基于表面改性工程技术的空心花椰菜状PdAg/ZnO结构，实现对即食食品中单核细胞增生李斯特菌（Listeria Monocytogenes）的无损且超高灵敏度检测

《Journal of Hazardous Materials》：Non-destructive and ultra-sensitive detection of Listeria Monocytogenes in ready- to-eat foods based on hollow cauliflower-like PdAg/ZnO by surface modification engineering

本研究成功制备了PdAg/ZnO多孔cauliflower-like结构，显著提升对3-羟基丁酮的灵敏度和选择性，检测限低至200 ppb，工作温度降至180℃，并通过机器学习实现98.4%的准确率，为食品中单细胞病原体快速检测提供新方法。

　　

宋雅瑶|王星宇|吴伟豪|赵成|蔡海杰|周海霞|郑子轩|朱克恒|张照环|赵勇|朱永恒

上海海洋大学食品科学与技术学院，国际食品与健康研究中心，上海201306，中国

摘要

单核细胞增生李斯特菌（LM）对公共卫生和环境构成重大威胁，因此迫切需要开发非破坏性和超高灵敏度的检测方法。在本研究中，通过表面改性工程策略成功制备了一种类似花椰菜的中空PdAg/ZnO纳米材料。这种独特的层次化中空结构具有丰富的表面活性位点和快速的气体传输通道，提高了气体传感器对LM代谢标志物3-羟基-2-丁酮（3H2B）的检测灵敏度。同时，双金属PdAg的均匀负载通过调节表面反应性进一步增强了传感器的性能。优化的PdAg-1.5/ZnO传感器表现出优异的性能：工作温度从240°C降至180°C，超灵敏度响应（R_a/R_g = 157.5@50 ppm），响应/恢复速度极快（9.0秒/5.4秒），检测限低（200 ppb），便于LM的微量检测。原位/离位表征和密度泛函理论计算揭示，其优异的传感性能源于PdAg的协同效应，增强了3H2B的吸附能（E_ads = ?1.08 eV），促进了电子转移和氧空位的形成。此外，基于PdAg-1.5/ZnO的手持传感器在检测鲑鱼和甜虾中的LM时准确率达到98%。这一进展将促进食品质量控制和环境安全评估中非破坏性检测技术的发展。

引言

食源性病原体是食品安全风险的主要来源，对人类健康构成重大威胁[1]。其中，单核细胞增生李斯特菌（LM）通过引发李斯特菌病对公共卫生构成严重威胁，死亡率高达20%-30%。值得注意的是，LM在即食食品中广泛存在，进一步增加了易感人群的感染风险[2]，[3]。过去几十年中，已经系统地开发并验证了多种传统检测方法，包括聚合酶链反应（PCR）[4]、高效液相色谱（HPLC）[5]和免疫荧光检测[6]。然而，这些方法通常面临细菌培养周期长、样品预处理复杂、依赖专业操作和设备成本高等挑战，限制了其实际应用。因此，开发非破坏性检测技术成为克服LM检测局限性的关键策略，有望实现整个食品供应链中的快速准确检测。

先前的研究表明，3-羟基-2-丁酮（3H2B）是与LM相关的特征性微生物挥发性有机化合物（MVOCs）之一，其浓度与LM浓度具有强线性相关性[7]。基于金属氧化物半导体（MOS）的气体传感器在LM的非破坏性检测中显示出巨大潜力。Chen等人[8]报道，氧化锌（核心）包覆氧化铝（外壳）的单壳纳米电缆（ZnO@Al₂O₃ NCBs）在300℃时对3H2B的响应值为37.2–50 ppm。Pan等人[9]提出，使用金属有机框架（MOFs）作为结构模板制备了有序的Co₃O₄/ZnO超粒子，实现了对LM的高灵敏度和选择性检测。因此，基于ZnO的气体传感器在3H2B检测领域具有广阔的应用前景，但仍面临挑战：（1）传统传感器的灵敏度不足，难以检测到微量3H2B；（2）高温操作会加速材料老化，影响长期稳定性；（3）LM在生长和代谢过程中释放大量MVOCs（如2,3-丁二酮和2,5-二甲基吡嗪）[10]，这些物质之间的交叉反应会影响3H2B信号的准确识别，从而降低检测精度。因此，开发高灵敏度、低功耗和强选择性的传感材料成为克服这些限制的关键策略。

通过调控敏感材料的形态，可以显著增加比表面积，暴露更多活性位点以增强气体分子吸附能力。Jia等人[11]制备了一种新型SnO₂气体传感器，其层次化的管状/多孔结构有效提高了比表面积和气体质量传输速率，显著增强了气体传感器的灵敏度。然而，仅通过控制形态难以同时满足多种性能要求。用贵金属修饰已成为提高MOS材料传感性能的有效方法[12]。值得注意的是，负载双金属纳米粒子相比单金属催化剂具有更好的反应选择性和催化活性，这得益于双金属配置产生的配体效应[13]。特别是钯（Pd）作为电子敏化剂，通过双重机制显著增强了传感性能：一方面催化目标气体的吸附，另一方面调节气体敏感材料的电子结构[14]。另一种敏化方法是化学敏化，例如银（Ag）促进氧分子的解离并使其溢出到材料表面参与氧化还原反应。双金属之间的协同作用增强了整体传感性能[15]。因此，形态优化结合PdAg双金属协同作用为突破MOS传感器的局限性提供了有效途径。

在本研究中，采用MOF衍生的合成方法结合表面改性技术制备了层次化的中空花椰菜状PdAg/ZnO纳米材料。如图1a所示，这种3D层次化中空结构提供了快速的气体传输通道和丰富的表面活性位点，有效促进了气体吸附/脱附过程，显著提高了ZnO传感器的灵敏度。特别是，双金属PdAg的均匀负载使PdAg-1.5/ZnO传感器的性能得到了飞跃性提升。原位/离位表征表明，PdAg纳米粒子（PdAg NPs）的均匀负载促进了氧空位的形成，优化了电子传输路径和传输速率，降低了反应活化能。密度泛函理论（DFT）计算进一步验证了PdAg的协同敏化作用增强了3H2B的吸附能（E_ads = ?1.08 eV），从而提高了气体传感性能。此外，借助支持向量机（SVM）算法，基于PdAg-1.5/ZnO的手持传感器对3H2B和干扰气体的分类准确率达到98.4%，为食品中LM的实时高精度检测提供了可靠的技术支持（图1b）。

部分摘录

Zn-ZIF纳米立方体的制备

为了制备均匀分散的基于锌的沸石咪唑框架（Zn-ZIF）纳米立方体，将10 mL含有Zn(NO₃)₂·6 H₂O（298 mg）和溴化十六烷基三甲基铵（CTAB，5 mg）的水溶液迅速加入70 mL 2-甲基咪唑（2-MIM，4.54 mg）的水溶液中。混合物在室温下磁力搅拌20分钟。通过离心收集得到的白色ZIF-8纳米立方体，随后进行三次纯化。

材料表征

图1a展示了类似花椰菜的PdAg/ZnO的制备过程，包括两个主要阶段：类似花椰菜的ZnO的合成和双金属的负载。如图S2a所示，Zn-ZIF纳米粒子是通过锌离子（Zn²⁺）与配体2-MIM的配位反应获得的，合成的Zn-ZIF纳米粒子呈均匀的立方体形状，平均直径为170 nm（图S2b和图S2c）。

结论

总之，成功合成了层次化的中空花椰菜状结构的PdAg/ZnO MEMS气体传感器，实现了对LM特征气体3H2B的非破坏性和超高灵敏度检测。优化的PdAg-1.5/ZnO传感器表现出优异的气体传感性能：在180℃时对3H2B的响应值高达157.5 ppm，响应/恢复速度极快（9.0秒/5.4秒），检测限为200 ppb，选择性优异。

环境影响

单核细胞增生李斯特菌（LM）对人类健康和环境安全构成重大威胁。传统检测方法仍存在灵敏度低和选择性差的问题，无法满足实际检测需求。在本研究中，通过表面改性工程策略成功制备了类似花椰菜的中空PdAg/ZnO纳米材料，显著提高了对LM生物标志物3-羟基-2-丁酮的气体传感性能。

CRediT作者贡献声明

王星宇：方法学研究、实验设计。 吴伟豪：撰写、审稿与编辑、初稿撰写。 赵成：撰写、审稿与编辑。 蔡海杰：数据可视化。 周海霞：撰写、审稿与编辑。 郑子轩：撰写、审稿与编辑。 朱克恒：验证、实验设计。 张照环：撰写、审稿与编辑、概念构思。 赵勇：撰写、审稿与编辑。 朱永恒：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2024YFD2402201）和国家自然科学基金（项目编号：32272399）的资助。