表面增強拉曼光譜技術在細菌生理活性因子和代謝產物分析領域的研究進展

朱怡亭，李芷瑤，謝茂梅，顏月玲，張 桐，王海霞，2*

（1．天津中醫藥大學 中藥制藥工程學院，天津 301617；2．現代中醫藥海河實驗室，天津 301617）

細菌是地球上最早出現并廣泛存在的一類原核生物，通常以單細胞形式存在，結構相對簡單。然而，一些致病性細菌對人類的健康構成極大威脅，可引發感染性疾病如肺炎、尿路感染和皮膚感染等。研究發現，細菌的致病性與其生理活性或代謝產物密不可分。例如金黃色葡萄球菌在輔助基因調控下，生理活性發生改變后可形成生物膜，這種生物膜能阻礙抗生素的穿透作用，使得抗生素難以對細菌發揮治療效果并進而產生耐藥性，增加治療難度和并發癥風險［1］。此外，細菌的代謝產物也可能對人體造成不良影響。例如，肺炎球菌的代謝產物溶血素可引發炎癥反應，并導致肺部損傷［2］。因此，精確分析細菌的生理活性和代謝產物至關重要，對于理解它們在醫學、生態學和生物工程等領域的作用具有重要意義。這些研究不僅有助于深入了解細菌的致病機制和抗生素耐受性，還在環境監測和藥物研發生產等方面具有廣泛應用。對于該領域的深入研究，準確而高效的分析方法是不可或缺的。

當前，質譜［3］、核磁共振［4］和熒光光譜［5］等技術已在細菌生理活性和代謝產物分析方面有所應用。然而，上述方法通常需要大量樣本和復雜的樣品前處理步驟，很難做到在線分析，且檢測成本較高。近年來，SERS 技術在微生物學領域嶄露頭角，其高靈敏度、高分辨率和高檢測效率等特點使之具備了廣泛的應用前景。SERS 技術可以精準識別并分析細菌中的多種物質組成，如蛋白質、核酸、脂質和碳水化合物等。同時根據SERS 圖譜還可推斷分子的鍵合情況、官能團的存在以及分子構象等信息［6］，為進一步解析細菌生理活性及代謝過程提供了依據。然而，獲得精確的拉曼光譜需要具備高活性和高熱點性能的表面增強基底材料。本文首先總結了金屬納米材料基底和復合納米材料基底，然后綜述了SERS技術在不同細菌生理活性因子分析方面的研究，包括溫度、pH值、培養基類型對細菌生理活性的影響。此外，還探討了SERS技術在酚類化合物、揮發性有機物、色素類代謝產物以及其他代謝產物分析中的研究應用（如圖1所示）。本文首次對SERS技術在細菌生理活性因子及代謝產物方面的分析工作進行綜述，顯示出SERS技術在復雜生理環境下對細菌監測及檢測的突出優勢，以期為細菌性疾病的預測、診斷和治療提供指導。

圖1 SERS技術對細菌生理活性因子及代謝產物的分析示意圖Fig.1 Schematic diagram of SERS analysis of bacterial physiological active factors and metabolites

1 SERS技術概述、增強機制及增強基底材料

拉曼散射是指入射光與物質分子發生能量交換，改變光子頻率形成拉曼頻移，能夠提供物質分子結構、振動和化學成分信息的一種光譜類型［7］。目前公認的兩種表面增強機理為電磁增強和化學增強。盡管這兩種機制目前尚未完全解析，但相關研究發現電磁增強與金屬納米結構形狀、大小、排列、光波長密切相關［8］，而化學增強與目標分子幾何形狀、電子結構、分子與基底相互作用相關［9］。因此，近年來研究者們從上述幾個方面對增強基底材料進行了深入研究，旨在提高拉曼增強效果。目前，常見的增強基底材料有金屬納米和復合納米基底材料等。這些基底材料在進行細菌檢測分析時，能夠與細菌通過靜電吸附、物理吸附和表面相互作用等方式緊密結合，從而顯著增強細菌的散射信號，極大提高了細菌檢測的靈敏度和可靠性。根據基底材料的組成，可將基底分為金屬納米基底和復合納米基底兩大類。

1.1 金屬納米基底

金屬納米常被用作拉曼增強基底材料，這是由于金屬納米顆粒與激發光相互作用時，可引發表面等離子激元共振效應（LSPR）。該效應可導致電場在金屬表面聚集，從而增強相鄰分子的電磁場，進而提高待測分子的拉曼散射強度［8］。其中金納米顆粒（Au NPs）和銀納米顆粒（Ag NPs）是細菌SERS檢測過程被廣泛使用的基底材料［10］。它們在特定尺寸和形狀條件下，引發的LSPR效應可引起電子振蕩并產生具有高增強效果的局部電場（俗稱“熱點”），進一步促使附近的分子振動、旋轉和電荷重新分布產生增強的拉曼散射信號［11］。除了LSPR 效應外，Au NPs 和Ag NPs 的電荷分布可以促進納米顆粒與細菌之間的電荷轉移和相互作用，進一步增強細菌的SERS信號。

為進一步優化拉曼增強效果，研究人員通過調整納米基底材料的形狀和構型，獲得了比表面積更大、表面更為均一的基底材料，如金納米星（GNS）［12］、金納米棒［13］、金尖端［14］等，不僅顯著提高了局部電場增強效應，進一步增強SERS信號［15］，同時也有效提高了增強基底的重現性，為獲得穩定的拉曼信號提供了保障。Chen 等［16］通過在細菌表面原位合成球形銀納米顆粒，獲得多條表面等離子體共振帶，大大增強了細菌的拉曼信號強度，已成功用于飲用水中常見致病菌的鑒別，并且可用于臨床樣本中不同亞型細菌的區分。此外，納米銀陣列［17］及納米金低聚物［18］的引入可為檢測基底提供豐富的多孔結構，為細菌的黏附提供更多位點，進一步促進細菌與納米材料的緊密結合，進而顯著提高細菌的拉曼檢測信號。

1.2 復合納米基底

為進一步提高基底材料的拉曼活性響應，研究人員通過嘗試組合應用多種基底材料，使獲得的復合基底材料具有更優異的拉曼增強活性。將Au NPs和Ag NPs相結合，可以制備多種不同構型的基底如Au@Ag NPs［19］和Au@Ag NS［20］等。它們既具有LSPR 效應，又有多重散射效應，兩種效應相互疊加可增強散射信號的強度，并有效提高了金屬顆粒的穩定性，延長了在SERS分析檢測中的使用壽命。

除了Au NPs 和Ag NPs 材料間的復合，研究人員還將這兩種金屬材料與硅材料進行復合，制備Au@Ag@mSiO2［21］、SiO2-Au 超晶體［22］、Au**Ag*SiNWs［23］和Au-CNP［24］等復合材料。硅材料具有豐富的介孔或微孔結構，可使金屬離子聚集從而增強金屬離子的濃度，引發LSPR效應，同時，硅的多孔結構和金屬納米結構的層疊組合可以增加不同界面間的電場效應和散射效應，進一步增強SERS 信號［25］。此外，硅基底的多孔結構還具有良好的細菌吸附能力，能夠促使細菌與基底緊密結合。相關研究通過物理吸附、化學吸附以及沉積等手段將金屬納米粒子固定于纖維素基材、蛋白薄膜和聚合物薄膜柔性材料上，制備得到Zein/Au-Au NPs［26］、Ag NPs-tape［27］、3D paper-Au［28］等復合基底材料，不僅可有效增加基底的柔韌性和可塑性，使其能夠適應不同形狀和結構的表面，同時也提高了金屬粒子的聚集性，進一步增強SERS 響應［29］。Huang 等［30］將原位制備的黑磷-Au 納米片吸附在天然濾紙片上，經過多次浸泡-漂洗-干燥循環制備了一種新型柔性SERS 基板—BP-Au 濾紙基底，并結合多元統計分析方法成功用于金黃色葡萄球菌、單核增生李斯特菌和大腸桿菌的鑒別分析。

上述兩類基底的研制為獲取細菌的拉曼增強信號提供了便利。近年來，研究人員廣泛利用這兩類基底，對不同應力下細菌的生理活性及其代謝產物進行分析，有助于深入理解細菌的生物學功能，為人類認識細菌提供了一種有利工具。

2 SERS技術對細菌生理活性因子的分析

細菌生長是一個復雜的過程，其生理活性受多種因素的調節與影響，如溫度、pH值、培養基種類等。這些影響因素會引起細菌生理活性的變化，從而影響其行為和功能。通過觀察不同生理活性因子誘導下的細菌SERS光譜峰位和強度變化，可推斷出細菌生理活性的細微變化，有助于揭示細菌生存策略，并為抗菌治療、疾病控制和環境保護等提供理論指導。

2.1 溫 度

細菌通常具有最適生長溫度或溫度范圍，超出或低于該溫度或范圍會對其生理活性產生不利影響［31］。當外界溫度明顯高于最適生長溫度時，細菌被殺死；如果在低于細菌的最低生長溫度時，細菌代謝活動會受到抑制。通過研究不同溫度下細菌的生理活性，可以更深入了解細菌對溫度的適應能力和對生物代謝的調節機制。這有助于揭示細菌在不同溫度條件下的適應策略，包括調節酶的活性和表達機制，以及適應環境溫度變化所產生的遺傳機制等。Wang等［32］通過在刀豆蛋白A修飾的細菌纖維素納米晶（BCNC）上沉積Au NPs 制備了一種復合基底，成功實現了對不同溫度下生長的丁香假單胞菌生理活性的分析。刀豆蛋白A 具有較高的親和力，能夠牢固地吸附在細菌表面成分上，從而使細菌有效地固定在基底上。同時，基底中的Au NPs因聚集而形成“熱點”效應，使細菌的SERS信號顯著增強。研究結果表明，室溫條件（25 ℃）下培養的丁香假單胞菌在面臨營養限制和滲透壓變化時，其SERS 光譜發生了明顯變化，表現為與蛋白質和碳水化合物相關的拉曼峰值強度增加，而與DNA相關的拉曼峰值強度減弱的現象。此時，丁香假單胞菌還會分泌細胞外生物分子，誘導細胞死亡并導致上清液細胞外生物分子的SERS 信號增加。而在低溫條件（4 ℃）下培養的丁香假單胞菌的拉曼光譜幾乎保持不變，此時丁香假單胞菌代謝減緩、生長速度減慢，膜流動性降低，無法產生大量細胞外生物分子，并且不觸發細胞死亡和SERS 信號增加。因此，利用SERS 技術可對不同溫度下細菌的生理活性進行深入分析。

2.2 pH值

pH 值可直接影響細菌的生理活性和生長繁殖能力，極低或極高的pH 值均可能導致其生理功能受損甚至死亡［33］。了解細菌對不同pH條件的響應，有助于揭示其適應機制和生存策略，幫助人們更好地理解細菌的生態特性和調控細菌生長活性。范美坤團隊［34］以Ag NPs 作為基底，對不同pH 條件下細菌的生理活性進行了研究。Ag NPs 引發的LSPR 效應可產生強烈的局部電場，這一局部電場可以促進細菌表面分子的吸附，進而增強細菌的SERS 信號。實驗結果表明，痢疾鏈球菌和糞腸桿菌在660 cm-1處的拉曼峰值強度隨著pH值的增加而增強，而大腸桿菌在該處的峰值強度下降。這可能是由于痢疾鏈球菌和糞腸桿菌對堿性環境有較強的適應性，堿性環境有利于其生長。而大腸桿菌是一種嗜中性的細菌，堿性環境對其生長不利，因此在較高pH 值下，其在660 cm-1處的峰值強度較低。此外，還發現與革蘭氏陽性（G+）菌相比，革蘭氏陰性（G-）菌更易受到pH 值影響，這可能是由于G-細菌的細胞壁組成簡單，更容易受到外部應激的影響所致。

2.3 培養基種類

不同種類培養基對細菌生理活性可產生顯著不同的影響，培養基的成分和條件可調節細菌的生長速度和代謝途徑等。魏林波［35］以Ag NPs 為基底，研究了在溶菌肉湯（LB）、LB 瓊脂和酵母浸出粉胨葡萄糖（YPDA）培養基中生長的4 種細菌的SERS 光譜變化。結果顯示，在YPDA 和LB 培養基中生長的志賀氏痢疾桿菌1 型在1 097、1 139、1 582 cm-1處顯示出拉曼特征峰，而這些峰在LB 瓊脂培養基中則不存在。上述峰通常與糖類和核酸成分相關，表明該菌在LB 瓊脂培養基中的代謝速度相對較慢。此外，相比于YPDA 培養基，在LB 培養基中培養的該菌還檢測到1 405 cm-1處的特征峰，可能與細菌生長過程中釋放的顯色化合物有關。對于志賀氏痢疾桿菌2型，其在YPDA和LB瓊脂培養基中的SERS光譜非常相似，而在LB 培養基中則表現為660、798、868、898、1 139、1 416、1 695 cm-1處的特征峰強度增加，其中868、898、1 416 cm-1處的特征峰可能與細菌生長釋放的顯色化合物有關。對于大腸桿菌，LB和LB瓊脂培養基中的SERS光譜出峰位置相似，而在 YPDA培養基中，在1 048、1 097 cm-1處新增的拉曼峰可能與C—C 或C—O—C 有關。此外，1 405、1 452 cm-1處的特征峰也有不同程度的增強，其中1 452 cm-1處的特征峰與蛋白質相關。而糞腸球菌在不同培養基下的SERS 光譜差異顯著，包括特征峰數量、位置以及峰的相對強度。與其他兩種培養基相比，LB 培養基中培養的糞腸球菌在660、960、1 126、1 452、1 582、1 695 cm-1處的特征峰強度明顯增加，同時798、872 cm-1處的特征峰強度也有所增加。上述SERS光譜的特征變化反映了培養基種類對細菌生長代謝的影響，表明不同培養基可以引發細菌產生不同的代謝產物，為研究細菌在不同環境下的生長和代謝提供了有利信息。

3 SERS技術對細菌代謝產物的分析

細菌代謝產物是細菌在其生長和代謝過程中產生的化合物，反映了細菌與環境的生長、發育和相互作用［36-38］。細菌代謝產物種類繁多，包括酚類化合物、揮發性有機物、色素類以及其他類別的產物，其中一些細菌代謝產物對特定的細菌種類具有高度指示作用，可作為鑒定和檢測細菌的標志物，從而提高疾病的診斷水平［39］。然而，許多細菌代謝產物具有低分子量和濃度較低的特點，需要采用靈敏度較高的檢測方法進行檢測。近年來，SERS技術在細菌代謝物的高靈敏度檢測方面已獲得突出應用，下文對SERS 技術在細菌代謝產物檢測方面的應用進行介紹。表1 總結了SERS 技術在多種細菌代謝產物檢測方面的應用。

表1 SERS技術在細菌代謝產物分析中的應用Table 1 Applications of SERS technology in bacterial metabolite analysis

3.1 酚類化合物

酚類化合物是一類廣泛存在于自然界的有機物，細菌在代謝過程中能夠產生多種酚類代謝物，如兒茶酚、酚酸、羥基苯乙酸和香豆素等。它們具有多種生物活性，包括抗真菌、抗氧化、抗炎和抗腫瘤等作用，這對于細菌在其自身的生存環境中起到一定的調節作用［40］。此外，上述物質具有廣泛的應用前景，涵蓋醫藥、食品、化妝品等多個領域，具備顯著的醫療和商業價值。大腸桿菌可通過酪氨酸解氨酶將酪氨酸轉化為具有獨特香氣和風味的香豆素，由于香豆素具有多種作用，引起了人們的關注。Morelli 等［24］使用微流控支持提取液膜技術將大腸桿菌生成的次級代謝產物香豆素（pHCA）進行分離富集，并將金蓋納米柱作為增強基底，通過SERS技術進行檢測。金蓋納米柱由硅納米柱和金膜構成，這種結構能夠產生LSPR效應，從而增強局域電磁場。同時，金蓋納米柱具有較大的表面積，能夠有效吸附待測物質pHCA，進而增強其SERS 信號。實驗結果顯示，pHCA 的檢測限和定量限分別為5 μmol/L和15 μmol/L，并可以通過pHCA 的產量變化來區分培養條件的影響。隨后，研究人員改進了分離富集方法，利用液液萃取技術（LLE）將大腸桿菌的次級代謝產物pHCA 和肉桂酸（CA）從復雜基質中分離富集并進行檢測。結果在1 634 cm-1和1 002 cm-1處觀察到CA 的拉曼特征峰，而在1 603 cm-1和1 169 cm-1處觀察到pHCA 的拉曼特征峰。研究表明通過結合LLE 技術和SERS傳感技術，可成功實現對大腸桿菌代謝產物pHCA和CA的同時檢測和鑒別［41］。

3.2 揮發性有機物

細菌可通過其特定的代謝途徑產生揮發性有機物（VOCs），而不同的細菌會產生不同種類的VOCs。例如，丁香假單胞菌通過硫氧化代謝產生二甲基二硫醚，金黃色葡萄球菌通過糖酵解代謝產生丁酸、2-甲基丁酸、異丁酸等化合物，大腸桿菌通過糖酵解代謝產生二氧化碳，通過發酵代謝產生氫氣等［42］。這些VOCs 通常在食品腐敗的過程中產生，可能導致嚴重的食源性疾病，如胃腸炎和敗血癥。通過監測和評估VOCs，可以及早發現食品腐敗，并采取相應的措施防止食源性疾病的發生，提供及時的醫療干預。因此，方便、可靠的VOCs評估在醫療保健領域具有重要意義。

Dejong 等［14］首次成功地利用SERS 技術直接檢測細菌釋放的VOCs，并通過其特征峰對不同細菌進行區分。他們將襯底放置于帶有水溶液的頂空或標準培養皿中，將VOCs 被動地吸附到納米結構襯底的金尖端上，并使用便攜式拉曼光譜儀進行測量。采用乙醇對納米結構襯底的金尖端進行處理，導致納米結構向內坍塌。這一坍塌過程在金尖端之間形成納米間隙，產生了高電場，從而增強了拉曼信號。研究結果表明，在大腸桿菌的光譜中觀察到與其釋放的VOCs 相關的特定SERS 峰，包括645、760、1 120、1 400、1 485 cm-1峰，而伊氏梭狀芽孢桿菌和粘質沙雷氏菌的SERS光譜中未觀察到這些峰。上述3種細菌在770、1 600、1 240 cm-1處的SERS峰值存在差異，可以通過這些峰位和峰值的變化將它們區分開。

Wang 等［27］將Ag NPs 沉積在膠帶上，制備了低成本的多層復合基底（SERS tape），Ag NPs 的聚集產生了大量的SERS“熱點”，增強因子高達3×107，能夠顯著增強分析物的SERS信號。將SERS膠帶倒置在培養皿的蓋內，被動捕獲丁香假單胞菌生長代謝過程中形成的二甲基二硫醚，并對其進行檢測。結果顯示，在680 cm-1處出現高強度的拉曼特征峰，并且該峰的強度隨著時間的變化而變化，具有時間依賴性，可提供關于代謝物產生的實時信息，并用于定義代謝活動，從而監測細菌生長。

另外，有研究將GNS 材料加載在帶真空過濾的平面過濾器支架上，通過金納米基底材料的密集積累，形成大量“熱點”，增強了SERS 信號，并對細菌釋放的氣體代謝物表現出敏感響應，從而構建了一個能夠快速實時監測代謝物的“SERS 鼻子”［43］。其具有良好的重現性和穩定性，可以利用SERS 信號對氣體目標進行定量分析。研究人員利用“SERS鼻子”對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌產生的氣態代謝物進行了檢測。實驗結果顯示，其SERS光譜呈現出與甲基硫化物、烷烴、酮、醛和芳香族化合物相關的峰值，與質譜測量結果一致。此外，不同細菌的VOCs 在相同峰值處的峰強度存在差異，表明“SERS鼻子”能夠區分不同細菌產生的氣態代謝物。研究團隊還驗證了在豬肉上接種上述3 種細菌并檢測其產生的氣態代謝物的實際應用可行性，并使用活性炭吸附變質豬肉的氣態代謝物進行了傅里葉紅外光譜（FTIR）檢測。與FTIR 檢測方法相比，SERS 方法提供了更多關于氣態代謝物的光譜信息，從而提高了對氣態代謝物的分析性能。因此，這種“SERS鼻子”方法可用于食品變質的早期篩查，并可實現對食品變質的實時監測。

3.3 色素類代謝產物

細菌在代謝過程中會產生豐富多樣的色素類代謝產物，主要包括類膽紅素色素、類胡蘿卜素色素、橙黃素、膿青素（PYO）等［44］。其中PYO 是常見致病菌銅綠假單胞菌通過酪氨酸代謝途徑產生的一種特有的有毒色素［45］。PYO 可造成多種感染，且與其群體感應密切相關。監測PYO 的產生不僅可以特異性識別銅綠假單胞菌，還可以追蹤其群體效應（QS）行為，為進一步闡明該菌株的致病機理和制定防控措施提供重要依據。基于此，鞠熀先團隊［46］設計了一種多功能的SERS便利貼用于檢測PYO，并可實現實時追蹤細菌產生的QS 信號。該便利貼采用多尺寸GNS 密集包裹在兩個hBN 片之間，并在上層hBN 表面包覆4-巰基苯甲酸（MBA）作為內標，當底部hBN 片與待分析物接觸時，該便利貼就具有SERS 定量的自校準能力。由于生物相容性和超薄的hBN 包裹，AuNSs 可在不直接接觸的情況下位于銅綠假單胞菌生物膜附近，對銅綠假單胞菌生成的PYO 產生快速、高質量的SERS 響應，從而可實現長期實時追蹤QS 的能力。研究結果顯示，該便利貼對PYO 的檢測限為0.58 nmol/L，表明其對銅綠假單胞菌產生的PYO 具有高度敏感性。此外，該團隊還利用該便利貼實現了對生物膜中膿青素分泌的實時成像以及對細菌間QS信號的實時追蹤。

為減少環境污染和降低檢測成本，研究人員開發了多種新型基底用于檢測PYO。如Jia等［26］將倒金字塔形狀的金涂層納米結構印在玉米蛋白膜上，形成了可降解的玉米蛋白金膜，并將Au NPs沉積固定在其表面，成功制備了一種環保的SERS 平臺（Zein/Au-Au NPs）。該平臺中Au NPs 與金膜通過接觸產生了大量的“熱點”，使SERS增強因子提高至2.8×104。利用該平臺，能夠靈敏、快速地檢測飲用水和囊性纖維化患者痰中的PYO，檢測限為25 μmol/L。另外，Zukovskaja 等［23］制備了一種簡單、高效且成本低的SERS 檢測平臺（Au**Ag*SiNWs），并用于人工痰復雜基質中PYO 的檢測。該SERS 平臺通過在垂直排列的硅納米線（SiNWs）的底部沉積Ag NPs，并在其頂部沉積雙金屬Ag/Au NPs，使金屬顆粒大量聚集形成“熱點”，產生較強的增強因子，從而增強平臺上PYO 分子的SERS信號。利用這一SERS平臺，實現了對人工痰中PYO 的高靈敏度和高重現性的檢測，檢測限為6.25 μmol/L。此外，Atta等［12］調整了不含表面活性劑GNS 的形態，成功制備了一種低成本、快速和現場檢測的SERS 平臺，以實現對PYO的高靈敏度檢測。通過將GNS的形態調整為鋒利的尖端可以獲得強烈的局部電磁場，從而最大程度地增強了SERS信號。該研究使用MBA作為SERS探針，在沒有任何預純化的情況下可檢測飲用水、人類唾液和尿液樣本中的PYO，飲用水的檢測限為0.05 nmol/L，人類唾液和尿液的檢測限均為0.4 nmol/L。此外，將SERS技術與其他技術（如伏安法、微流控平臺、微針等）結合后也可用于PYO的檢測［18，47-49］。

3.4 其 他

除了以上介紹的幾類典型代謝產物，SERS檢測技術還可用于其他細菌代謝產物的分析檢測中。吲哚是由色氨酸通過胰蛋白酶（tnaA）在許多革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌中合成的，具體而言，色氨酸水解可產生吲哚、丙酮酸和氨［50］。在微生物學中，吲哚通常作為特征代謝物間接鑒定大腸桿菌或評價大腸桿菌活性。此外，吲哚作為胞外信號分子通過細胞外環境中濃度的變化作為一種信號傳遞機制，調節機體的氧化應激、腸道炎癥和激素分泌等生理活動［51］。基于此，De Marchi等［52］通過對比在Au@瓊脂上生長的大腸桿菌MG1655和缺乏色氨酸酶大腸桿菌產生的代謝物的SERS光譜，成功地識別了與吲哚相關的SERS 信號。實驗結果顯示，大腸桿菌代謝物的SERS 圖譜在607、760、895、1 063、1 506 cm-1處展現出特征峰，與標準吲哚溶液的特征峰一致，而大腸桿菌tnaA突變菌株代謝物的SERS圖譜并未出現上述特征峰。同時，他們利用Kovacs 分析法測量了吲哚的產量，每個菌落的吲哚平均產量約為18 μm。

另外，Jayan 等［19］以Au@Ag 核殼納米顆粒為底物，利用SERS 技術對野生型大腸桿菌O157：H7 產生的吲哚進行了檢測。相比于單獨的Au NPs 和Ag NPs，Au@Ag 核殼納米顆粒在激發狀態下具有更高的 SERS 增強能力，這是由于兩者結合后，Ag NPs 的表面電子態與Au NPs 之間發生電荷轉移，在局域電磁場和界面電荷分布之間產生協同作用，進一步增強了SERS效應。研究結果表明，該方法能在標準溶液中檢測到0.088 6 mmol/L 的吲哚。在10 mmol/L 外源性色氨酸的存在下，大腸桿菌產生的吲哚濃度比正常水平高20 倍，與未添加外源性色氨酸的培養基相比，培養基中細菌數目下降了3 個數量級，這可能是由于高濃度吲哚抑制大腸桿菌的生長所致。

在最近的一項研究［53］中，研究人員利用鹵化物修飾Ag NPs 結合液體獨立膜制備了一種新基底（即Br-Ag NPs-3D-FSM），能夠對大腸桿菌在調控孢子形成過程中產生的種間信號分子吲哚進行檢測。在該研究中，鹵化物誘導Ag NPs 聚集形成更多的SERS“熱點”，吲哚與鹵化物離子之間的靜電相互作用促進了吲哚在“熱點”周圍的分布，從而使其SERS 信號進一步增強。通過觀察吲哚的SERS 光譜，發現在1 063 cm-1處的拉曼峰強度隨吲哚濃度的增加而增強，即使在吲哚濃度為1 μmol/L的情況下，仍能夠檢測到1 063 cm-1處的特征峰。因此，研究人員選擇使用1 063 cm-1處的峰強度對吲哚進行定量分析，檢測限為0.3 μmol/L。

4 總結與展望

本文主要總結了SERS技術在不同細菌生理活性因子和細菌代謝產物分析方面的應用。作為一種快速、靈敏、選擇性好的檢測技術，SERS 具有強大的應用潛力和優勢，為深入研究細菌提供了有利工具。我們認為，未來這項技術可在以下三方面持續發力，為細菌的基礎研究及應用分析提供更準確、高效的信息。首先，應進一步改進和優化SERS基底材料及修飾方法，以提高靈敏度和選擇性，從而實現更低濃度的細菌分析，以用于病原菌的早期診斷以及細菌對抗生素的耐藥性研究［55-58］。其次，可將SERS 技術與成像或質譜分析技術相結合，進而獲得更全面的細菌生理活性因子和代謝產物分析結果，以實現細菌的多模態、全方位分析，提高對細菌生理代謝活動的認知水平［59-61］。此外，SERS技術在應用于臨床診斷、食品安全監測和環境監測等實際領域時，需要開發標準化程度更高，使用更為便捷的檢測器件［62-63］，以實現對致病微生物、有害化學物質快速、準確、高靈敏的分析檢測。

然而，SERS 技術在細菌分析中也面臨挑戰。首先，細菌樣品的制備和預處理對于SERS 分析結果至關重要。當前的制備方法可能相對復雜且耗時，因此需要進一步簡化和標準化制備步驟以提高操作的可重復性和效率。其次，在分析細菌代謝產物和應激響應時，對于SERS數據的解析和識別是一個關鍵步驟。我們需要開發更精確的數據解析算法，并建立更多的數據庫和參考譜庫，以提高對細菌代謝產物分析的準確性和鑒定的可靠性。總體而言，SERS技術在細菌分析方面具有廣闊的應用前景，但需要不斷突破當前面臨的各種挑戰和壁壘，并不斷推動SERS 技術與其他技術的融合發展，相信SERS 技術在細菌研究與分析檢測中將會發揮更為重要的作用。