1.引言

快速、准确的细菌鉴定与抗生素药敏试验（AST）对临床感染防控、避免败血症等重症至关重要。传统培养法耗时 24–72 h，PCR、MALDI‑TOF MS 等方法存在成本高、依赖培养或特异性不足等问题。表面增强拉曼散射（SERS）灵敏度高、可提供分子指纹，但细菌与纳米热点尺寸不匹配导致信号弱、覆盖不均。

本文构建多孔金纳米海绵多通道 SERS 基底，结合原位细菌表面金纳米层包覆（PNA）策略，实现无标记、高灵敏尿路致病菌检测与快速 AST。该方法 30 min 内完成信号增强，检测限达 10³–10⁴ CFU/mL，可 100% 区分 5 种临床致病菌，并在 1–2 h 内完成药敏评估，为尿路感染即时诊断提供高效平台。

2.结果与讨论

图 1 检测策略示意图

采用 96 孔板通过无电化学沉积制备金纳米海绵（AuS） 等离子体基底。

原位在细菌表面生长金纳米层（AuNL），实现细菌捕获与 SERS 信号协同增强。

流程：细菌吸附→AuNP 成核→金离子还原→原位包覆→SERS 检测。

图 2 PNA 体系表征与增强机制

SEM（图 2b）

裸 AuS 呈多孔海绵状；无细菌时 PNA 产物为尖锐金突起；有细菌时金层沿菌体包覆、形态圆润。

TEM/EDS（图 2c）

细菌表面形成连续 AuNL，厚度 50–80 nm；Au 元素面分布证实均匀包覆。

高分辨 TEM 显示 Au (111) 晶面（0.24 nm），结晶度良好。

电磁场模拟（图 2d）

无 PNA：场增强低（|E|/|E₀|≈1.98），热点与细菌尺寸不匹配。

有 PNA：细菌表面形成高密度内部热点，|E|/|E₀| 最高达100.5，信号显著放大。

SERS 实时监测（图 2e–g）

PNA 使信号提升约 10⁸倍；30 min 信号快速增强，60 min 后趋于饱和，确定30 min 为最优反应时间。

条件优化

金前驱体 / 还原剂 = 1:10、AuNP 粒径 40 nm 时增强效果最佳。

孔内、孔间、批次间 RSD 均 < 10%，6 个月稳定性良好。

图 3 细菌鉴定结果

革兰氏差异（图 3a、3b）

革兰氏阴性菌（大肠杆菌）细胞壁 LPS 带负电强，AuNL 包覆更致密、层更厚。

革兰氏阳性菌（粪肠球菌）肽聚糖层厚，AuNP 结合少，金层更薄。

SERS 特征谱（图 3c）

5 种菌在 730、1004、1315、1405、1465 cm⁻¹ 处出现共有峰；腐生葡萄球菌、奇异变形杆菌具有特征专属峰，可实现物种区分。

检测限（图 3d）

大肠杆菌、肺炎克雷伯菌：10³ CFU/mL。

粪肠球菌、腐生葡萄球菌、奇异变形杆菌：10⁴ CFU/mL。

信号强度与浓度对数呈良好线性（R²=0.90–0.95）。

多元统计（图 3e、3f）

PCA 可清晰聚类 5 种菌；OPLS‑DA 实现100% 准确分类，灵敏度与特异性均达 100%。

图 4 抗生素药敏试验（AST）

浓度依赖（图 4a）

阿米卡星浓度升高，大肠杆菌 SERS 信号持续下降；0.05 mg/mL 以上信号近消失，与 MIC 值一致。

时间依赖（图 4b）

阿米卡星 20 min 即快速杀菌，信号几乎完全抑制。

氨苄青霉素作用慢，120 min 仍残留约 50% 信号，可区分杀菌速度差异。

广谱药敏（图 4c）

阿米卡星、喹诺酮类对 5 种菌均强效（残留信号 < 2.5%）。

氨苄青霉素、头孢类效果弱，提示部分菌株存在耐药性。

重复性（图 4d）

四种抗生素测试 RSD=9.3%–10.9%，方法稳定可靠。

尿液样本：经离心洗涤预处理后，检测限仍达 10³ CFU/mL，抗干扰能力强。

增强因子：PNA 体系 SERS 增强因子达1.22×10⁸，满足痕量检测需求。

增强核心机制

AuS 提供基底等离子体场，AuNP 作为成核点，原位 AuNL 消除细菌与纳米热点的尺寸失配，在菌体表面构建三维连续热点，实现物理捕获与电磁增强协同作用。

检测性能优势

无需培养、30 min 快速出结果，检测限达到临床尿路感染诊断阈值（10⁵–10⁶ CFU/mL）以下。

结合 PCA/OPLS‑DA 实现菌种 100% 精准区分，优于传统 SERS 的不均一覆盖问题。

药敏试验价值

1–2 h 完成 AST，远快于培养法（24–72 h），可指导临床精准用药、减少广谱抗生素滥用。

能区分不同抗生素的杀菌速率与耐药表型，结果与纸片扩散法高度一致。

临床化潜力

96 孔高通量、低成本、可批量制备；结合自动化前处理可实现床旁检测（POCT）。

适用于尿液、生物体液等复杂体系，在重症感染快速筛查中应用前景突出。

4.总体结论

本研究构建了基于多通道 SERS 平台 + 细菌表面原位金纳米层包覆（PNA） 的无标记检测体系，实现尿路致病菌高灵敏鉴定与快速抗生素药敏试验。

原位 AuNL 可显著提升 SERS 信号，增强因子达 10⁸，30 min 内完成检测，检测限低至10³–10⁴ CFU/mL。

结合 PCA 与 OPLS‑DA，可100% 准确区分5 种临床尿路致病菌，线性与重复性优异。

该平台可在1–2 h内完成抗生素药敏评估，快速判断杀菌效果与耐药性，远快于传统方法。

方法无需培养、高通量、低成本，在尿液等临床样本中表现稳定，适用于尿路感染即时诊断与精准抗感染治疗，具有重要临床转化价值。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.173940