金纳米棒自组装柔性膜的制备及比率型表面增强拉曼散射细菌传感器

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.240391

摘要/Abstract

摘要：

细菌是引发感染的关键因素，定量检测对临床监测和治疗指导至关重要。通过二液相成膜法，将金纳米棒（Gold nanorods， Au NRs）自组装成致密的金属薄膜，并成功转移到超薄热塑性聚氨酯表面，形成了均匀且稳定的柔性表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman scattering， SERS）活性基底。该基底经过4-巯基苯硼酸（4-Mercaptophenylboric acid， MPBA）修饰，能够有效固定细菌并提供参比信号。同时，该基底对修饰的MPBA分子的检测限能够达到1×10^-9 mol/L。制备了金银核壳结构的SERS标签，利用夹层中的5，5′-二硫代双（2-硝基苯甲酸）（5，5′-Dithiobis-（2-nitrobenzoic acid）， DTNB）作为目标信号，制备的基底能够将SERS标签的信号增强约54倍。将SERS标签与核酸适配体结合，实现了对大肠杆菌（Escherichia coli， E.coli）的特异性识别。通过分析目标信号与参比信号的拉曼特征峰强度比（I₁₃₃₇/I₁₀₇₈），在水和唾液样本中，细菌浓度在1×10²~1×10⁷ CFU/mL范围内与I₁₃₃₇/I₁₀₇₈呈现良好的线性关系，决定系数（R² ）为0.97126，优于仅分析目标信号的R²（0.87046），显示比率型分析拟合效果更佳。这种策略在细菌检测方面具有潜在的应用价值。

关键词: 二液相成膜法, 金纳米棒, 表面增强拉曼散射, 4-巯基苯硼酸, 比率型分析

Abstract:

Bacteria are key factors in causing infections， and quantitative detection for bacteria is crucial for clinical monitoring and treatment guidance. Gold nanorods （Au NRs） were self-assembled into dense metallic films using a liquid-liquid interface method and successfully transferred onto an ultrathin thermoplastic polyurethane surface， forming a uniform and stable flexible surface-enhanced Raman scattering （SERS） active substrate. This substrate was modified with 4-mercaptophenylboronic acid （MPBA） to provide a reference signal for bacterial fixation. On this substrate， the detection limit for MPBA molecules can reach 1×10^-9 mol/L. A gold-silver core-shell structured SERS tag was prepared， using 5，5'-dithiobis （2-nitrobenzoic acid）（DTNB） in the interlayer as the target signal. The signal of SERS tags can be enhanced by about 54 times by the prepared substrate. By combining SERS tags with nucleic acid aptamers， specific recognition of Escherichia coli （E.coli） was achieved. By analyzing the ratio of Raman characteristic peak intensities between the target signal and the reference signal （I₁₃₃₇/I₁₀₇₈）， a good linear relationship was observed between bacterial concentration in the range of 1×10² to 1×10⁷ CFU/mL and I₁₃₃₇/I₁₀₇₈ in water and saliva samples， with a coefficient of determination （R² =0.97126）. It was superior to analyzing the target signal alone （R² =0.87046）， demonstrating that ratiometric analysis provided a better fit. This strategy shows potential application value in bacterial detection.

Key words: Liquid-liquid interface method, Gold nanorods, Surface-enhanced Raman scattering, 4-Mercaptophenylboronic acid, Ratiometric analysis

中图分类号:

O657.3

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图/表 5

图1 （A） Au膜的组装和结构示意图；（B） Au@DTNB@Ag@Apt的结构示意图；（C） Au Film@MPBA和Au@DTNB@Ag@Apt三明治识别E.coli的机制示意图

Fig.1 （A） Schematic diagram of the assembly and structure of the Au Film；（B） The structure of Au@DTNB@Ag@Apt；（C） The detection mechanism of Au Film@MPBA and Au@DTNB@Ag@Apt to E.coli by the sandwich recognition method

图2 Au NRs的（A）TEM图和（B）长度和直径统计数据；（C） Au NRs 和Au @MPBA的Zeta电势； Au膜的（D） TEM图、（E）实物尺寸和（F）质感；（G） Au NRs 和Au膜的UV-Vis光谱图；（H） Au膜和Au Film@MPBA的拉曼光谱图；（I）不同层数Au Film@MPBA的SERS活性

Fig.2 （A） TEM image and （B） length and diameter statistical data of Au NRs；（C） Zeta potential of Au NRs and Au@MPBA；（D） TEM image，（E） physical dimensions， and （F） texture of Au Film；（G） UV-Vis spectra of Au NRs and Au Film；（H） Raman spectra of Au Film and Au Film@MPBA；（I） SERS activity of Au Film@MPBA with different layers

图3 Au膜经不同浓度MPBA处理后的（A）SERS结果和（B）线性拟合谱线；（C） Au Film@MPBA上不同位点的SERS活性；（D）不同批次Au Film@MPBA的SERS活性；（E） Au Film@MPBA正面与背面采集的SERS结果；（F）存放0 d、7 d、3个月和6个月后Au Film@MPBA的SERS性能

Fig.3 （A） SERS results and （B） linear fitting curve of the Au Film with different concentrations of MPBA；（C） SERS activity at different sites on Au Film@MPBA；（D） SERS activity of different batches of Au Film@MPBA；（E） SERS results collected from the front and back of Au Film@MPBA；（F） SERS performance of Au Film@MPBA after storage for 0 d， 7 d， 3 months， and 6 months

图4 Au@DTNB@Ag的（A）TEM图；（B）Au和（C）Ag的元素分布；（D） Au@DTNB和Au@DTNB@Ag的UV-Vis谱线；（E） Au@DTNB和Au@DTNB@Ag的SERS活性；（F）空白TPU和Au Film@MPBA对Au@DTNB@Ag的拉曼增强；（G） Au Film@MPBA捕获E.coli的光镜图

Fig.4 （A） TEM image of Au@DTNB@Ag； Elemental distribution of （B） Au and （C） Ag of Au@DTNB@Ag；（D） UV-Vis spectra of Au@DTNB and Au@DTNB@Ag；（E） SERS activity of Au@DTNB and Au@DTNB@Ag；（F） Raman enhancement of blank TPU and Au Film@MPBA to Au@DTNB@Ag；（G） Optical microscopy image of Au Film@MPBA capturing E.coli

图5 （A）三明治样基底在不同E.coli浓度（0~1×10? CFU/mL）下的SERS结果；（B）在水样本中，E.coli对数浓度与I1337/I1078的线性关系，或（C）E.coli对数浓度与I1337的线性关系；（D）在人工唾液样本中，检测平台在不同E.coli浓度（0~1×10? CFU/mL）的SERS结果；（E）唾液中E.coli对数浓度与I1337/I1078的关系；（F）在与混合细菌（E.coli、S.aureus、F.nucleatum和P.gingivalis）， E.coli、S.aureus、F.nucleatum或P.gingivalis共同培养的基底上的I1337/I1078值

Fig.5 （A） SERS results of sandwich-like substrates at different E.coli concentrations （0~1×107 CFU/mL） in water； The relationship （B） between the logarithmic concentration of E.coli and I1337/I1078 or （C） between the logarithmic concentration of E.coli and I1337 in water；（D） SERS results at different E.coli concentrations （0~1×107 CFU/mL） in saliva；（E） The relationship between the logarithmic concentration of E.coli and I1337/I1078 in saliva；（F） I1337/I1078 on substrates incubated with mixed bacteria （E.coli， S.aureus， F.nucleatum and P.gingivalis）， E.coli， S.aureus， F.nucleatum or P.gingivalis

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