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上海交大團(tuán)隊(duì)突破細(xì)菌鑒定技術(shù)瓶頸 實(shí)現(xiàn)代謝物水平可解析的SERS檢測(cè)
2025年06月27日 08:41:49
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：宋池 點(diǎn)擊量：4547
上海交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在《Advanced Photonics》發(fā)表突破性研究，首次實(shí)現(xiàn)代謝物水平可解析的細(xì)菌表面增強(qiáng)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(jìng)爭(zhēng)納米顆粒表面位點(diǎn)，導(dǎo)致特征性Ag-Cl鍵信號(hào)減弱的核心機(jī)制。
上海交通大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在細(xì)菌快速鑒定領(lǐng)域取得重大突破。葉堅(jiān)教授團(tuán)隊(duì)與陶悅副研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開發(fā)了一種基于表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)的創(chuàng)新方法，首次在代謝物分子水平上實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)菌SERS光譜的系統(tǒng)性解析，為破解該技術(shù)長(zhǎng)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(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《Advanced Photonics》。
面對(duì)全球細(xì)菌感染威脅加劇的嚴(yán)峻形勢(shì)，該研究針對(duì)當(dāng)前無標(biāo)記SERS技術(shù)在細(xì)菌鑒定中面臨的核心挑戰(zhàn)——即復(fù)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(tuán)隊(duì)選取8種常見臨床病原菌，通過標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)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(hào)強(qiáng)度存在顯著差異。深入研究表明，這一現(xiàn)象源于兩類細(xì)菌代謝物釋放量的不同：Gram-菌對(duì)熱裂解更敏感，釋放的代謝物更多，這些分子競(jìng)爭(zhēng)性取代金納米顆粒表面的氯離子，導(dǎo)致Ag-Cl鍵信號(hào)減弱。
為確證光譜差異的分子基礎(chǔ)，團(tuán)隊(duì)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(jī)雜環(huán)類代謝物的豐度與Ag-Cl鍵強(qiáng)度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)。基于此分子層面的認(rèn)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(xì)菌鑒定中實(shí)現(xiàn)90.44%的高準(zhǔn)確率，并能識(shí)別關(guān)鍵差異峰對(duì)應(yīng)的分子信息。
研究進(jìn)一步通過代謝物組重建驗(yàn)證了解析結(jié)果的可靠性。團(tuán)隊(duì)利用鑒定出的特征代謝物光譜，采用數(shù)學(xué)算法成功擬合出細(xì)菌實(shí)際光譜，其中6種菌株的擬合光譜與實(shí)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(hào)產(chǎn)生的分子機(jī)制，建立了從復(fù)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(xì)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(hào)背后的代謝物分子基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了在分子層面對(duì)光譜進(jìn)行解析。這套可解釋性框架具備普適性，未來可延伸至細(xì)胞、血清等復(fù)雜生物樣本的代謝檢測(cè)。該研究獲得多項(xiàng)國(guó)家級(jí)和省部級(jí)基金支持，標(biāo)志著SERS技術(shù)向具有明確生物學(xué)意義的分子診斷邁出關(guān)鍵一步。
素材來源：上海交通大學(xué)
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