复杂培养基中致病细菌 SERS 检测的三相界面调制策略

1.引言

致病菌的快速、精准检测对于保障食品安全与临床诊断至关重要。表面增强拉曼光谱（SERS）作为一种免标记检测技术，虽具备高灵敏度，但在复杂样本的实际应用中，常受限于目标物富集效率低及信号重现性差等瓶颈。等离子体微凝胶虽兼具光学活性与响应特性，但如何将其优势最大化以突破检测极限仍需探索。因此，构建高效的三相界面体系，利用其独特的物理化学性质强化目标物捕获能力，成为提升SERS检测性能、解决痕量病原菌识别难题的关键突破口。

本研究开发了基于等离子体微凝胶的三相界面表面增强拉曼光谱（SERS）检测技术，有效解决了复杂样本中致病菌富集效率低、信号重现性差的问题。通过合成兼具光学活性与刺激响应特性的等离子体微凝胶，构建稳定的固-液-气三相界面体系，利用界面效应高效捕获并浓缩痕量致病菌，结合SERS技术实现免标记、高灵敏度检测。该方法显著提升了检测限与重现性，为病原微生物的快速筛查提供了可靠的技术手段，在食品安全与临床诊断领域具有广阔应用前景。

2.结果与讨论

APM微凝胶的构建与三相界面调控机制：利用聚乙烯醇（PVA）微凝胶负载银纳米粒子（AgNPs）制备APM微反应器，结合扫描电镜（SEM）和元素映射（Element Mapping）表征材料形貌，验证了在不混溶有机相（正己烷+丙酮）诱导下，APM能发生体积收缩并富集于三相界面，成功将相邻AgNPs的纳米间隙（Nanogaps）调控在5.8-7.4 nm范围内，为构建高密度等离子体“热点”奠定基础。

图 1 (A) APM与1 mg/mL PS在空气环境中相互作用的示意图及拉曼光谱。(B) APM与1 mg/mL PS在油相（Ol）溶液中相互作用的示意图及拉曼光谱。(C) APM与1 mg/mL PS在油/水（Ol/W）界面处相互作用的示意图及拉曼光谱。(D) APM与1 mg/mL PS在油/水/油（Ol/W/Ot）三相界面处相互作用的示意图及SERS（表面增强拉曼）光谱。注：Ol代表四氯化碳；W代表水相；Ot代表正己烷与丙酮的混合液。(E-H) APM的扫描电镜（SEM）图像及其局部放大图。(I) 和 (J) 分别为APM转移至三相体系前、后的EDX（能谱）元素分析图，直观展示了APM的体积收缩现象。图I和图J中的比例尺为10 μm。

三相平衡诱导的收缩动力学与机理：利用马兰戈尼效应（Marangoni effect）驱动的三相平衡体系（四氯化碳/水/正己烷），结合光学显微镜实时成像与界面张力理论计算，揭示了丙酮作为助溶剂通过降低界面张力促进水分子向有机相迁移，从而触发APM在5分钟内快速收缩并转移至油水界面，实现了对微凝胶体积和热点分布的动态精确调控。

图 2(A) 三相平衡诱导APM收缩的示意图。(B) （上）部分互溶的三液体系三相平衡相图（彩色区域代表均匀的混合单相，白色线条区域代表相分离），以及处于最终收缩状态的银纳米粒子（AgNPs）分布模型（银颗粒被虚拟的立方体外壳包裹，并在三维空间中均匀分布）。(C) APM的收缩程度随界面厚度增加的变化关系。(D) 和 (E) 三相平衡体系中APM的光学图像，其中 (D) 为添加丙酮，(E) 为未添加丙酮。图D-E中的比例尺为20 μm。

热点增强效应的仿真模拟与光谱验证：利用时域有限差分法（FDTD）模拟不同纳米间隙下的近场电磁场分布，结合紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）和SERS时间依赖性测试，证实了随着APM收缩导致AgNPs间隙从15 nm减小至7 nm，局域表面等离子体共振（LSPR）发生红移且电磁场强度增强约27倍，同时该基底在4周储存期内仍保持95%以上的SERS活性，展现了优异的时间稳定性。

图 3 (A, B) 在收缩过程中，具有不同纳米间隙的银纳米粒子（AgNPs）聚集体的近场电磁场强度分布。(C) 由吸收光谱得出的对应局域表面等离子体共振（LSPR）特性。(D) 随着储存时间的增加，AgNPs和APM的平均增强因子（EF）变化。(E) 由三相平衡诱导的APM获取的聚苯乙烯（PS）随时间变化的SERS光谱。

分子筛分效应与对不同尺寸分子的SERS响应：利用APM的多孔网络结构特性，结合小分子（如芘）、大分子（如聚苯乙烯PS）及细胞（如MCF-7）的SERS光谱对比，验证了APM对大尺寸分子的“筛分”富集能力（增强因子达1.36×10⁸），实现了对聚苯乙烯（PS）等环境污染物低至0.03 μg/mL的检测限，同时有效排除了小分子干扰。

图 4 (A) 添加不同浓度芘（PYR，a-e，10⁻⁵–10⁻⁹ M）后APM的SERS光谱。(B) 添加不同浓度邻苯二甲酸丁苄酯（BBP，a-e，10⁻⁴–10⁻⁸ M）后APM的SERS光谱。(C) 添加不同浓度蒽（ANT，a-e，10⁻⁵–10⁻⁹ M）后APM的SERS光谱。(D) 添加不同浓度聚乙烯（PE，a-e，1–10⁴ μg/mL）后APM的SERS光谱。(E) 添加不同浓度聚苯乙烯（PS，a-e，0.1–10⁵ μg/mL）后APM的SERS光谱。(F) 添加不同浓度聚氯乙烯（PVC，a-e，10–10⁴ μg/mL）后APM的SERS光谱。(G) 不同浓度Michigan癌症基金会-7（MCF-7）细胞（a-e，10⁵–10¹⁰ 个/mL）的SERS光谱。(H) 不同浓度Hela细胞溶液（a-e，10⁵–10¹⁰ 个/mL）的SERS光谱。(I) 不同浓度H8细胞溶液（a-e，10⁵–10¹⁰ 个/mL）的SERS光谱。

SERS检测的重现性、稳定性与基底再生性能：利用SERS Mapping面扫描和长期储存实验，结合碘离子（I⁻）洗脱再生策略，验证了APM基底在10次“检测-再生”循环后信号波动极小（RSD < 7.1%），且相比裸露AgNPs具有更优的信号均匀性（RSD 5.8% vs 15.1%）和抗干扰稳定性，实现了SERS基底的可持续重复使用。

图 5 图注主要对比了APM和传统AgNPs在SERS检测中的均匀性、信号重现性以及长期稳定性，(A, D) 拉曼光谱。(B, E) 分别使用APM（左侧，比例尺为1 μm）和AgNPs（右侧，比例尺为1 μm）时，聚苯乙烯（PS）在1002 cm⁻¹处特征峰的SERS Mapping（面扫描）图。(C, F) 分别利用(C) APM和(F) AgNPs获取的30条随机拉曼光谱中，1002 cm⁻¹特征峰强度的波动情况。(G) 在不同反应时间下，AgNPs和APM的1002 cm⁻¹特征峰强度（I₁₀₀₂）变化曲线。(H) 在8周的时间跨度内，获取的PS（1 mg/mL）在1002 cm⁻¹处的SERS强度对比，测试基底包括：(a) 二氧化硅包覆的AgNPs (SAN)、(b) 纯AgNPs、(c) AgNPs嵌入的ZIF-8 (ANZ) 以及 (d) APM。(I) APM在8周储存期内，1002 cm⁻¹特征峰强度（I₁₀₀₂）的变化曲线。

复杂介质中多种致病菌的同步鉴别与定量分析：利用APM三相界面富集策略结合机器学习算法（PCA主成分分析与SVM支持向量机），对牛奶和尿液样本中的四种致病菌（大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、沙门氏菌、李斯特菌）进行指纹光谱采集与分类，实现了对混合菌群的高准确度鉴别（分类准确率100%）及低至0.28 CFU/mL的超灵敏检测，回收率在92.51%-108.5%之间。

图 6 图注主要展示了利用该传感器对多种致病菌进行多重定量检测和机器学习分类识别的能力，(A) 利用APM对细菌进行多重定量分析的示意图。(B)、(C) APM用于鉴别大肠杆菌（E. coli）的SERS光谱。(D) APM用于鉴别伤寒沙门氏菌（S. typhi）的SERS光谱。(E) APM用于鉴别单核细胞增生李斯特菌（L. mono）的SERS光谱。注：色条（coloured bar）表示各特征峰的相对强度。(F) 和 (G) 混合样本中存在四种细菌时，分别基于APM（F）和AgNPs（G）的SERS光谱所得的主成分分析（PCA）得分图。(H) 和 (I) 分别利用支持向量机（SVM）对APM（H）和AgNPs（I）进行分类识别所得的混淆矩阵。

3.总结

本文构建了一种基于三相平衡诱导收缩的APM传感平台，其核心优势在于实现了超高灵敏度与卓越稳定性的统一。通过微凝胶收缩效应，该平台能显著拉近纳米粒子间距，产生极强的局域电磁场增强。相比传统基底，APM不仅表现出优异的信号均匀性与重现性，更在长达8周的储存期内保持了极高的稳定性。此外，结合PCA与SVM等机器学习算法，该系统成功实现了对多种环境污染物及致病菌的高通量、多重精准鉴别，在复杂样本的现场快速检测领域展现出巨大的应用潜力。

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