具有双间隙 Au@Ag 纳米结构的基于碳纳米管柔性 SERS 适配体传感器用于猪肉中金黄色葡萄球菌的现场检测

《Food Control》：Flexible carbon nanotube-based SERS aptasensor with double-gap Au@Ag nanostructures for on-site Staphylococcus aureus detection on pork

　　

摘要

金黄色葡萄球菌 (S. aureus) 是一种主要的食源性病原体，对公共卫生构成严重威胁，迫切需要开发快速且灵敏的检测方法。本文中，我们开发了一种柔性表面增强拉曼散射 (SERS) 适体传感器，用于灵敏且特异性地检测 S. aureus。该传感器采用单适体介导的夹心式识别构型：聚酰亚胺/单壁碳纳米管 - 金纳米颗粒 (PI/SWCNT-AuNP) 薄膜作为捕获基底，而 4-巯基苯甲酸 (4-MBA) 标记的金双间隙纳米颗粒@Ag (AuDGN^MBA@Ag) 作为信号探针。这种构型旨在使目标细菌通过适体介导的顺序结合捕获基底和信号探针，从而实现高灵敏度的 SERS 定量分析。在最佳条件下，该适体传感器展现出从 10 到 10⁵ CFU/mL 的宽线性范围，R² 为 0.995，检测限 (LOD) 低至 2.52 CFU/mL，具有良好的信号均匀性和高特异性。此外，使用加标猪肉样品验证了传感器的实际适用性，回收率达到了 90.2%–104%，结果与标准微生物平板计数一致 (p > 0.05)。这种柔性 SERS 平台为现场食品安全监测提供了一种稳健且便携的解决方案。

引言

金黄色葡萄球菌 (S. aureus) 是一种普遍存在的食源性病原体，对公共卫生构成重大威胁。它通常通过加工过程中的交叉污染、携带者介导的传播和环境暴露频繁污染肉类产品 (Guo, et al., 2025; Xie, et al., 2026)。摄入受 S. aureus 污染的食物会导致严重的临床表现，范围从胃肠道感染到全身性菌血症 (Li, et al., 2024; Piewngam, et al., 2024)。鉴于其高风险，监管机构如中国标准 GB 29921-2021 已对肉类产品中的 S. aureus 建立了严格限制 (例如，最高 1000 CFU/g)。因此，迫切需要快速、灵敏且现场的检测方法以确保食品安全。

包括微生物培养 (Abdelshafy, et al., 2025)、免疫测定 (Gao, et al., 2025) 和基于分子生物学的方法 (Bogiel, et al., 2024; Li, et al., 2025) 在内的传统检测技术被广泛使用。然而，这些方法通常受到耗时程序的制约，需要繁重的样品预处理，并要求有专门人员 (Dong, et al., 2024)。这些局限性阻碍了它们在现代食品供应链中进行高通量或现场监测的实用性 (Xu, et al., 2023)。

表面增强拉曼光谱 (SERS) 由于其快速响应、高灵敏度、分子指纹识别能力以及与便携式拉曼光谱仪兼容以进行现场检测，已成为一种强大的分析工具 (Ma, et al., 2025a; Zhou, et al., 2025a)。它适用于检测广泛的分析物，包括微生物、抗生素、金属离子和农药/兽药残留，在快速和无损食品安全检测领域具有独特优势 (Chen, et al., 2025; Jiang, et al., 2021)。当分析物分子定位于热点内时，SERS 信号会显著放大，热点是金属结构之间的纳米级间隙 (Peng, et al., 2024; Zhou, et al., 2025c)。在这些区域，电磁机制 (EM) 可以将信号增强 10⁴ 到 10⁶ 个数量级 (Ma, et al., 2025b; Zhu, et al., 2023)。最近在纳米结构工程方面的进展突显了双间隙纳米颗粒的优越性，如金双间隙纳米颗粒 (AuDGNs)，它们提供了高度稳定和可重现的电磁场增强 (Kim, et al., 2023)。此外，适体的整合以其高亲和力和特异性而闻名，通过提供比传统抗体更具成本效益和可编程性的替代方案，极大地推动了生物传感领域的发展 (Ma, et al., 2024a; Zhao, et al., 2022)。

尽管取得了这些进展，传统的刚性 SERS 基底往往机械柔韧性差，且无法适应不规则的食品表面，限制了它们的实际应用 (Adade, et al., 2025; Li, et al., 2023; Zhou, et al., 2025b)。为了解决这个问题，由纤维素、水凝胶和纳米碳材料等制成的柔性 SERS 基底已日益突出 (Chen, et al., 2023; Wei, et al., 2024; Zhao, et al., 2025)。其中，单壁碳纳米管 (SWCNTs) 尤为显著，提供大的比表面积和促进纳米颗粒及适体吸附的多孔框架，同时通过电荷转移有助于化学增强 (Sharma, et al., 2026; Xie, et al., 2025)。此外，它们与便携式拉曼仪器的兼容性允许对目标分析物进行现场快速检测 (Ma, et al., 2024b; Yu, et al., 2025)。

在本研究中，我们开发了一种基于单适体介导的夹心式识别构型的柔性 SERS 适体传感器，用于灵敏检测 S. aureus。如图 1 所示，该传感器利用聚酰亚胺/SWCNT-AuNP (PI/SWCNT-AuNP) 薄膜作为捕获基底，并利用 4-巯基苯甲酸 (4-MBA) 标记的 AuDGN@Ag (AuDGN^MBA@Ag) 作为信号探针。传感构型旨在促进 S. aureus 与捕获基底和信号探针之间的适体介导结合，形成夹心式传感组装体。这种设计利用了 SWCNT-Au 基底的化学增强和 AuDGN^MBA@Ag 探针的电磁增强的协同效应，实现了对 S. aureus 的高灵敏度和可靠的定量分析。通过在加标猪肉样品中检测 S. aureus 进一步验证了该平台的有效性，证明其作为现场食品安全监测的稳健且便携解决方案的潜力。

章节摘要

试剂与材料

SWCNTs 购自 Carbon Solutions, Inc. (美国 Riverside)。四水合氯金酸 (HAuCl₄·4H₂O, 50%)、二水合柠檬酸钠 (Na₃C₆H₅O₇·2H₂O, 99.0%)、抗坏血酸 (AA, 99.0%)、硝酸银 (AgNO₃, 99.0%) 和硼氢化钠 (NaBH₄, 98.0%) 购自国药集团化学试剂有限公司 (北京，中国)。三 (2-羧乙基) 膦盐酸盐 (TCEP, 98.0%)、氯化十六烷基三甲铵 (CTAC, 97.0%)、溴化十六烷基三甲铵 (CTAB, 99.0%)、钠

AuDGNs 的尖端选择性生长机理

利用 AuNRs 的各向异性结构和表面化学特性实现了尖端选择性生长，最终形成具有双间隙的纳米结构 (Flores-Correa, et al., 2025)。这个过程依赖于 PEI 的各向异性吸附，它同时钝化棒体并将金沉积引导至尖端。PEI 的多分支氨基使其能够与金表面强结合。SDS 的存在赋予 AuNR 表面负电荷，

结论

总之，开发了一种柔性 SERS 适体传感器用于快速灵敏检测 S. aureus。柔性 PI/SWCNT-AuNP-Apt 基底通过简单粘附于样品表面实现细菌捕获，而 AuDGN^MBA@Ag-Apt 信号探针通过其固有的双纳米间隙结构提供丰富的电磁热点，确保高 SERS 灵敏度。在优化条件下，所提出的适体传感器展现出从 10 到 10⁵ CFU/mL 的宽线性检测范围 (R² =

CRediT 作者贡献声明

Lixin Ma: 方法论，形式分析。 Xinran Lv: 可视化，数据整理。 Yang Zhang: 软件，形式分析。 Jianrong Cai: 监督，资源。 Xiaobo Zou: 监督，资源，项目管理。 Ruiyun Zhou: 写作 - 初稿，调查，资金获取，构思。 Wenzheng Ye: 写作 - 审查与编辑，验证，调查。 Shipeng Gao: 写作 - 审查与编辑，方法论。 Chen Wang: 写作 - 审查与编辑，构思。 Zhe

未引用参考文献

Gao and Zheng, 2025; Piewngam and Otto, 2024.

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

这项工作由 国家自然科学基金 (32301690) 和 中国博士后科学基金 (2025T180824, 2023M733195) 资助。

Ruiyun Zhou|Wenzheng Ye|Lixin Ma|Xinran Lv|Yang Zhang|Shipeng Gao|Chen Wang|Zhe Feng|Zhiming Guo|Jianrong Cai|Xiaobo Zou

江苏大学食品科学与工程学院，中国镇江 212013