死亡；美国每年食源性疾病造成超 4800 万例感染、约 3000 人死亡，经济负担超 176 亿美元。其中单核细胞增生李斯特菌致死率高达 15%–30%，可在冷链、高盐、宽 pH 等极端环境存活，即食食品中执行 “零容忍” 标准。

传统检测方法如微生物培养需 24–72 小时，PCR 易受食品基质干扰出现假阴 / 阳性，ELISA 依赖实验室与专业人员，均难以满足现场、实时、快速筛查需求。表面增强拉曼散射（SERS）凭借分子指纹识别、单分子级灵敏度、抗基质干扰等优势成为研究热点，但银纳米粒子（AgNPs）易氧化、稳定性差，常规 SiO₂包覆需高温、真空或多步湿化学，限制规模化应用。因此，开发常温、常压、一步法、高稳定的 SERS 基底制备技术，对实现食品致病菌现场检测至关重要。

研究内容

研究团队采用冷常压等离子体喷射系统，以六甲基二硅氮烷（HMDSN）为硅源、硝酸银为银前驱体，在常温常压下于不锈钢片上同步完成 SiOₓ基体聚合与 AgNPs 原位还原包覆，实现 SiOx‑Ag 纳米复合涂层的一步沉积。

通过场发射扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、能谱（EDS）、红外光谱（ATR‑FTIR）、X 射线衍射（XRD）、紫外‑可见光谱（UV‑Vis）等系统表征涂层形貌、元素分布、化学结构与光学性能。经 4‑巯基苯甲酸（4‑MBA）拉曼报告分子修饰、EDC/NHS 活化与李斯特菌特异性抗体共价偶联，构建免疫识别型 SERS 传感器。系统评估传感器灵敏度、线性范围、选择性、批次重现性与长期稳定性，并在生菜、奶酪、肉类三种复杂食品基质中开展加标回收验证。

图1. 冷大气等离子体辅助在金属基底上沉积SERS活性纳米复合材料。(a) 等离子体聚合基于的SiO x-Ag纳米复合涂层制备示意图，使用HMDSN和AgNO 3在不锈钢基底上原位制备被SiO x前体包覆的AgNPs，其中等离子体生成反应性物质矩阵。(b) SERS检测机制示意图，其中固定在嵌入AgNPs的SiO x矩阵上的抗体捕获特定抗原，增强表面结合拉曼探针的信号输出。

图2. CAP辅助沉积SiO及HMDSN和AgNO3 x-Ag纳米复合涂层于不锈钢（SS）基底。(a) 沉积系统示意图，配置用于在等离子体羽流中同时沉积前驱体以进行环境下原位沉积。(b) 不锈钢表面的光学图像，显示从原始表面到SiOx及SiOx-Ag纳米复合涂层的视觉逐步演化，放大倍率逐渐增加。

图3. SiO的表面和成分表征，比较SiO x和SiO x-Ag纳米复合涂层在SS基底上的情况。 (a) 随放大倍数增加的SEM图像-Ag纳米复合涂层沉积表面。 (b) EDS元素映射显示涂覆SS基底上Si、O和Ag的分布。 (c) 原始、SiO x和SiO x-Ag纳米复合涂层沉积在SS基底上的FTIR光谱。 (d) 放大FTIR区域，突出Si–O–Si、Si–CH3和Si–N振动特征。 (e) XRD图谱，比较SiO x和SiO x-Ag纳米复合涂层的晶体特征。

研究结果

1.材料结构与稳定性

等离子体原位合成的 AgNPs 平均粒径 57.91 nm，均匀嵌入无定形 SiOₓ网络，无团聚与偏析；XRD 证实 Ag 为面心立方晶体；SiOₓ包覆使 AgNPs 在常温放置 10 天仍保留93%等离子体响应，裸银仅存34%；氮气保存 60 天、常温保存 30 天信号波动均 <±5%。

2.传感性能

传感器在1–6 log₁₀ CFU/mL范围呈良好线性，灵敏度达3771.5 a.u./log(CFU/mL)，检出限低至~1.89 CFU/mL；10 批独立制备基底相对标准偏差~4.6%，批次重现性优异；对大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌无明显响应，特异性突出。

3.实际食品基质验证

在生菜、奶酪、肉类中加标 10¹、10³、10⁵ CFU/mL，回收率92.9%–109.4%，相对标准偏差 < 6.3%，不受蛋白质、脂质、色素等复杂组分干扰，检测结果与标准平板计数高度一致。

图4. SiOx-Ag纳米复合基底用于李斯特菌检测的SERS表征。(a) 逐步表面功能化示意图，包括4-MBA修饰、EDC/NHS活化、抗体偶联及李斯特菌的特异性结合。(b) 将SiOx–Ag纳米复合基底与不同浓度4-MBA孵育后的拉曼光谱。(c) 4-MBA峰强度随浓度变化的定量分析。(d) 生物功能化各阶段的SERS响应。(e) 顺序固定化步骤后拉曼信号强度汇总。(f) 不同浓度李斯特菌(1–6 log 10 CFU/mL)获得的拉曼光谱。(g) 对应的校准曲线，显示信号强度与细菌浓度之间的线性关系。

图5. 免疫功能化SiO x-Ag纳米复合SERS传感器平台的分析表征。 (a) 通过从十个独立制备的基板批次获取的拉曼光谱进行可重复性评估。 (b) 这些批次中主要拉曼峰的相应强度值。 (c) 基于在氮气中储存60天并经过4-MBA功能化后的拉曼光谱，对同样制备的SERS基板的稳定性分析。 (d) 稳定性分析中信号随时间演变的强度曲线。 (e) 暴露于单核细胞增生李斯特菌 (L. monocytogenes)、大肠埃希菌 (E. coli) 和伤寒沙门菌 (S. typhi) 后记录的光谱特征。 (f) 病原体孵育后从(e)中提取的峰值强度。(S. typhi: 鼠伤寒沙门菌)。

图6. SERS传感器在受污染食品基质中检测单核细胞增生李斯特菌(L. monocytogenes)的性能评估。(a) 示意工作流程，显示生菜、奶酪和肉类样品的接种、样品制备及后续检测步骤。(b) 生菜样品中L. monocytogenes的检测：(i) 培养后琼脂平板，(ii) 在不同接种浓度下获取的相应SERS光谱，(iii) 通过SERS和传统平板法定量回收的病原菌负荷。(c) 奶酪样品中L. monocytogenes的检测：(i) 样品处理后琼脂培养的反应，(ii) 指定接种水平下的SERS光谱特征，(iii) 通过SERS分析和平板计数获得的回收值比较。(d) 肉类样品中L. monocytogenes的检测：(i) 培养后代表性琼脂平板，(ii) 浓度依赖的拉曼响应，(iii) 通过SERS读数与平板法获得的回收L. monocytogenes数量。

技术优势

1.制造极简高效

常温常压、无需真空、一步完成，约 120 秒可批量制备 100 片 1 cm×1 cm 基底，单批次前驱体成本仅~0.055 美元，适合卷对卷连续生产。

2.稳定性突破性提升

SiOₓ无机屏障隔绝氧与湿气，解决银基 SERS 基底易氧化失效难题，常温可稳定存放 1 个月，氮气保存长达 2 个月。

3.超灵敏与高兼容

检出限低于多数同类 SERS 方案，可直接适配生菜、奶酪、肉类等高干扰基质，无需复杂前处理。

4.现场部署潜力

基底为不锈钢等工业常用材料，传感器小型化后可在屠宰、加工、冷链、零售等关键控制点实时监测。

结论与展望

本研究首次将冷常压等离子体技术用于 SiOx‑Ag 纳米复合 SERS 基底的原位制备，成功实现复杂食品基质中单核细胞增生李斯特菌超灵敏、高稳定、快速定量检测。该技术兼具高性能与制造可行性，突破传统 SERS 基底制备繁琐、稳定性差、难以规模化的瓶颈，为食品供应链现场化、实时化致病菌监测提供全新技术路线。

未来可进一步拓展至多通道同步检测多种食源性致病菌，优化封装工艺延长货架期，并结合便携式拉曼光谱仪开发一体化现场检测系统，推动该技术从实验室走向食品企业、检测机构与口岸检疫等实际应用场景，为全球食品安全提供高效可靠的新型监测工具。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.snb.2026.139663