本文介绍的是华南师范大学郭周义教授课题组一种基于金纳米粒子和HfTe2纳米片组成的新型二维SERS基底，用于食源性致病菌的非标记SERS检测和识别的研究论文，发表在《Journal of Innovative Optical Health Sciences》期刊上。

Rapid label-free SERS detection of foodborne pathogenic bacteria based on hafnium ditelluride-Au nanocomposites

Yang Li, Yanxian Guo, Binggang Ye, Zhengfei Zhuang, Peilin Lan, Yue Zhang, Huiqing Zhong, Hao Liu, Zhouyi Guo and Zhiming Liu

https://doi.org/10.1142/S1793545820410047

研究背景

由微生物污染的食物或水引起的细菌性食源性疾病引起了人们对食品安全问题的日益关注，细菌的快速、原位检测有助于评估食品的细菌感染性，从而确保食品安全。而表面增强拉曼光谱(SERS)作为一种高灵敏度的分析技术，能够特异性地识别被分析物的分子印迹。近年来，研究人员发现，多种SERS方法可以用于研究低浓度病毒的检测，这显示了SERS在微生物检测领域的巨大应用前景。

此外，新兴的二维纳米材料由于其特殊的物理化学性质和生物相容性在生物医学应用中引起了极大的关注。二维纳米结构具有超大的表面积、显著的光学特性、以及低制备成本、易被功能化等特点。更有趣的是，二维纳米结构也被证明是新型SERS基底，可以用于生物传感。并随着二维材料的发展，越来越多具有优良SERS活性的纳米结构被发现，其中过渡金属碲化物就已被开发为优越的二维SERS基底。

内容简介

本文介绍了一种基于金纳米粒子和HfTe2纳米片组成的新型二维SERS基底，用于食源性致病菌的非标记SERS检测和识别。

图1 基于HfTe2-Au纳米复合材料的食源性致病菌的SERS检测示意图

图文导读

HfTe2-Au的SERS性能

图2 (a)亚甲基蓝在HfTe2-Au纳米复合材料、Au 纳米粒子、HfTe2纳米薄片和SiO2晶片上沉积的拉曼光谱。(b)不同浓度亚甲基蓝分子在HfTe2-Au底物上的SERS光谱。(c)不同浓度下亚甲基蓝的6个典型拉曼峰的增强因子值。(d)在HfTe2-Au衬底上随机采集亚甲基蓝20个位置的SERS光谱。(e, f)上述20个光谱中1626 cm^-1和1399 cm^-1处SERS峰的强度分布

SERS基底的性能主要体现在对分析物的检测极限、增强因子、重复性和稳定性等方面。实验中HfTe2-Au复合基底的增强效果优于其独立的增强效果。对亚甲基蓝的检测极限低至10^-9  M，增强因子高达1.7*10⁸。通过染料的检测表明基底具备良好的重复性和稳定性，可以作为优良的SERS底物用于微生物领域检测。

机制分析

图3 3D-FDTD分别模拟(a)一个离散Au 纳米粒子和(b)两个分布在HfTe2纳米薄片上的相邻Au 纳米粒子的电磁分布

二维纳米薄片可以作为Au 纳米粒子原位生长的支撑，而金属纳米颗粒距离很近时，会导致间隙中出现大量的热点，这是HfTe2-Au纳米复合材料具备优越SERS性能的原因之一。通过3D-FDTD模拟来描述SERS基底周围的电磁场分布，我们很好的验证了这一点。处于离散Au纳米粒子附近的电磁场，其信号主要分布在垂直于激光照射的两侧，并沿远离纳米粒子的方向逐渐衰减。当两个相邻的Au 纳米粒子沉积在HfTe2纳米薄片上时，电磁场分布发生显著变化(图3(b))。热点出现在两个Au 纳米粒子之间以及Au纳米粒子与纳米片的连接处，其局部电磁场值比单个Au粒子强几十倍。

食源性致病菌检测

图4 (a)金黄色葡萄球菌分别在HfTe₂-Au纳米复合材料、Au纳米颗粒、HfTe2纳米薄片和SiO2晶片上沉积的拉曼光谱。(b-e)浓度为10⁸、10⁶、10⁴、10²和10¹CFU/mL的四种致病菌在HfTe2-Au底物上的SERS光谱。(f)四种细菌在HfTe2-Au底物上典型拉曼峰的增强因子值。

基于HfTe2-Au纳米复合材料优异的SERS活性，我们进行了食源性致病菌的快速拉曼测试。与其他材料相比，HfTe2-Au基底引起的SERS信号增强最强，这与染料的实验结果一致。同时测量了HfTe2-Au底物诱导的四种细菌(金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、沙门氏菌和李斯特菌) 在不同浓度下的SERS光谱。可以明显看出，即使在最高浓度(10⁸CFU/mL)下，四种细菌的正常拉曼光谱也几乎检测不到。当沉积到HfTe2-Au纳米复合材料上后其拉曼信号得到了显著的增强,，即使细菌浓度降低到10 CFU/mL，仍能明显观察到细菌的典型拉曼峰。

由此，揭示了HfTe2-Au纳米复合材料作为优良的SERS基底，用于快速检测和无标签分类食源性致病菌的广阔应用前景。

PI简介

郭周义教授，1965年生。现任华南师范大学生物光子学研究院教授，主要从事纳米生物光子学及光子中医学技术的应用研究，已在Biomaterials、Chem. Eng. J.、Theranostics、ACS Appl. Mater. Interfaces、Nanoscale等国际期刊上发表了150多篇SCI研究论文，被引超过2000次。获得过多项国家自然科学基金面上项目、广东省自然科学基金重点项目与重大横向项目资助。目前的研究重点是光学活性纳米材料的肿瘤诊疗应用、生物传感及相关器件研发等。

刘智明副研究员，1986年生。现任华南师范大学生物光子学研究院副研究员，主要从事拉曼光谱技术的生物医学应用、无机纳米材料的光学特性研究及其生物医学应用。作为项目主持人共承担有3项国家自然科学基金项目，2项省级科研项目及1项广州市科技计划项目。以第一作者或通讯作者在Nat. Commun.、Chem. Eng. J.、Theranostics、ACS Appl. Mater. Interfaces、Nanoscale、Nanophotonics、Anal. Chem.、Sci. China Mater.等权威SCI杂志发表论文30余篇；授权国家发明专利4项，实用新型2项。

李阳，2018年毕业于山东大学工学学士。现为华南师范大学郭周义教授课题组的硕士研究生。主要研究方向为二维纳米材料的合成及其在SERS检测领域的应用。

郭艳先，2016年毕业于哈尔滨医科大学理学学士，华南师范大学理学硕士。现为华南师范大学郭周义教授课题组的博士研究生。主要研究方向为二维纳米材料的合成及其在癌症药物中的应用。