细菌也能“镀金”？一种快速识别尿路感染病原菌的新方法

细菌感染的快速诊断和抗生素敏感性测试是临床治疗中的关键环节，但传统培养和药敏方法通常需要24至72小时，容易延误精准用药。SERS能够通过分子振动信号读取细菌表面的“指纹信息”，但细菌尺寸通常为微米级，而SERS热点只有纳米级，二者尺度不匹配，导致细菌表面分子难以充分进入增强区域，信号弱且不稳定。本文的设计思路是先在96孔板底部构建金纳米海绵SERS基底，再通过PNA策略在细菌表面原位生成金纳米层，使细菌被包裹并固定在等离激元热点中，从而增强拉曼信号，实现无标记细菌识别和快速药敏分析（图1）。

图1  多孔SERS平台结合PNA策略实现细菌无标记快速检测

材料构建：让细菌进入SERS增强热点

该研究首先构建了一个适合高通量检测的 96 孔 SERS 平台。普通聚苯乙烯孔板经过化学镀金处理后，孔底形成三维多孔金纳米海绵结构，为后续细菌检测提供稳定的 SERS 增强基底。随后，作者在孔内依次加入细菌悬液、金纳米颗粒、羟胺盐酸盐和金前体，使金纳米颗粒先吸附到细菌表面，并作为金离子还原的成核位点，最终在细菌表面原位形成金纳米层。这样，细菌不再只是简单贴附在 SERS 基底上，而是被金纳米结构“包裹”并限制在增强区域中，从而缓解传统 SERS 检测细菌时热点覆盖不足和信号不稳定的问题（图 1）。

材料表征进一步证明了这一设计的合理性。SEM 结果显示，PNA 处理后金纳米结构可在细菌存在时沿细菌表面形成包覆结构；TEM和元素分析显示，细菌外表面形成了约50至80 nm的金纳米层，且金主要分布在细菌表面，没有进入细胞内部，说明检测信号主要来自细菌表面分子（图2）。电磁场模拟结果也验证了PNA的增强机制：未使用PNA时，细菌表面的局部电场增强较弱，最大值约为1.98；引入PNA后，细菌表面及金纳米层间形成大量局部热点，最大值提高至100.5（图2）。拉曼实验进一步显示，PNA可显著增强大肠杆菌信号，增强因子达到1.22×108；实时监测显示，金纳米层形成与拉曼信号增强同步发生，研究最终将 30 min 确定为 PNA 反应的标准检测时间（图2）。因此，PNA并不是简单增加金材料，而是通过“细菌表面原位包覆”解决了传统SERS检测细菌时热点覆盖不足的问题。

图2  PNA介导的细菌表面金纳米层形成及其SERS信号增强机制

病原鉴定：从拉曼指纹中区分尿路感染病原菌

研究选择了5种常见尿路感染相关细菌，包括大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、粪肠球菌、腐生葡萄球菌和奇异变形杆菌。形貌结果显示，Gram阴性大肠杆菌表面形成的金纳米层更丰富、更密集，而Gram阳性粪肠球菌表面的金沉积相对较少，这与二者细胞壁结构差异有关。Gram阴性菌外膜含有较多带负电和疏水结构，更有利于金纳米颗粒吸附和后续金层生长；Gram阳性菌厚肽聚糖层提供的成核结合位点相对有限，因此金层较薄、较稀疏（图3）。

拉曼光谱结果显示，5种细菌均能产生可识别的SERS指纹谱。部分峰在不同细菌中共有，反映了细菌表面普遍存在的生物大分子结构；同时，不同菌种又存在特异峰或特征区域差异，使其具备菌种区分基础（图3）。检测灵敏度方面，大肠杆菌和肺炎克雷伯菌最低可检测至10³ CFU/mL，粪肠球菌、腐生葡萄球菌和奇异变形杆菌可检测至10⁴ CFU/mL，这一水平低于或接近尿路感染常用临床诊断阈值10⁵至10⁶ CFU/mL，说明该方法具备较好的临床检测潜力（图3）。此外，733 cm^-1特征峰强度与细菌浓度呈良好线性关系，5种细菌的相关系数分别为0.92、0.94、0.90、0.93和0.95，提示该平台不仅可以定性识别细菌，也具有一定定量分析能力（图3）。

为了进一步提高菌种识别的可靠性，作者将 SERS 光谱与多变量统计分析结合。PCA 结果显示，5 种细菌在特征空间中可以形成相对清晰的分离；进一步采用监督学习方法 OPLS-DA 后，模型在该研究数据集内实现了 100%敏感性和 100%特异性（图 3）。这说明 PNA-SERS 平台可以通过细菌表面分子指纹完成高精度病原鉴定，而不依赖传统培养扩增过程。尿液加标实验也显示，在经过离心、洗涤和重悬处理后，该平台仍可在尿液样本中检测大肠杆菌，最低检测浓度达到 10³ CFU/mL，说明其在复杂生物样本中具有一定适用性（图 3）。不过，该部分验证主要基于加标尿液样本，而非真实患者临床样本，因此临床适用性仍需进一步验证。

图3  PNA 多孔 SERS 平台用于病原菌快速识别与定量分析

药敏分析：用SERS信号变化快速判断抗生素作用

在病原鉴定基础上，作者进一步将该平台用于快速抗生素敏感性分析。其基本逻辑是：如果抗生素有效，细菌生长被抑制或被杀灭，PNA-SERS 检测到的细菌信号会降低；如果抗生素效果较弱，细菌仍能存活或继续增殖，SERS 信号则会保留或升高。作者首先以大肠杆菌和阿米卡星为模型，观察不同药物浓度下的信号变化。结果显示，随着阿米卡星浓度升高，大肠杆菌 SERS 信号逐渐下降；当浓度达到 0.05 mg/mL 时，信号降至约 3%，0.1 mg/mL 及以上时基本不可检测，说明该方法可以反映抗生素对细菌的抑制或杀灭效果（图 4）。

进一步的时间响应实验显示，该平台能够在较短时间内区分不同抗生素的作用差异。大肠杆菌经阿米卡星处理后，在 20 min 时已基本检测不到细菌信号，提示其具有快速杀菌作用；而氨苄西林处理后，20 和 40 min 仍有约 5%的残余信号，60 min 升至约 14%，120 min 进一步升至约 49%，说明细菌仍存在一定存活或恢复增长趋势（图 4）。这表明 PNA-SERS 平台可在 1 至 2 小时内提供抗生素作用效果信息，相比传统药敏方法明显缩短检测时间。

作者还将药敏分析扩展到 5 种尿路感染相关细菌和 4 类抗生素，包括阿米卡星、氨苄西林、头孢类和喹诺酮类。结果显示，阿米卡星和喹诺酮类对所有测试细菌均表现出较强杀菌作用，残余 SERS 信号低于 2.5%；相比之下，氨苄西林和头孢类处理后部分菌株仍保留较高信号，例如头孢类处理后肺炎克雷伯菌残余信号达到 89.5%，奇异变形杆菌达到 70.7%，提示这些菌株对相关药物敏感性较低或可能存在耐药倾向（图 4）。传统纸片扩散法结果与 SERS 分析趋势基本一致，进一步支持该平台用于快速药敏判断的可靠性（图 4）。重复性测试中，4 类抗生素检测的 RSD 为 9.3%至 10.9%，说明该方法在药敏分析中具有较好的稳定性（图 4）。

图4  PNA-SERS 平台用于快速抗生素敏感性分析

总体来看，这篇研究的故事可以概括为：作者先通过 PNA 策略构建细菌表面金纳米包覆体系，解决 SERS 检测细菌信号弱的问题；再利用增强后的细菌拉曼指纹实现尿路感染相关病原菌快速识别；最后通过抗生素处理后 SERS 信号变化，实现快速药敏分析。其创新性在于将多孔 SERS 板与细菌表面原位金纳米层结合，使细菌识别和药敏检测整合到同一平台中。这并不是单纯制备一个新的 SERS 基底，而是提出了一种让细菌自身被纳米金结构包覆并进入增强区域的检测策略，因此能够同时提升灵敏度、无标记识别能力、多孔并行检测能力和快速药敏分析效率。

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