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上海交大團隊突破細菌鑒定技術瓶頸 實現代謝物水平可解析的SERS檢測
2025年06月27日 08:41:49
來源：化工儀器網 作者：宋池 點擊量：917
上海交通大學研究團隊在《Advanced Photonics》發(fā)表突破性研究，首次實現代謝物水平可解析的細菌表面增強拉曼光譜（SERS）鑒定技術。該研究通過創(chuàng)新結合激光解吸質譜與可解釋性AI模型，成功破解SERS光譜的分子密碼——揭示革蘭氏陰性菌因釋放更多代謝物競爭納米顆粒表面位點，導致特征性Ag-Cl鍵信號減弱的核心機制。
上海交通大學科研團隊在細菌快速鑒定領域取得重大突破。葉堅教授團隊與陶悅副研究員團隊聯合開發(fā)了一種基于表面增強拉曼光譜(SERS)的創(chuàng)新方法，首次在代謝物分子水平上實現了對細菌SERS光譜的系統(tǒng)性解析，為破解該技術長期存在的"黑箱"難題提供了關鍵解決方案。相關研究成果已于2025年6月20日在線發(fā)表于光學領域權威期刊《Advanced Photonics》。
面對全球細菌感染威脅加劇的嚴峻形勢，該研究針對當前無標記SERS技術在細菌鑒定中面臨的核心挑戰(zhàn)——即復雜光譜信息難以溯源至具體分子差異的問題展開攻關。研究團隊選取8種常見臨床病原菌，通過標準化培養(yǎng)與熱裂解處理釋放代謝物，構建了高質量光譜數據庫。實驗發(fā)現革蘭氏陽性菌(Gram+)與革蘭氏陰性菌(Gram-)在236 cm?¹處的Ag-Cl鍵信號強度存在顯著差異。深入研究表明，這一現象源于兩類細菌代謝物釋放量的不同：Gram-菌對熱裂解更敏感，釋放的代謝物更多，這些分子競爭性取代金納米顆粒表面的氯離子，導致Ag-Cl鍵信號減弱。
為確證光譜差異的分子基礎，團隊創(chuàng)新性地結合激光解吸/電離質譜(LDI-MS)技術，直接分析納米顆粒表面吸附的代謝物。質譜數據與光譜特征高度吻合，特別是核苷類、含苯環(huán)類及有機雜環(huán)類代謝物的豐度與Ag-Cl鍵強度呈現顯著負相關。基于此分子層面的認知，研究構建了可解釋性卷積神經網絡(CNN)模型，在細菌鑒定中實現90.44%的高準確率，并能識別關鍵差異峰對應的分子信息。
研究進一步通過代謝物組重建驗證了解析結果的可靠性。團隊利用鑒定出的特征代謝物光譜，采用數學算法成功擬合出細菌實際光譜，其中6種菌株的擬合光譜與實際光譜高度匹配(余弦相似度>0.9)。該突破性工作系統(tǒng)闡明了SERS信號產生的分子機制，建立了從復雜光譜到具體代謝物組成的逆向溯源路徑。
該研究最大的突破在于成功破解了SERS細菌鑒定中的“黑箱”難題，不僅建立了高精度的鑒定流程，更重要的是系統(tǒng)性地揭示了SERS信號背后的代謝物分子基礎，實現了在分子層面對光譜進行解析。這套可解釋性框架具備普適性，未來可延伸至細胞、血清等復雜生物樣本的代謝檢測。該研究獲得多項國家級和省部級基金支持，標志著SERS技術向具有明確生物學意義的分子診斷邁出關鍵一步。
素材來源：上海交通大學
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