《Talanta》：Cross-validated SPR/SERS dual-mode fiber biosensor for rapid and accurate detection of
Salmonella Typhimurium in foods
编辑推荐：
•一种便携式锥形SPR光纤传感器，搭载噬菌体-Au/Ag海胆探针，用于食源性病原体检测•SPR/SERS双模检测通过相互验证减少假阳性并提高准确性•超灵敏S. T检测在35分钟内实现16 CFU/mL（SPR）和65 CFU/mL（SERS）的检出限•该传感器可与两种不同的便
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一种便携式锥形SPR光纤传感器，搭载噬菌体-Au/Ag海胆探针，用于食源性病原体检测
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SPR/SERS双模检测通过相互验证减少假阳性并提高准确性
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超灵敏S. T检测在35分钟内实现16 CFU/mL（SPR）和65 CFU/mL（SERS）的检出限
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该传感器可与两种不同的便携式检测器兼容，适用于现场食品安全场景
引言
鼠伤寒沙门氏菌（S. T）是全球范围内导致肠道感染和食物中毒的主要原因之一，常引发严重并发症甚至死亡，对婴幼儿、老年人及免疫缺陷人群尤为危险[1]。约5%–10%的患者会发展为菌血症，并可能进一步演变为局灶性感染[2]。当前的金标准检测方法耗时费力，需要精密设备和受过训练的人员[3]、[4]，导致诊断延迟。这些局限性凸显了开发快速、准确且易操作的现场检测技术的迫切需求。
我们课题组此前利用长周期光纤光栅灵敏地检测了金黄色葡萄球菌（S. A）[5]和大肠杆菌O157:H7（E. coli O157:H7）[6]。目前，表面等离子体共振（SPR）光纤传感器已成为实现无标记、超灵敏病原体检测的高效平台[7]、[8]。一个主要的设计挑战是在保持全内反射的同时，促进透射光与金属膜之间的相互作用。研究人员采用两种主要的制备方案：全包覆层剥离和受控倏逝波泄漏激发[9]。全包覆层剥离工艺步骤复杂，会削弱机械稳定性，且批次间可重复性差，导致光学信号微弱、传感性能不稳定。相比之下，受控泄漏策略——尤其是锥形光纤结构——因制造流程简单且灵敏度高而受到广泛认可[10]、[11]。锥形SPR传感器的性能关键取决于锥体几何结构和等离子体诱导的光吸收[12]、[13]。现代热拉伸技术现已实现可重复的制造[14]，为微生物分析提供了可靠平台。
等离子体技术，特别是SPR和表面增强拉曼散射（SERS），提供了无标记检测、分子指纹识别以及低至单细胞水平的超高灵敏度[15]、[16]、[17]，在医学诊断和环境监测中具有变革性应用潜力[18]、[19]。然而，单模等离子体传感可能受到环境干扰、基质效应和自荧光的影响——尤其是在深色食品等复杂样本中——导致结果不可靠和假阳性[20]、[21]。为克服这些局限性，将互补的换能通路相结合的双模或多模传感策略应运而生，实现了自验证并显著提高准确性，同时不牺牲检测速度。SPR与SERS的结合提供了一种协同平台，将实时无标记监测与超灵敏振动指纹识别融为一体，通过两种信号输出的相互验证减少检测误差[22]、[23]。尽管如此，工程化纳米结构以同时增强SERS热点并确保信号均匀分布仍然是一个挑战[24]。
贵金属纳米结构通过SERS可实现单分子检测[25]、[26]，其形态决定了局域电场分布和SERS增强效率。海胆状纳米颗粒（SNPs）具有多个分支和尖锐末端，因强烈的电磁热点效应，其SERS增强能力优于纳米球或纳米棒[27]、[28]、[29]。Au/Ag SNPs尤为有效，具有高密度热点、Au与Ag之间的协同等离子体耦合以及简单、成本效益高的合成方法[30]。
噬菌体作为生物识别元件具有优势，因其高特异性、结构稳定性强且易于化学修饰[31]、[32]、[33]。在严苛的食品基质条件下，噬菌体优于抗体和适配体，且成本效益高，适合大规模生产[34]。其固有的窄宿主范围确保了菌株级别的特异性[35]。基于我们课题组在噬菌体平台方面的先前经验[36]、[37]、[38]、[39]，本研究采用两种S. T特异性噬菌体进行夹心检测。通过结合靶菌上的不同表位，形成稳定的捕获-靶标-信号复合物，实现协同信号放大并提高灵敏度。
基于上述认识，我们开发了一种锥形SPR光纤生物传感器，利用Au/Ag SNP-噬菌体偶联物检测S. T。传感器的制备流程为：在锥形光纤上溅射金膜，修饰聚（二烯丙基二甲基氯化铵）（PDDA）以促进生物分子附着，定向固定S. T特异性噬菌体（P1）作为捕获探针，并用牛血清白蛋白（BSA）封闭。信号探针通过铜离子介导的静电自组装，将Au/Ag SNPs与6-罗丹明6G NHS酯（R6G NHS）标记的噬菌体（P2）结合制备而成。当S. T被捕获后，夹心复合物同时产生SPR信号（来自折射率变化）和SERS信号（来自等离子体增强拉曼散射），分别通过便携式光谱分析仪和便携式拉曼光谱仪依次读取。整体工作原理和实验装置如图1所示。
分节摘要
仪器设备
仪器设备的详细信息见补充材料第2部分。便携式检测设备的照片见图S1。
细菌与噬菌体培养
菌株和噬菌体的培养方法详见补充材料第3和第4部分。
噬菌体噬菌斑试验
噬菌体噬菌斑试验的操作方法详见补充材料第5部分。
食品样品处理
食品样品的预处理按照补充材料第6部分的方案进行。
锥形SPR光纤的折射率分析
通过改变拉伸机上的行进距离，制备了六种不同直径的锥形光纤（表S1）。所有直径的相对标准偏差（RSD）值均≤6.5%。这一结果证明了光纤拉丝过程具有很高的可重复性。扫描电子显微镜（SEM）图像（图S3g–i）显示锥形区域表面光滑。这一观察结果表明热拉伸主要减小了光纤直径，而未改变表面形貌。
三种
结论
综上所述，我们开发了一种灵敏、可靠且高度特异性的噬菌体功能化锥形SPR光纤生物传感器，用于食源性病原体的SPR和SERS双模检测。噬菌体修饰光纤表面并作为捕获探针固定目标菌株。噬菌体信号探针随后与捕获的细菌结合，形成夹心组装体（捕获探针@目标细菌@信号探针）。这些组装体提高了光纤表面附近的局部折射率并增强了信号放大。
CRediT作者贡献声明
黄圣峰：方法学、概念构思。甘宁：稿件审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。朱珊珊：初稿撰写、方法学、调查研究、形式分析、概念构思。苏宇栋：方法学、调查研究、数据整理。王叶：调查研究、数据整理。刘畅：验证、资源提供。张钰佳：验证、资源提供。唐大秀：调查研究、数据整理。张佩青：
利益冲突声明
? 作者声明，不存在已知可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究由国家自然科学基金（批准号 21974074、82304444）、浙江省自然科学基金（批准号 LY23B050001和LY23C200006）、宁波市科技创新2025重大项目（批准号 2022Z170和2021Z056）、宁波市自然科学基金和宁波市科技公益计划（批准号 2022S011）、浙江省重点研发计划（批准号
朱珊珊|苏宇栋|王叶|刘畅|张钰佳|唐大秀|张佩青|黄圣峰|甘宁
