快速准确地检测食源性病原体仍然是公共卫生的关键优先事项，因为受污染的食品对全球疾病负担有显著贡献[1]。根据世界卫生组织的数据，每年约有6亿人受到食源性疾病的影响，导致超过40万人死亡[2]，[3]。仅在美国，疾病控制与预防中心（CDC）估计每年就有近4800万例食源性疾病病例，导致超过12.8万人住院和约3000人死亡[4]，[5]。除了对人类的影响外，这些疫情还造成了每年超过176亿美元的经济负担，这包括医疗治疗、疫情响应、产品召回和生产力损失的成本[6]。污染可能发生在食品供应链的任何阶段——从收获到零售——由于诸如卫生条件差、冷链故障和微生物交叉污染等脆弱性[7]，[8]。值得注意的是，与农产品、乳制品和即食产品相关的疫情表明，未被检测到的病原体可以迅速通过复杂的分配网络传播，这突显了及时、分散式监测策略的必要性[9]，[10]。
在食源性病原体中，沙门氏菌属（Salmonella spp）和大肠杆菌（Escherichia coli）在全球范围内导致了更多的感染；然而，单核细胞增生李斯特菌（L. monocytogenes）造成的临床威胁尤为严重，住院率超过94%，死亡率在15%到30%之间[11]，[12]。它在极端条件下的抵抗力——包括低水分活度（aW < 0.90）、广泛的pH耐受性（4.6–9.5）和高盐浓度（高达20%）——使其在即食食品中特别危险[11]，[13]。2024年发生的一次多州疫情与熟食肉和软奶酪有关，导致60人住院和10人死亡（死亡率约为16%）[14]。这些案例强调了迫切需要能够在食品基质中直接检测低水平污染的早期检测工具——理想情况下是通过便携式、可在现场部署的技术。
传统的诊断方法如微生物培养、聚合酶链反应（PCR）和酶联免疫吸附测定（ELISA）仍然是病原体监测的标准方法，但每种方法都面临实际限制[15]。基于培养的方法需要24–72小时才能产生结果[16]，而PCR容易受到背景DNA的干扰以及在富含抑制剂的食品基质中产生假阴性结果[17]。ELISA方法需要集中式实验室基础设施和受过培训的人员，限制了其在分散式环境中的使用[18]。这些延迟增加了受污染产品进入分销渠道的风险，因为即使12–24小时的延迟也可能使微生物种群扩展到危险水平[19]。
为了克服这些限制，已经研究了几种快速替代方法。比色测定法简单且具有视觉输出，但缺乏灵敏度和动态范围[20]。电化学传感器提供更快的响应时间，并且适合微型化；然而，它们容易受到电极污染和在富含蛋白质或乳化样品中的信号漂移[21]，[22]。这些限制凸显了对能够集成高灵敏度、特异性和基质兼容性的坚固传感平台的未满足需求，同时能够在采样点实现实时检测。
最近，光学传感技术因其在食品病原体检测方面的快速响应、非破坏性操作和高灵敏度而引起了广泛关注[23]，[24]。其中，表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）、双光子成像（Two-Photon Imaging，TPI）和表面增强拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering，SERS）等方法已成为强大的分子诊断工具。特别是SERS具有几个优势：它可以通过独特的振动特征进行分子指纹识别，支持在极低浓度（低至单分子水平）下的检测，并且与复杂的水基基质兼容，同时需要最少的样品制备[28]，[29]。这些能力源于局部表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance，LSPR），其中入射光激发等离子体纳米颗粒（通常由金或银组成）中的电子集体振荡，从而在颗粒表面附近产生高度放大的电磁场[30]。位于这些纳米结构附近或吸附在其上的目标分子会经历超过106倍的拉曼信号增强，从而能够检测到微量分析物[31]。为了实现对L. monocytogenes等病原体的特异性，SERS平台通常用生物识别元件（通常是抗体）进行功能化，这些元件能够在等离子体界面选择性地结合目标生物体。
迄今为止，已经探索了多种纳米制造策略来开发具有强且可重复信号增强的SERS活性基底，利用了自上而下的光刻和自下而上的纳米颗粒组装方法。例如，Busch等人使用了一种基于商用金纳米壳的免疫传感器来检测L. monocytogenes，实现了104–107 CFU/mL的检测范围和103 CFU/mL的检测限（LOD）[32]。在另一项研究中，Li等人开发了一种使用镀有金和银的磁性纳米珠的混合SERS测定法，这些纳米珠与抗-FITC抗体结合，并与链霉亲和素修饰的磁性纳米颗粒耦合，以选择性地捕获生物素标记的目标。他们的平台能够在1小时内量化2.0×101–2.0×106 CFU/mL范围内的L. monocytogenes，并在含有共污染物的奶酪样本中实现了7.8 CFU/mL的LOD，具有强选择性[33]。
尽管取得了这些进展，大多数SERS平台仍然依赖于金纳米颗粒或Au–Ag混合结构，尽管银由于其优越的等离子体特性而表现出最高的固有SERS活性[34]，[35]。然而，裸银纳米颗粒（AgNPs）在环境条件下极易氧化，这会损害其稳定性并随时间降低SERS性能[36]，[37]。这一挑战促使人们开发了保护AgNPs而不降低其光学响应的稳定策略。其中，将AgNPs封装在类玻璃的SiOx基质中已成为一种有前景的方法。SiOx基质作为物理屏障，保护AgNPs免受氧化降解，同时保持其等离子体行为[38]，[39]，[40]。除了提高长期稳定性外，这种策略还增强了对纳米颗粒大小和基底表面空间分布的控制——这是实现可重复SERS信号的关键因素。然而，将Ag嵌入玻璃的传统方法（如高温退火、真空沉积或湿化学合成）通常复杂、能耗高且难以扩展。这些限制阻碍了玻璃封装Ag SERS基底在现实世界中的广泛应用。
为了解决这些限制，我们提出了一种在环境条件下完全利用冷大气等离子体（CAP）辅助沉积的SiOx-Ag纳米复合SERS基底制造方法。该方法能够在低温下原位生成并直接在感兴趣的基底上沉积功能性的SiOx-Ag纳米复合涂层（图1a），为高性能传感器平台的制造提供了一条灵活且可扩展的途径。在此过程中，将有机硅前驱体引入等离子体流中，在其中进行等离子体诱导的分解和聚合，形成类玻璃的SiOx基质。同时，在等离子体羽流中还原硝酸银以形成AgNPs，这些AgNPs被嵌入到正在形成的基质中。结果是一种一步到位的、共形的纳米复合涂层，直接沉积在感兴趣的基底上，其中SiOx基质封装了AgNPs，保护了它们的等离子体特性，并增强了机械和化学稳定性。所得到的SERS活性基底进一步用L. monocytogenes特异性抗体和拉曼活性报告分子进行了功能化，以实现选择性病原体检测（图1b）。免疫传感器的性能基于随时间的信号保留、不同批次间的重复性以及在背景菌群存在下的选择性进行了评估。为了评估实际应用性，该平台被用于检测人工污染的食品基质中的L. monocytogenes——包括奶酪、生菜和肉类——其结果与标准微生物方法进行了对比。总体而言，这项工作展示了一种坚固且可扩展的策略，用于制造能够在复杂食品系统中快速监测病原体的现场部署SERS传感器。
