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上海交大團隊突破細菌鑒定技術(shù)瓶頸 實現(xiàn)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(wǎng) 作者：宋池 點擊量：427
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(xiàn)代謝物水平可解析的細菌表面增強拉曼光譜（SERS）鑒定技術(shù),。該研究通過創(chuàng)新結(jié)合激光解吸質(zhì)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(lǐng)域取得重大突破。葉堅教授團隊與陶悅副研究員團隊聯(lián)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(xiàn)了對細菌SERS光譜的系統(tǒng)性解析,，為破解該技術(shù)長期存在的"黑箱"難題提供了關(guān)鍵解決方案。相關(guān)研究成果已于2025年6月20日在線發(fā)表于光學領(lǐng)域權(quán)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(shù)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(guān)。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(gòu)建了高質(zhì)量光譜數(shù)據(jù)庫,。實驗發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(chǔ)，團隊創(chuàng)新性地結(jié)合激光解吸/電離質(zhì)譜(LDI-MS)技術(shù),，直接分析納米顆粒表面吸附的代謝物,。質(zhì)譜數(shù)據(jù)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(xiàn)顯著負相關(guān),。基于此分子層面的認知,，研究構(gòu)建了可解釋性卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)模型,，在細菌鑒定中實現(xiàn)90.44%的高準確率，并能識別關(guān)鍵差異峰對應(yīng)的分子信息,。
研究進一步通過代謝物組重建驗證了解析結(jié)果的可靠性,。團隊利用鑒定出的特征代謝物光譜，采用數(shù)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(chǎn)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(chǔ),，實現(xiàn)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(shù)向具有明確生物學意義的分子診斷邁出關(guān)鍵一步,。
素材來源：上海交通大學
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