无需磁珠洗涤！微流控芯片实现大肠杆菌高效精准检测

细菌性感染引发的败血症具有极高的致死风险，快速精准识别致病菌是开展针对性抗生素治疗的关键。传统细菌培养作为临床诊断金标准，需 2-5 天才能出结果，而逆转录聚合酶链反应、质谱等新型检测技术，又易受血液杂质干扰，且需复杂的前处理步骤，难以满足临床快速诊断的需求。为此，研究团队开发了这款基于 SERS 的声流体检测技术，将高灵敏度的 SERS 技术与可高效分离细菌的声流体技术相结合，打造出硅基单通道微流控芯片，实现了致病菌的快速定量分析。

该检测系统的核心原理在于利用声辐射力实现标记细菌与游离 SERS 纳米标签的高效分离。研究人员先在微管中用偶联了大肠杆菌特异性抗体和拉曼报告分子的空心金纳米颗粒（SERS 纳米标签，约 40nm）标记目标大肠杆菌（约 1.3μm），随后将混合液通入 70μm×70μm 截面的玻璃 - 硅 - 玻璃微流控通道。通道底部的压电换能器产生声波，形成驻波场，因声辐射力与颗粒粒径的三次方成正比，更大的标记大肠杆菌会在声辐射力作用下向通道中心聚集，而游离的 SERS 纳米标签则受声流作用被推向通道壁。研究人员将激光束聚焦在通道中心，对持续流过的标记细菌进行拉曼信号采集与分析，实现定量检测。

图1：展示了集成拉曼显微镜的检测系统框图、实验装置及 70μm×70μm 截面的玻璃 - 硅 - 玻璃微流控芯片结构。

实验中，研究团队完成了 SERS 纳米标签的合成、声流体芯片的制备与系统搭建，优化出 10.04MHz 的最佳声波驱动频率。该频率下，标记大肠杆菌可高效聚集于通道中心，拉曼信号强度较无声波作用时提升约 3 倍，且 10 次重复检测的相对标准偏差仅 4.53%，展现出优异的重复性。对 10⁵至 10⁸ CFU/mL 不同浓度大肠杆菌的检测结果显示，拉曼信号强度与细菌浓度呈良好线性关系，相关系数达 0.9909。此外，选择性实验证实，该 SERS 纳米标签仅与大肠杆菌特异性结合，对肺炎克雷伯菌、粪肠球菌等其他四种致病菌无交叉反应，在菌液混合体系中也能精准检测大肠杆菌，不受其他细菌干扰。

图2：呈现了有无声波时标记大肠杆菌的分布、标记菌 SEM 图及对应的拉曼光谱对比。

与传统检测方法相比，该技术优势显著：酶联免疫吸附试验（ELISA）的大肠杆菌检出限为 2.10×10⁵ CFU/mL，而该技术检出限更低；磁珠基 SERS 检测需耗时 30 分钟以上的分离洗涤步骤，且重复性较差，此技术则无需磁珠和洗涤步骤，检测全程 1 小时内完成。同时，该平台无需提取细菌遗传物质、培养或裂解菌体，大幅简化了操作流程。

图3：对比了 10⁷和 10⁸ CFU/mL 两种浓度下，有无声场时通道内拉曼信号的分布及强度剖面。

研究团队表示，该技术为无培养、无裂解的细菌快速检测提供了概念验证，具备良好的临床转化潜力。目前该技术已能实现低至 10 CFU/mL 大肠杆菌的区分，未来研究将聚焦于合成特异性 SERS 纳米标签，实现三种及以上致病菌的多重同步检测，并进一步提升声流体分离效率、降低背景信号干扰，推动其在败血症等感染性疾病临床快速诊断中的实际应用。

参考文献：Park S, Kim K, Go A, et al. Rapid and sensitive Escherichia coli detection: Integration of SERS and acoustofluidics in a lysis-free microfluidic platform[J]. ACS sensors, 2025, 10(2): 1217-1227.