镧掺杂WaveFlex生物传感器：CeCoMOF@Ag@MoS2–金纳米棒功能化用于阪崎克罗诺杆菌超灵敏检测

《Biosensors》：Lanthanum-Doped WaveFlex Biosensor Functionalized with CeCoMOF@Ag@MoS2–Gold Nanorods for Ultrasensitive Detection of Cronobacter sakazakii

　　

本研究开发了一种新型光纤生物传感器，将CeCoMOF@Ag@MoS₂纳米材料与金纳米棒（AuNRs）相结合。该传感器采用多模光纤（MMF）–镧掺杂光纤（LDF）–多模光纤（MMF）（MLM）光纤结构，CeCoMOF、Ag@MoS₂与AuNRs的整合将多孔骨架的结构优势与金属纳米结构的等离激元响应相结合，为光纤局域表面等离激元共振（LSPR）检测提供了复合传感界面，并测量了不同浓度阪崎克罗诺杆菌（C. sakazakii）的折射率灵敏度。传感界面通过在探针表面集成CeCoMOF@Ag@MoS₂与AuNRs进行设计，以优化LSPR响应并为抗体功能化提供合适平台。随后，探针用抗阪崎克罗诺杆菌单克隆抗体进行功能化以促进靶标识别。根据实验结果表明，所开发传感器的检测范围为1 × 10⁰–1 × 10⁷ CFU/mL，灵敏度为5.1447 nm/[CFU/mL]，检测限为0.78 CFU/mL。此外，该传感器具有良好的重复性、稳定性、选择性和可重用性。在测试条件下，对所建议传感器在淀粉基质中的传感性能进行了分析。需要注意的是，性能的提升不仅源于镧（La）掺杂，还源于多锥形MLM结构、La掺杂以及纳米材料–抗体相互作用的协同效应。

阪崎克罗诺杆菌（Cronobacter sakazakii）是一种革兰氏阴性食源性致病菌，常见于婴幼儿配方奶粉等食品基质中，感染后可引发严重肠道疾病甚至威胁生命，因此快速灵敏检测对食品安全监测至关重要。传统检测方法如聚合酶链反应（PCR）和酶联免疫吸附测定（ELISA）虽具有较高灵敏度和特异性，但存在设备昂贵、操作繁琐、耗时较长、难以适应复杂样品等局限，而经典免疫学方法灵敏度相对较低。生物传感器技术因检测时间短、灵敏度高、便携且易于快速检测而受到关注。基于局域表面等离激元共振（LSPR）的光纤探针具有实时监测、免标记、小型化和抗电磁干扰等优势，特殊光纤与功能纳米材料结合可增强光与物质相互作用，掺杂纳米材料光纤能够提升传感器性能。在此背景下，研究人员提出一种基于LSPR检测阪崎克罗诺杆菌的新型传感方法，采用多模光纤（MMF）与镧掺杂光纤（LDF）组合设计独特的MLM WaveFlex生物传感器结构以增强光纤传输特性，并通过在光纤表面固定AuNRs和CeCoMOF@Ag@MoS₂纳米材料成功激发LSPR效应，提升传感器响应能力，同时为后续抗体功能化提供合适界面。研究结果表明，该光纤传感器可在1 × 10⁰至1 × 10⁷ CFU/mL范围内检测阪崎克罗诺杆菌，灵敏度为5.1447 nm/[CFU/mL]，检测限为0.78 CFU/mL；整体性能提升归因于多锥形MLM结构、La掺杂以及AuNRs/CeCoMOF@Ag@MoS₂涂层的协同效应。该研究为食源性致病菌的快速灵敏检测提供了新的技术途径，对食品安全早期预警具有重要意义。

研究人员开展研究用到的主要关键技术方法包括：采用光纤熔接机（FSM）和拉锥制造系统（CMS）制备MMF–LDF–MMF（MLM）多锥形光纤结构；利用RSoft软件模拟光纤结构的光传输行为；通过水热法合成CeCoMOF、Ag@MoS₂及其复合材料CeCoMOF@Ag@MoS₂，采用种子生长法制备金纳米棒（AuNRs）；使用高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）、扫描电子显微镜（SEM）及能量色散谱（EDS）、紫外–可见吸收光谱对纳米材料进行表征；通过11-巯基十一烷酸（MUA）羧基化及EDC/NHS活化将抗阪崎克罗诺杆菌单克隆抗体固定于探针表面；以钨卤光源和光谱仪构建检测系统，测量LSPR峰位变化；实际样品为甘薯淀粉、玉米淀粉和婴幼儿配方奶粉。

研究结果方面：在光纤传感器探针优化中，研究人员通过CMS仪器调试并优化锥形参数，综合考虑灵敏度与探针机械完整性，选择95 μm和75 μm的锥形直径，直径扫描与透射强度测量结果表明探针具有优异的重复性，LDF作为中心段可通过La掺杂改变折射率分布并增强锥腰处倏逝场，但性能提升并非仅源于La掺杂，而应视为光纤结构、纳米材料功能化与LSPR响应的集成传感系统。在纳米颗粒表征中，HR-TEM与TEM-EDX证实CeCoMOF@Ag@MoS₂复合材料的组分，紫外–可见吸收光谱显示其在370 nm和653 nm处有明显吸收峰，AuNRs在518 nm和691 nm处具有特征吸收峰；传感增强效应可能源于AuNRs对周围介电环境高度敏感的LSPR、Ag@MoS₂中Ag纳米颗粒对等离激元响应的贡献以及多孔CeCoMOF骨架提供的纳米材料整合与抗体固定平台，传感响应是等离激元响应、局部折射率变化与生物分子识别协同作用的结果。在固定纳米颗粒结构表征中，SEM图像显示光纤具有明显锥形形貌，SEM-EDS确认光纤表面存在Au、Ce、Co、Ag、Mo和S元素，表明AuNRs与CeCoMOF@Ag@MoS₂成功覆盖于光纤表面。在阪崎克罗诺杆菌测量中，LSPR光谱随细菌浓度增加出现显著红移，线性拟合度R²为0.9965，线性检测范围为1 × 10⁰–1 × 10⁷ CFU/mL，灵敏度为5.1447 nm/[CFU/mL]，检测限为0.78 CFU/mL；由于未独立测试低于1 CFU/mL的浓度，所报道检测限仅为估算值而非实验验证的实际检测限，超过1 × 10⁷ CFU/mL的响应未予考察。在重现性与可重用性结果中，三种不同探针在相同细菌浓度下显示一致的LSPR峰波长，表明探针具有良好的重现性；在1 × 10²、1 × 10³和1 × 10⁴ CFU/mL三个浓度下进行10次连续再生–检测循环，共振峰位置保持一致，表明探针可再生并重复使用。在稳定性与pH结果中，探针在7天评估期内波长漂移变化很小，表明其稳定性良好；在pH 3、6、10和13条件下测试，pH = 7.4的PBS溶液显示最大波长漂移，可能归因于PBS良好的缓冲能力维持了细菌高代谢与表面活性。在选择性与环境稳定性分析中，37 °C时波长漂移最大，表明该温度有利于产生显著传感响应；选择性测试中阪崎克罗诺杆菌产生最大波长漂移，而A. veronii、S. sonnei、S. flexneri和S. typhimurium四种非靶标微生物仅引起微小漂移，但研究人员指出当前工作未设计抗体负载或表面覆盖度的独立定量评估，所观察响应应视为抗体功能化传感界面的整体响应而非绝对特异性，且未纳入无抗体和非特异性抗体对照实验，无法定量区分特异性抗原–抗体识别与非特异性吸附的贡献；盐度测试中低盐度下波长漂移最大，表明阪崎克罗诺杆菌在低盐度条件下更活跃；生物膜实验中龙胆紫染色引起最大波长变化，OD 0.5细菌溶液较OD 0.1显示更大波长漂移，表明较高细胞浓度促进细菌黏附与生物膜形成。在实际样品检测中，甘薯淀粉和玉米淀粉的回收率分别为91%和83%，相对标准偏差（RSD）分别为0.81%和1.15%；婴幼儿配方奶粉回收率为64%，RSD为10.8%，反映其高脂肪和高蛋白含量引起的基质效应，表明该生物传感器对婴幼儿配方奶粉中阪崎克罗诺杆菌具有响应能力，但需进一步优化样品预处理方法以提高复杂基质中的回收率与准确性。在传感性能评估中，研究人员将本传感器灵敏度与现有传感器进行比较，指出部分传感器未以直接可比单位报告灵敏度，不同传感技术与信号转导参数存在差异，因此本工作灵敏度值应在LSPR波长漂移传感的语境下理解。

讨论部分总结：研究人员指出线性响应仅限于1 × 10⁰至1 × 10⁷ CFU/mL的研究浓度范围，共振波长漂移与该范围内阪崎克罗诺杆菌浓度对数值（log₁₀C）线性相关，未观察到明显偏离；超过1 × 10⁷ CFU/mL时可能因抗体结合位点逐渐被占据而出现饱和，但该浓度以上的响应未予考察。选择性评估仅限于所测试的非靶标微生物，不能完全代表传感器对更广泛食品相关或混合细菌群体的响应，所观察波长漂移可能同时包含特异性抗原–抗体识别与非特异性相互作用的贡献。实际样品测试结论应在所测试基质范围内解释。研究结论部分翻译如下：本研究开发了一种基于混合MMF–LDF结构的新型锥中锥WaveFlex生物传感器用于检测阪崎克罗诺杆菌。探针表面依次用AuNRs和CeCoMOF@Ag@MoS₂纳米复合材料功能化，这些纳米材料的组合通过互补的等离激元与界面效应促进了传感界面光学响应的增强，包括AuNRs和Ag的LSPR贡献以及异质纳米复合材料对局部介电环境的修饰，所得传感界面为抗体固定提供了合适平台。在所研究条件下，抗体功能化传感界面对阪崎克罗诺杆菌的响应强于所测试的非靶标微生物，非靶标细菌仅观察到微小响应。记录了不同浓度阪崎克罗诺杆菌溶液的LSPR光谱，表明传感器在1 × 10⁰至1 × 10⁷ CFU/mL范围内呈线性响应，灵敏度为5.1447 nm/[CFU/mL]，检测限为0.78 CFU/mL。此外，对探针的重现性、可重用性、稳定性、选择性和pH耐受性进行了严格研究，以确立其检测阪崎克罗诺杆菌的实际应用潜力。所建议传感器的分析性能在测试条件下得到验证，探针间重现性、可重用性、稳定性和选择性测试结果以及加标甘薯淀粉、玉米淀粉和婴幼儿配方奶粉样品的回收率结果证明了其在这些食品基质中检测阪崎克罗诺杆菌的潜力。所开发的传感器将多锥形MLM结构与纳米材料功能化抗体界面相结合，实现了阪崎克罗诺杆菌的灵敏检测。