传统细菌检测方法因依赖预培养过程，不仅耗时漫长，还难以覆盖超过 99% 未成功实验室培养的细菌，严重制约了疾病诊断和微生物研究效率。近日，清华大学等机构的研究团队开发出一种拉曼 - 微流控系统，实现了无需预培养的单个细菌高质量识别与分选，为快速细菌检测和耐药性研究提供了全新解决方案。

该系统的核心创新在于融合了微流控技术与拉曼光谱优势，攻克了传统拉曼检测的两大关键难题。一方面，团队设计了双向流控微流控系统，通过 S 形通道和高精度双向泵精准控制细菌运动。S 形通道延长了细菌在检测区域的停留时间，配合扫描振镜形成的 200μm×200μm 大激光光斑，有效扩大检测范围，避免因细菌移动导致的信号丢失，显著提升了动态测量的信噪比和稳定性。实验数据显示，与传统小光斑静态测量相比，该系统对大肠杆菌的活性损伤更小，照射后细菌活性参数从 5.4×10⁶ CFU/mL 仅降至 5.0×10⁶ CFU/mL，远高于小光斑照射后的 3.6×10⁶ CFU/mL，成功实现了细菌活性的保留。

图 1 ：为拉曼 - 微流控系统的示意图与流程图，展示核心模块及细菌进入、识别、分选流程。

 另一方面，系统整合了图像识别模块，通过 MATLAB 程序对细菌轮廓和位置进行实时分析，辅助调控泵的流速和方向，实现了细菌的初步分选和精准定位。三个核心模块 —— 微流控流量控制、图像识别和拉曼检测的协同工作，使单个细菌从进入系统到完成检测的全过程可在 1-5 分钟内完成，大幅提升了检测效率。

图 2 ：含微通道湿法刻蚀掩模示意图、图像识别步骤图及大光斑结合 S 形通道动态测量示意图。

 在可行性验证中，研究团队以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为对象，对比传统静态拉曼测量与新系统的动态测量结果，两者光谱特征基本一致，证实了系统的可靠性。对同一菌株不同单个细菌的重复测量显示出良好的重现性，进一步验证了方法的稳定性。

图 3 ：对比大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的传统静态与拉曼 - 微流控结果，及同菌株重复性验证光谱。

 该系统在细菌耐药性研究中展现出重要价值。通过分析氯霉素耐药大肠杆菌与普通大肠杆菌的拉曼光谱，发现 1458 cm⁻¹ 与 1485 cm⁻¹ 处的拉曼峰强度比存在显著差异，耐药菌株的强度比是普通菌株的两倍。这一特征与细菌核酸合成活动相关，为快速判断细菌耐药性提供了无标记的检测依据。未来通过引入不同浓度药物溶液，系统可动态观察细菌耐药性变化过程，助力临床用药指导。

图 4 ：为有无氯霉素耐药性的大肠杆菌拉曼光谱对比图。

 基于该系统，研究团队建立了包含 23 种常见细菌的拉曼光谱数据库，涵盖大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、乳酸菌等菌株。通过分析光谱特征，揭示了不同细菌的组成和结构特性：乳酸菌在 2800-3000 cm⁻¹ 脂质区域存在共性峰，与脂质代谢密切相关；帕拉杆菌和柯林斯菌则在 1435 cm⁻¹ 和 1460 cm⁻¹ 处呈现独特的峰分裂现象，甚至在 2723 cm⁻¹ 的 “沉默区” 出现特征峰，为探索其代谢机制提供了新线索。

图 5： 展示部分检测细菌的拉曼光谱，完整结果见补充材料。

 这项技术突破为临床诊断和微生物研究带来多重价值：无需预培养的特性使其能检测难培养细菌，缩短诊断时间；保留细菌活性的优势支持后续培养和药敏测试；建立的光谱数据库为快速细菌识别奠定基础。研究团队表示，未来将进一步扩大细菌样本种类和数量，完善数据库，深入研究细菌耐药性的时空动态机制，并计划将系统应用于循环肿瘤细胞等其他单细胞研究领域。

该拉曼 - 微流控系统的建立，不仅为细菌快速检测提供了革新性工具，也为疾病快速诊断、耐药性动态研究及未知微生物探索开辟了新路径，具有重要的临床和科研意义。

参考文献：Shu Z, Zhang X, Li F, et al. A Raman-Microfluidic System for Single Bacterium Identification, and Sorting, and Its Application in Bacterial Properties Analysis[J]. Analytica Chimica Acta, 2025: 344530.