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上海交大团队突破细菌鉴定技术瓶颈 实现代谢物水平可解析的SERS检测
2025年06月27日 08:41:49
来源：化工仪器网 作者：宋池 点击量：5301
上海交通大学研究团队在《Advanced Photonics》发表突破性研究，首次实现代谢物水平可解析的细菌表面增强拉曼光谱（SERS）鉴定技术。该研究通过创新结合激光解吸质谱与可解释性AI模型，成功破解SERS光谱的分子密码——揭示革兰氏阴性菌因释放更多代谢物竞争纳米颗粒表面位点，导致特征性Ag-Cl键信号减弱的核心机制。
上海交通大学科研团队在细菌快速鉴定领域取得重大突破。叶坚教授团队与陶悦副研究员团队联合开发了一种基于表面增强拉曼光谱(SERS)的创新方法，首次在代谢物分子水平上实现了对细菌SERS光谱的系统性解析，为破解该技术长期存在的"黑箱"难题提供了关键解决方案。相关研究成果已于2025年6月20日在线发表于光学领域权威期刊《Advanced Photonics》。
面对全球细菌感染威胁加剧的严峻形势，该研究针对当前无标记SERS技术在细菌鉴定中面临的核心挑战——即复杂光谱信息难以溯源至具体分子差异的问题展开攻关。研究团队选取8种常见临床病原菌，通过标准化培养与热裂解处理释放代谢物，构建了高质量光谱数据库。实验发现革兰氏阳性菌(Gram+)与革兰氏阴性菌(Gram-)在236 cm?¹处的Ag-Cl键信号强度存在显著差异。深入研究表明，这一现象源于两类细菌代谢物释放量的不同：Gram-菌对热裂解更敏感，释放的代谢物更多，这些分子竞争性取代金纳米颗粒表面的氯离子，导致Ag-Cl键信号减弱。
为确证光谱差异的分子基础，团队创新性地结合激光解吸/电离质谱(LDI-MS)技术，直接分析纳米颗粒表面吸附的代谢物。质谱数据与光谱特征高度吻合，特别是核苷类、含苯环类及有机杂环类代谢物的丰度与Ag-Cl键强度呈现显著负相关?；诖朔肿硬忝娴娜现芯抗菇丝山馐托跃砘窬?CNN)模型，在细菌鉴定中实现90.44%的高准确率，并能识别关键差异峰对应的分子信息。
研究进一步通过代谢物组重建验证了解析结果的可靠性。团队利用鉴定出的特征代谢物光谱，采用数学算法成功拟合出细菌实际光谱，其中6种菌株的拟合光谱与实际光谱高度匹配(余弦相似度>0.9)。该突破性工作系统阐明了SERS信号产生的分子机制，建立了从复杂光谱到具体代谢物组成的逆向溯源路径。
该研究最大的突破在于成功破解了SERS细菌鉴定中的“黑箱”难题，不仅建立了高精度的鉴定流程，更重要的是系统性地揭示了SERS信号背后的代谢物分子基础，实现了在分子层面对光谱进行解析。这套可解释性框架具备普适性，未来可延伸至细胞、血清等复杂生物样本的代谢检测。该研究获得多项国家级和省部级基金支持，标志着SERS技术向具有明确生物学意义的分子诊断迈出关键一步。
素材来源：上海交通大学
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