单核细胞增生李斯特氏菌（Listeria monocytogenes, LMs）是毒性最强的食源性病原体之一，广泛存在于肉类、奶制品、蔬菜中。即使是低水平的LMs食物污染也会引起新生儿、老年人、孕妇和免疫功能低下的个体严重疾病甚至死亡，感染者死亡率高达20-30%。传统检测LMs的方法主要包括分离培养和生化检测，具有成本高、操作复杂、耗时长、不能实时检测的缺点。因此，开发一种快速、便捷、准确的LMs检测技术具有重要意义。LMs在代谢过程中会产生特定的挥发性有机化合物（MVOCs）。其中，3-羟基-2-丁酮（丰度32.18%）被认为是检测LMs的生物标志物。半导体金属氧化物气体传感器基于气体分子在半导体敏感材料表界面吸附及催化过程引起材料电阻变化，实现对气体分子的识别及浓度检测。由于价格低廉、易于集成、响应速度快、灵敏度高等优点，半导体金属氧化物气体传感器在环境监测、疾病诊断、食品安全等人民生命健康保障领域有着重要应用前景。然而，半导体金属氧化物传感器通常存在工作温度高（200-500 ºC）及选择性差的共性技术难题。同时，如何实现极低浓度下3-羟基-2-丁酮气体的精准、快速检测仍面临巨大挑战。
基于上述问题，西安交大生命学院魏晶教授课题组设计并制备了金单原子增敏剂功能化的介孔二氧化锡纳米球气敏材料，开发的气体传感器实现了ppb级3-羟基-2-丁酮生物标志物的高灵敏、快速检测。基于前期开发的多酚协助共组装技术，将金纳米团簇、二氧化锡前驱物等单元共组装，制备了金纳米团簇高度分散的金属-多酚纳米球。直接焙烧后，由于纳米限域及强金属-载体相互作用，金纳米团簇转化金单原子，均匀分散在介孔二氧化锡骨架中。使用上述气敏材料开发的气体传感器具有相对较低的工作温度（50 °C），对2 ppm的3-羟基-2-丁酮气体响应值高达587.3，是介孔二氧化锡纳米球传感器的183.5倍（图1）。同时，该传感器具有极低的检测限（10 ppb）、优异的选择性和较快的响应速度（10 s）。该气体传感器进一步用于区分单核细胞增生李斯特氏菌与其他细菌（大肠杆菌、沙门氏菌、嗜热链球菌和金黄色葡萄球菌）。该传感器优异的性能归因于敏感薄膜层中介孔二氧化锡纳米球具有易于接近的活性位点（Au-O-Sn）及连通的介孔孔道结构，促进了气体分子在敏感材料表界面的吸附、解离及扩散。此外，开发了无线气体传感器，实现了对3-羟基-2-丁酮的实时监测，有望用于食品中单核细胞增生李斯特氏菌的监测。
图1金单原子功能化介孔二氧化锡纳米球的传感性能：（a）不同温度下的响应值，（b）选择性，（c-d）区分不同细菌。（e）无线传感器用于实时监测3-羟基-2-丁酮。
该研究成果以《金单原子功能化介孔二氧化锡纳米球用于单核细胞增生李斯特氏菌生物标志物的低温超灵敏检测》（Single-atom Au Functionalized Mesoporous SnO2Nanospheres for Ultrasensitive Detection ofListeria MonocytogenesBiomarker at Low Temperature）为题发表在国际权威期刊《ACS Nano》上。论文第一作者为西安交通大学生命学院博士生冯冰溪，通讯作者为西安交通大学生命学院魏晶教授、复旦大学邓勇辉教授、内蒙古大学武利民教授和电子科技大学岳秦教授。论文第一单位为西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室。相关研究得到了国家自然科学基金等项目的资助，论文中的表征及测试得到了西安交通大学分析测试共享中心的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c03566
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