主动可调谐压电SERS平台用于多种体液中巨细胞病毒的超灵敏无标记检测

《Talanta》：Actively tunable piezoelectric SERS platform for ultrasensitive and label-free detection of cytomegalovirus in diverse body fluids

　　

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  通过将Ti₃C₂纳米片装饰到PVDF纳米纤维上，构建了一种压电增强SERS基底。
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  在低施加压力下实现了近2.21倍增强因子（2.68 × 10⁷）。
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  在人工体液中实现了巨细胞病毒的准确无标记检测，并获得了可靠的回收率。

引言

据估计，全球50-90%的成年人会终身感染巨细胞病毒，而该病毒对免疫功能低下宿主构成特别严重的威胁，是导致发病的重要因素之一 [1], [2]。更令人担忧的是，由妊娠期间母婴传播引起的先天性巨细胞病毒感染，是导致新生儿感音神经性听力损失和神经功能障碍的首要病毒病因 [3]。因此，及早诊断和临床管理对于实现巨细胞病毒的及时可靠检测至关重要。在常规诊断方法中，聚合酶链反应（PCR）具有较高的分析灵敏度，但通常需要专业仪器且相对较长的检测周转时间。酶联免疫吸附测定（ELISA）操作相对简单快捷，但在感染早期对巨细胞病毒的检测灵敏度不足 [4], [5]。这些局限性突显了对兼具快速性、灵敏度和适用于床旁或门诊部署场景的替代诊断方法的迫切需求。

近年来，表面增强拉曼散射（SERS）光谱学作为一种强大的生物分析技术，可通过病毒病原体的固有分子指纹实现无标记超灵敏检测，引起了广泛关注 [6], [7], [8], [9], [10]。借助这种指纹识别能力，已鉴定出一些典型的巨细胞病毒生物标志物，如糖蛋白B和pp65蛋白，这为传统免疫分析提供了一种有说服力的替代方案，避免了抗体标记及其相关的假阳性风险 [11]。尽管具有这些优势，但现有基底材料的根本局限仍然阻碍了SERS技术在巨细胞病毒常规临床检测中的应用。传统SERS平台主要由贵金属纳米材料构建，这些材料凭借其局域表面等离子体共振（LSPR）特性提供强电磁增强，从而实现超灵敏检测 [12], [13], [14], [15]。然而，此类材料在复杂生物基质中容易出现化学稳定性不足和信号重现性差的问题 [16]。

这些挑战促使人们对替代材料，尤其是二维（2D）半导体，产生了日益增长的兴趣，这些材料在生物相容性、稳定性和表面化学性质方面具有独特优势 [17], [18]。在这些材料中，MXenes——一类源自MAX相的过渡金属碳化物和氮化物——在SERS检测领域受到了广泛关注。具体而言，MXenes具有高的电导率、可调的表面终态以及具有大比表面积的层状结构，使其非常适合目标分析物的吸附，并通过化学增强增强SERS信号 [19], [20], [21]。例如，最近开发了一种基于V₂CT_X MXene的SERS生物传感器用于病毒抗原检测，利用手持式拉曼光谱仪在唾液样本中实现了病毒刺突蛋白低至1.562 nM的超低检测限（LOD）[22]。类似地，Nb₂C和Ta₂C纳米片（NSs）已被证明通过光诱导电荷转移（PICT）共振和电磁增强的协同效应，对目标蛋白实现了高达3.0 × 10⁶和1.4 × 10⁶的增强因子（EFs）[23]。尽管这些工作展示了MXene作为高性能SERS检测平台的潜力，但大多数报道采用刚性和平面基底，无法满足复杂生物基质中实时和即时病毒诊断的需求。

随着即时病毒诊断需求的增加，柔性SERS基底的发展引起了极大关注，特别是用于检测主要存在于体液中的巨细胞病毒 [24], [25]。与刚性基底相比，柔性SERS基底在贴合不规则表面、实现拭子采样以及组装成可穿戴或便携式传感平台方面具有独特优势 [26], [27]。近期研究表明，基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等聚合物的柔性基底可通过浸涂、原位生长和物理气相沉积等可扩展方法制备，实现大面积均匀性和机械鲁棒性 [28], [29], [30]。然而，大多数柔性基质仅作为机械支撑，缺乏主动调节SERS信号的能力。这一局限性严重限制了其在即时检测中的应用，因为在识别生物体液中微量巨细胞病毒时，按需信号放大至关重要。在这方面，聚偏氟乙烯（PVDF）作为一种新兴的机械支撑材料，可在外部应力下产生极化电场，从而在实际检测场景中主动调节SERS活性 [31], [32]。特别是，与连续薄膜相比，电纺PVDF纳米纤维凭借其高曲率表面具有独特优势，可实现等离子体"热点"的密集分布，同时其三维（3D）多层结构有利于有效的质量传输并增强对目标分析物的捕获 [33], [34]。例如，Xu等人证明将Ag纳米粒子沉积在PVDF纳米纤维上可通过电磁和压电效应的结合实现双重增强 [35]。类似地，Jing等人制备了一种柔性Au@ZnO SERS基底，利用压电效应增强局域表面等离子体共振 [36]。尽管这些研究验证了压电薄膜在调节SERS信号方面的可行性，但将压电效应用于主动控制二维材料的化学增强组分的具体应用仍然鲜有探索。我们之前的工作表明，在恒定压力下，自供电黑磷-氧化石墨烯/PVDF薄膜可实现近三倍的SERS信号增强 [37]。因此，基于PVDF纳米纤维支撑MXene纳米材料构建可主动调节的SERS平台，对于实现巨细胞病毒的快速、灵敏和可靠的即时检测具有极大前景，其底层信号调节机制仍有待系统研究。

本文开发了一种用于巨细胞病毒超灵敏检测的柔性SERS基底，通过将二维Ti₃C₂纳米片（NSs）沉积到电纺PVDF纳米纤维上制备而成。在该设计中，Ti₃C₂ NSs丰富的表面终态提供了大量锚定病毒的活性位点，而压电PVDF纳米纤维可实现应变调节的电荷极化以促进界面电荷转移（CT）。通过这种协同效应，PVDF/Ti₃C₂基底的增强因子（EF）值达到2.68 × 10⁷，显著增强了锚定目标的拉曼信号。重要的是，对加标的房水样品进行了直接SERS分析，获取了巨细胞病毒的高分辨SERS光谱，并基于巨细胞病毒酰胺I振动指纹建立了标准校准曲线。在后续实际测试中，尽管存在背景干扰，在施加外压下仍能在水玻璃体、血清和尿液等多种体液中一致检测到特征性病毒信号。此外，施加压力的微小增加（从10 N增至20 N）导致房水中信号回收率的显著提高，从87.3%上升至99.2%。因此，建立了一种主动调节的SERS策略，用于复杂生物基质中巨细胞病毒的可靠检测，为早期病毒诊断提供了一种有前景的方法。

章节摘要

Ti₃C₂纳米片的合成

Ti₃C₂ NSs通过选择性刻蚀Ti₃AlC₂合成。具体而言，首先将1.6 g LiF溶解于20 mL HCl（9 M）中配制刻蚀液，然后逐渐加入1 g Ti₃AlC₂，在45 °C下磁力搅拌反应80 h。刻蚀过程完成后，将所得悬浮液用去离子水进行多次洗涤和离心（3500 rpm）循环，直至上清液接近中性。所得沉淀物再分散于100

PVDF/Ti₃C₂基底的表征

如上所述，在复杂生物体液中灵敏检测巨细胞病毒需要兼具高效目标富集和主动信号调节能力的SERS基底。为解决这一挑战，我们将二维Ti₃C₂ NSs沉积到电纺PVDF纳米纤维上，构建了一种柔性SERS活性平台，该设计旨在同时实现分析物捕获和压电信号增强。如图1a所示，源自选择性

结论

在本研究中，我们提出了一种基于压电PVDF纳米纤维装饰Ti₃C₂ NSs的柔性可主动调节SERS平台，实现了生物体液中巨细胞病毒的可靠超灵敏检测。通过压电极化与Ti₃C₂ NSs提供的丰富活性位点的协同效应，该平台实现了完美的信号增强，在20 N机械应力下与未加压状态相比，增强了近2.22倍EF（2.68 × 10⁷）

CRediT作者贡献声明

李依依：调查研究。唐静：调查研究。杨家齐：撰写——初稿、方法论、调查研究、数据整理。孟源：调查研究。张俊涛：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取。胡新新：调查研究、资金获取。蒋涛：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金获取

利益冲突声明

? 作者声明，他们没有已知的会对其在本论文中报告的工作产生影响的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（项目编号62375146）、浙江省医药卫生科技计划项目（项目编号2024KY1599）、宁波市眼科临床医学研究中心（项目编号2022L003）、宁波市领先医学卫生学科项目（项目编号2016-S05）、宁波市"创新甬江2035"关键技术攻关项目（项目编号2024Z233）、宁波市科技计划公共

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