Food Chemistry：一贴即测的柔性SERS纸胶带，实现食品和水中大肠杆菌低成本高灵敏检测

食品和水体中的细菌污染会直接影响公共卫生与食品安全，其中大肠杆菌既是粪源污染的重要指示菌，也包括可导致严重胃肠道感染、出血性腹泻甚至溶血性尿毒综合征的致病变体。传统培养、PCR和ELISA等方法虽然可靠，但通常需要实验室设备、专业人员和较长检测时间，难以满足现场快速筛查需求。本研究面向这一痛点，提出一种“Stick-and-Sense”式柔性纸基SERS胶带，希望把细菌检测从固定实验室推向更轻量、可携带、可贴附的现场应用场景。

SERS技术能够利用金属纳米结构显著放大微生物表面的拉曼信号，使不同细菌呈现具有分子指纹特征的光谱。相比硅片或玻璃等刚性SERS基底，纸基材料成本低、易裁剪、可贴合不规则表面，天然纤维粗糙结构也有利于形成密集等离激元“热点”。不过，既往不少纸基SERS传感器增强因子有限，细菌检测限常在10^2至10^3 CFU/mL或更高。本研究的核心设计，是把自组装金纳米颗粒单层覆盖在商业纸基胶带上，借助胶带的柔性和纸纤维的多孔结构，同时获得便携性、低成本和高信号增强能力。

图1. 基于金纳米颗粒的柔性SERS胶带制备：（a）在液-液界面注入金纳米颗粒溶液；（b）自组装金纳米颗粒单层形成；（c）转移至纸基胶带；（d）大肠杆菌通过物理吸附沉积在多孔GNPsFT表面的示意图；（e）固定在金纳米颗粒涂覆纸基底上的DAPI染色大肠杆菌（10^9 CFU/mL），显示其在多孔纤维素网络中的明亮荧光和三维分布；（f）覆盖金纳米颗粒的柔性纸胶带照片；（g）显示胶带多孔结构完全被金纳米颗粒覆盖的SEM图像；（h）用于测量金纳米颗粒直径的高倍SEM图像。

 形貌表征显示，金纳米颗粒均匀覆盖在纸胶带多孔结构上，形成三维SERS活性热点网络，可增强局部电磁场并放大拉曼信号。颗粒平均直径为37 ± 4 nm，相对标准偏差为11.2%，说明颗粒尺寸较为一致；SEM观察也未见明显团聚或大面积空隙。以4-巯基苯甲酸作为拉曼报告分子评估增强性能时，该纸胶带的平均SERS增强因子达到1.20 × 10^7，批间相对标准偏差为6.25%。在处理、清洗和测量过程中，金纳米颗粒层未出现肉眼可见脱层或SERS活性损失，说明该一次性分析基底具备较好的结构稳定性。

图2. （a）纸胶带上4MBA粉末的拉曼光谱（黑色）与附着在纸胶带金纳米颗粒层上的10 mM 4MBA溶液SERS光谱（红色）；（b）吸附在金纳米颗粒涂覆柔性胶带上的大肠杆菌SERS指纹光谱（蓝色）及无细菌空白基底光谱（黑色）；（c）水中不同浓度大肠杆菌的SERS测量，浓度范围为10^3-10^9 CFU/mL；（d）以1075 cm^-1峰强度对细菌浓度作图得到的校准曲线及线性拟合；（e）水中柠檬酸杆菌（橙色）、肠球菌（绿色）和大肠杆菌（蓝色）的SERS光谱区分；（f）三种细菌SERS光谱的PCA分析。

 在水样检测中，大肠杆菌吸附到金纳米颗粒涂覆胶带后，产生清晰且可重复的SERS指纹，主要来源于蛋白质、脂质、核酸和外膜脂多糖等细胞表面组分。研究以1075 cm^-1峰作为定量信号，该峰与核酸、膜磷脂及脂多糖中的磷酸基团振动相关。随着大肠杆菌浓度从10^3升至10^9 CFU/mL，SERS强度同步升高，呈现明确的剂量依赖关系；线性拟合中R^2达到0.98，按空白标准偏差计算得到检测限为26 CFU/mL。这个水平低于不少已报道纸基或柔性SERS基底的常见范围，同时仍保持了商业胶带和底部自组装工艺带来的低门槛制备优势。

除灵敏度外，本研究还验证了无标记区分能力。大肠杆菌、肠球菌和柠檬酸杆菌在水中均可产生各自的SERS特征峰，但直接肉眼比较光谱时仍可能因峰重叠而产生判断困难。PCA将复杂光谱降维后，三种细菌形成分离良好的聚类，说明柔性SERS胶带不仅能放大信号，还能保留足够的分子指纹差异，用于水体和食品安全监测中的多菌种区分。

图3. （a）多克隆抗体物理吸附及随后大肠杆菌在多孔金纳米颗粒柔性胶带（GNPsFT）上捕获的示意图；（b）抗体与大肠杆菌相互作用的SERS光谱，红色为物理吸附在SERS基底上的抗体，蓝色为存在大肠杆菌时的光谱；（c）抗体功能化基底在与非靶标细菌肠球菌（绿色）和柠檬酸杆菌（橙色）孵育前后的SERS光谱，红色为仅含抗体；（d）各条件下平均信号强度（如845 cm^-1）的柱状图；（e）抗大肠杆菌功能化基底用于评价检测特异性的拉曼光谱，红色为仅含抗体对照，绿色为不含大肠杆菌的细菌混合物（Mix -），浅蓝色为含大肠杆菌及其他食源性细菌的混合物（Mix +），各细菌浓度均为10^2 CFU/mL。

 为了适应更复杂的食品基质，本研究进一步在SERS胶带表面物理吸附抗大肠杆菌多克隆抗体。25 CFU/mL大肠杆菌加入后，抗体功能化基底的SERS信号明显增强，DAPI荧光图像也支持大肠杆菌可在多孔金纳米颗粒纸基底上被有效捕获。选择性实验显示，肠球菌和柠檬酸杆菌等非靶标细菌不会带来类似的目标响应，反而可能因占据活性位点而降低背景信号。更严格的交叉干扰实验中，研究设置了含大肠杆菌的Mix +和不含大肠杆菌的Mix -，其中还包括沙门氏菌、李斯特菌、耶尔森菌、肠球菌和柠檬酸杆菌等食源性相关细菌。所有细菌均为10^2 CFU/mL时，只有Mix +产生更强且更清晰的大肠杆菌相关拉曼响应，说明其他微生物不会造成明显交叉反应。

图4. （a）商业牛奶及25 CFU/mL大肠杆菌在不同条件下的SERS指纹光谱：仅牛奶（深蓝色）、乙醇灭活大肠杆菌在水中（蓝色）、乙醇灭活大肠杆菌在牛奶中（浅蓝色）、热灭活大肠杆菌在牛奶中（紫色）和活大肠杆菌在牛奶中（品红色）；（b）抗体功能化基底与商业牛奶或25 CFU/mL大肠杆菌污染牛奶孵育后采集的平均SERS光谱；（c）仅抗体（红色点）、结合抗体的牛奶（浅蓝色点）和结合抗体的大肠杆菌污染牛奶（蓝色点）的PCA得分图。

 真实食品验证选择商业脱脂牛奶作为复杂基质。牛奶中的蛋白、脂质和其他大分子会带来背景信号，因此本研究先比较了牛奶本身、乙醇灭活大肠杆菌、热灭活大肠杆菌和活菌的SERS指纹。结果显示，活大肠杆菌与乙醇灭活大肠杆菌的主要谱峰高度相似，说明乙醇处理较好保留了细胞壁和整体生化特征；热灭活样品则出现峰位变化和信号削弱，提示强热处理会改变细菌表面结构。随后，在抗体功能化传感器上加入25 CFU/mL大肠杆菌污染牛奶后，730 cm^-1、849 cm^-1以及1100-1600 cm^-1范围内的核酸和蛋白相关峰明显增强，并可从牛奶背景中分辨出来。PCA进一步将仅抗体、牛奶背景和大肠杆菌污染牛奶分成三个清晰簇，证明该平台在真实食品基质中仍能识别目标信号。

成本分析显示，每个完全功能化纸基SERS传感器的材料成本约0.19欧元，即使计入人员成本，单个器件总成本仍低于6欧元。综合来看，本研究把商业纸胶带、金纳米颗粒自组装、SERS指纹和PCA分析结合起来，构建了一种低成本、可扩展、可用于现场筛查的细菌检测方案。其优势不只在于水样中26 CFU/mL的低检测限，也在于能通过抗体功能化进入商业牛奶等复杂食品场景，并在多种非靶标食源性细菌存在时保持对大肠杆菌的选择性。后续若进一步缩短孵育时间、扩大食品基质类型，并引入监督学习模型进行二分类或多分类识别，这类“贴上即测”的柔性SERS平台有望更接近食品安全现场监测应用。

论文来源：https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2026.149599