表面增强拉曼光谱技术在细菌生理活性因子和代谢产物分析领域的研究进展

朱怡亭，李芷瑶，谢茂梅，颜月玲，张 桐，王海霞，2*

（1．天津中医药大学 中药制药工程学院，天津 301617；2．现代中医药海河实验室，天津 301617）

细菌是地球上最早出现并广泛存在的一类原核生物，通常以单细胞形式存在，结构相对简单。然而，一些致病性细菌对人类的健康构成极大威胁，可引发感染性疾病如肺炎、尿路感染和皮肤感染等。研究发现，细菌的致病性与其生理活性或代谢产物密不可分。例如金黄色葡萄球菌在辅助基因调控下，生理活性发生改变后可形成生物膜，这种生物膜能阻碍抗生素的穿透作用，使得抗生素难以对细菌发挥治疗效果并进而产生耐药性，增加治疗难度和并发症风险［1］。此外，细菌的代谢产物也可能对人体造成不良影响。例如，肺炎球菌的代谢产物溶血素可引发炎症反应，并导致肺部损伤［2］。因此，精确分析细菌的生理活性和代谢产物至关重要，对于理解它们在医学、生态学和生物工程等领域的作用具有重要意义。这些研究不仅有助于深入了解细菌的致病机制和抗生素耐受性，还在环境监测和药物研发生产等方面具有广泛应用。对于该领域的深入研究，准确而高效的分析方法是不可或缺的。

当前，质谱［3］、核磁共振［4］和荧光光谱［5］等技术已在细菌生理活性和代谢产物分析方面有所应用。然而，上述方法通常需要大量样本和复杂的样品前处理步骤，很难做到在线分析，且检测成本较高。近年来，SERS 技术在微生物学领域崭露头角，其高灵敏度、高分辨率和高检测效率等特点使之具备了广泛的应用前景。SERS 技术可以精准识别并分析细菌中的多种物质组成，如蛋白质、核酸、脂质和碳水化合物等。同时根据SERS 图谱还可推断分子的键合情况、官能团的存在以及分子构象等信息［6］，为进一步解析细菌生理活性及代谢过程提供了依据。然而，获得精确的拉曼光谱需要具备高活性和高热点性能的表面增强基底材料。本文首先总结了金属纳米材料基底和复合纳米材料基底，然后综述了SERS技术在不同细菌生理活性因子分析方面的研究，包括温度、pH值、培养基类型对细菌生理活性的影响。此外，还探讨了SERS技术在酚类化合物、挥发性有机物、色素类代谢产物以及其他代谢产物分析中的研究应用（如图1所示）。本文首次对SERS技术在细菌生理活性因子及代谢产物方面的分析工作进行综述，显示出SERS技术在复杂生理环境下对细菌监测及检测的突出优势，以期为细菌性疾病的预测、诊断和治疗提供指导。

图1 SERS技术对细菌生理活性因子及代谢产物的分析示意图Fig.1 Schematic diagram of SERS analysis of bacterial physiological active factors and metabolites

1 SERS技术概述、增强机制及增强基底材料

拉曼散射是指入射光与物质分子发生能量交换，改变光子频率形成拉曼频移，能够提供物质分子结构、振动和化学成分信息的一种光谱类型［7］。目前公认的两种表面增强机理为电磁增强和化学增强。尽管这两种机制目前尚未完全解析，但相关研究发现电磁增强与金属纳米结构形状、大小、排列、光波长密切相关［8］，而化学增强与目标分子几何形状、电子结构、分子与基底相互作用相关［9］。因此，近年来研究者们从上述几个方面对增强基底材料进行了深入研究，旨在提高拉曼增强效果。目前，常见的增强基底材料有金属纳米和复合纳米基底材料等。这些基底材料在进行细菌检测分析时，能够与细菌通过静电吸附、物理吸附和表面相互作用等方式紧密结合，从而显著增强细菌的散射信号，极大提高了细菌检测的灵敏度和可靠性。根据基底材料的组成，可将基底分为金属纳米基底和复合纳米基底两大类。

1.1 金属纳米基底

金属纳米常被用作拉曼增强基底材料，这是由于金属纳米颗粒与激发光相互作用时，可引发表面等离子激元共振效应（LSPR）。该效应可导致电场在金属表面聚集，从而增强相邻分子的电磁场，进而提高待测分子的拉曼散射强度［8］。其中金纳米颗粒（Au NPs）和银纳米颗粒（Ag NPs）是细菌SERS检测过程被广泛使用的基底材料［10］。它们在特定尺寸和形状条件下，引发的LSPR效应可引起电子振荡并产生具有高增强效果的局部电场（俗称“热点”），进一步促使附近的分子振动、旋转和电荷重新分布产生增强的拉曼散射信号［11］。除了LSPR 效应外，Au NPs 和Ag NPs 的电荷分布可以促进纳米颗粒与细菌之间的电荷转移和相互作用，进一步增强细菌的SERS信号。

为进一步优化拉曼增强效果，研究人员通过调整纳米基底材料的形状和构型，获得了比表面积更大、表面更为均一的基底材料，如金纳米星（GNS）［12］、金纳米棒［13］、金尖端［14］等，不仅显著提高了局部电场增强效应，进一步增强SERS信号［15］，同时也有效提高了增强基底的重现性，为获得稳定的拉曼信号提供了保障。Chen 等［16］通过在细菌表面原位合成球形银纳米颗粒，获得多条表面等离子体共振带，大大增强了细菌的拉曼信号强度，已成功用于饮用水中常见致病菌的鉴别，并且可用于临床样本中不同亚型细菌的区分。此外，纳米银阵列［17］及纳米金低聚物［18］的引入可为检测基底提供丰富的多孔结构，为细菌的黏附提供更多位点，进一步促进细菌与纳米材料的紧密结合，进而显著提高细菌的拉曼检测信号。

1.2 复合纳米基底

为进一步提高基底材料的拉曼活性响应，研究人员通过尝试组合应用多种基底材料，使获得的复合基底材料具有更优异的拉曼增强活性。将Au NPs和Ag NPs相结合，可以制备多种不同构型的基底如Au@Ag NPs［19］和Au@Ag NS［20］等。它们既具有LSPR 效应，又有多重散射效应，两种效应相互叠加可增强散射信号的强度，并有效提高了金属颗粒的稳定性，延长了在SERS分析检测中的使用寿命。

除了Au NPs 和Ag NPs 材料间的复合，研究人员还将这两种金属材料与硅材料进行复合，制备Au@Ag@mSiO2［21］、SiO2-Au 超晶体［22］、Au**Ag*SiNWs［23］和Au-CNP［24］等复合材料。硅材料具有丰富的介孔或微孔结构，可使金属离子聚集从而增强金属离子的浓度，引发LSPR效应，同时，硅的多孔结构和金属纳米结构的层叠组合可以增加不同界面间的电场效应和散射效应，进一步增强SERS 信号［25］。此外，硅基底的多孔结构还具有良好的细菌吸附能力，能够促使细菌与基底紧密结合。相关研究通过物理吸附、化学吸附以及沉积等手段将金属纳米粒子固定于纤维素基材、蛋白薄膜和聚合物薄膜柔性材料上，制备得到Zein/Au-Au NPs［26］、Ag NPs-tape［27］、3D paper-Au［28］等复合基底材料，不仅可有效增加基底的柔韧性和可塑性，使其能够适应不同形状和结构的表面，同时也提高了金属粒子的聚集性，进一步增强SERS 响应［29］。Huang 等［30］将原位制备的黑磷-Au 纳米片吸附在天然滤纸片上，经过多次浸泡-漂洗-干燥循环制备了一种新型柔性SERS 基板—BP-Au 滤纸基底，并结合多元统计分析方法成功用于金黄色葡萄球菌、单核增生李斯特菌和大肠杆菌的鉴别分析。

上述两类基底的研制为获取细菌的拉曼增强信号提供了便利。近年来，研究人员广泛利用这两类基底，对不同应力下细菌的生理活性及其代谢产物进行分析，有助于深入理解细菌的生物学功能，为人类认识细菌提供了一种有利工具。

2 SERS技术对细菌生理活性因子的分析

细菌生长是一个复杂的过程，其生理活性受多种因素的调节与影响，如温度、pH值、培养基种类等。这些影响因素会引起细菌生理活性的变化，从而影响其行为和功能。通过观察不同生理活性因子诱导下的细菌SERS光谱峰位和强度变化，可推断出细菌生理活性的细微变化，有助于揭示细菌生存策略，并为抗菌治疗、疾病控制和环境保护等提供理论指导。

2.1 温 度

细菌通常具有最适生长温度或温度范围，超出或低于该温度或范围会对其生理活性产生不利影响［31］。当外界温度明显高于最适生长温度时，细菌被杀死；如果在低于细菌的最低生长温度时，细菌代谢活动会受到抑制。通过研究不同温度下细菌的生理活性，可以更深入了解细菌对温度的适应能力和对生物代谢的调节机制。这有助于揭示细菌在不同温度条件下的适应策略，包括调节酶的活性和表达机制，以及适应环境温度变化所产生的遗传机制等。Wang等［32］通过在刀豆蛋白A修饰的细菌纤维素纳米晶（BCNC）上沉积Au NPs 制备了一种复合基底，成功实现了对不同温度下生长的丁香假单胞菌生理活性的分析。刀豆蛋白A 具有较高的亲和力，能够牢固地吸附在细菌表面成分上，从而使细菌有效地固定在基底上。同时，基底中的Au NPs因聚集而形成“热点”效应，使细菌的SERS信号显著增强。研究结果表明，室温条件（25 ℃）下培养的丁香假单胞菌在面临营养限制和渗透压变化时，其SERS 光谱发生了明显变化，表现为与蛋白质和碳水化合物相关的拉曼峰值强度增加，而与DNA相关的拉曼峰值强度减弱的现象。此时，丁香假单胞菌还会分泌细胞外生物分子，诱导细胞死亡并导致上清液细胞外生物分子的SERS 信号增加。而在低温条件（4 ℃）下培养的丁香假单胞菌的拉曼光谱几乎保持不变，此时丁香假单胞菌代谢减缓、生长速度减慢，膜流动性降低，无法产生大量细胞外生物分子，并且不触发细胞死亡和SERS 信号增加。因此，利用SERS 技术可对不同温度下细菌的生理活性进行深入分析。

2.2 pH值

pH 值可直接影响细菌的生理活性和生长繁殖能力，极低或极高的pH 值均可能导致其生理功能受损甚至死亡［33］。了解细菌对不同pH条件的响应，有助于揭示其适应机制和生存策略，帮助人们更好地理解细菌的生态特性和调控细菌生长活性。范美坤团队［34］以Ag NPs 作为基底，对不同pH 条件下细菌的生理活性进行了研究。Ag NPs 引发的LSPR 效应可产生强烈的局部电场，这一局部电场可以促进细菌表面分子的吸附，进而增强细菌的SERS 信号。实验结果表明，痢疾链球菌和粪肠杆菌在660 cm-1处的拉曼峰值强度随着pH值的增加而增强，而大肠杆菌在该处的峰值强度下降。这可能是由于痢疾链球菌和粪肠杆菌对碱性环境有较强的适应性，碱性环境有利于其生长。而大肠杆菌是一种嗜中性的细菌，碱性环境对其生长不利，因此在较高pH 值下，其在660 cm-1处的峰值强度较低。此外，还发现与革兰氏阳性（G+）菌相比，革兰氏阴性（G-）菌更易受到pH 值影响，这可能是由于G-细菌的细胞壁组成简单，更容易受到外部应激的影响所致。

2.3 培养基种类

不同种类培养基对细菌生理活性可产生显著不同的影响，培养基的成分和条件可调节细菌的生长速度和代谢途径等。魏林波［35］以Ag NPs 为基底，研究了在溶菌肉汤（LB）、LB 琼脂和酵母浸出粉胨葡萄糖（YPDA）培养基中生长的4 种细菌的SERS 光谱变化。结果显示，在YPDA 和LB 培养基中生长的志贺氏痢疾杆菌1 型在1 097、1 139、1 582 cm-1处显示出拉曼特征峰，而这些峰在LB 琼脂培养基中则不存在。上述峰通常与糖类和核酸成分相关，表明该菌在LB 琼脂培养基中的代谢速度相对较慢。此外，相比于YPDA 培养基，在LB 培养基中培养的该菌还检测到1 405 cm-1处的特征峰，可能与细菌生长过程中释放的显色化合物有关。对于志贺氏痢疾杆菌2型，其在YPDA和LB琼脂培养基中的SERS光谱非常相似，而在LB 培养基中则表现为660、798、868、898、1 139、1 416、1 695 cm-1处的特征峰强度增加，其中868、898、1 416 cm-1处的特征峰可能与细菌生长释放的显色化合物有关。对于大肠杆菌，LB和LB琼脂培养基中的SERS光谱出峰位置相似，而在 YPDA培养基中，在1 048、1 097 cm-1处新增的拉曼峰可能与C—C 或C—O—C 有关。此外，1 405、1 452 cm-1处的特征峰也有不同程度的增强，其中1 452 cm-1处的特征峰与蛋白质相关。而粪肠球菌在不同培养基下的SERS 光谱差异显著，包括特征峰数量、位置以及峰的相对强度。与其他两种培养基相比，LB 培养基中培养的粪肠球菌在660、960、1 126、1 452、1 582、1 695 cm-1处的特征峰强度明显增加，同时798、872 cm-1处的特征峰强度也有所增加。上述SERS光谱的特征变化反映了培养基种类对细菌生长代谢的影响，表明不同培养基可以引发细菌产生不同的代谢产物，为研究细菌在不同环境下的生长和代谢提供了有利信息。

3 SERS技术对细菌代谢产物的分析

细菌代谢产物是细菌在其生长和代谢过程中产生的化合物，反映了细菌与环境的生长、发育和相互作用［36-38］。细菌代谢产物种类繁多，包括酚类化合物、挥发性有机物、色素类以及其他类别的产物，其中一些细菌代谢产物对特定的细菌种类具有高度指示作用，可作为鉴定和检测细菌的标志物，从而提高疾病的诊断水平［39］。然而，许多细菌代谢产物具有低分子量和浓度较低的特点，需要采用灵敏度较高的检测方法进行检测。近年来，SERS技术在细菌代谢物的高灵敏度检测方面已获得突出应用，下文对SERS 技术在细菌代谢产物检测方面的应用进行介绍。表1 总结了SERS 技术在多种细菌代谢产物检测方面的应用。

表1 SERS技术在细菌代谢产物分析中的应用Table 1 Applications of SERS technology in bacterial metabolite analysis

3.1 酚类化合物

酚类化合物是一类广泛存在于自然界的有机物，细菌在代谢过程中能够产生多种酚类代谢物，如儿茶酚、酚酸、羟基苯乙酸和香豆素等。它们具有多种生物活性，包括抗真菌、抗氧化、抗炎和抗肿瘤等作用，这对于细菌在其自身的生存环境中起到一定的调节作用［40］。此外，上述物质具有广泛的应用前景，涵盖医药、食品、化妆品等多个领域，具备显著的医疗和商业价值。大肠杆菌可通过酪氨酸解氨酶将酪氨酸转化为具有独特香气和风味的香豆素，由于香豆素具有多种作用，引起了人们的关注。Morelli 等［24］使用微流控支持提取液膜技术将大肠杆菌生成的次级代谢产物香豆素（pHCA）进行分离富集，并将金盖纳米柱作为增强基底，通过SERS技术进行检测。金盖纳米柱由硅纳米柱和金膜构成，这种结构能够产生LSPR效应，从而增强局域电磁场。同时，金盖纳米柱具有较大的表面积，能够有效吸附待测物质pHCA，进而增强其SERS 信号。实验结果显示，pHCA 的检测限和定量限分别为5 µmol/L和15 µmol/L，并可以通过pHCA 的产量变化来区分培养条件的影响。随后，研究人员改进了分离富集方法，利用液液萃取技术（LLE）将大肠杆菌的次级代谢产物pHCA 和肉桂酸（CA）从复杂基质中分离富集并进行检测。结果在1 634 cm-1和1 002 cm-1处观察到CA 的拉曼特征峰，而在1 603 cm-1和1 169 cm-1处观察到pHCA 的拉曼特征峰。研究表明通过结合LLE 技术和SERS传感技术，可成功实现对大肠杆菌代谢产物pHCA和CA的同时检测和鉴别［41］。

3.2 挥发性有机物

细菌可通过其特定的代谢途径产生挥发性有机物（VOCs），而不同的细菌会产生不同种类的VOCs。例如，丁香假单胞菌通过硫氧化代谢产生二甲基二硫醚，金黄色葡萄球菌通过糖酵解代谢产生丁酸、2-甲基丁酸、异丁酸等化合物，大肠杆菌通过糖酵解代谢产生二氧化碳，通过发酵代谢产生氢气等［42］。这些VOCs 通常在食品腐败的过程中产生，可能导致严重的食源性疾病，如胃肠炎和败血症。通过监测和评估VOCs，可以及早发现食品腐败，并采取相应的措施防止食源性疾病的发生，提供及时的医疗干预。因此，方便、可靠的VOCs评估在医疗保健领域具有重要意义。

Dejong 等［14］首次成功地利用SERS 技术直接检测细菌释放的VOCs，并通过其特征峰对不同细菌进行区分。他们将衬底放置于带有水溶液的顶空或标准培养皿中，将VOCs 被动地吸附到纳米结构衬底的金尖端上，并使用便携式拉曼光谱仪进行测量。采用乙醇对纳米结构衬底的金尖端进行处理，导致纳米结构向内坍塌。这一坍塌过程在金尖端之间形成纳米间隙，产生了高电场，从而增强了拉曼信号。研究结果表明，在大肠杆菌的光谱中观察到与其释放的VOCs 相关的特定SERS 峰，包括645、760、1 120、1 400、1 485 cm-1峰，而伊氏梭状芽孢杆菌和粘质沙雷氏菌的SERS光谱中未观察到这些峰。上述3种细菌在770、1 600、1 240 cm-1处的SERS峰值存在差异，可以通过这些峰位和峰值的变化将它们区分开。

Wang 等［27］将Ag NPs 沉积在胶带上，制备了低成本的多层复合基底（SERS tape），Ag NPs 的聚集产生了大量的SERS“热点”，增强因子高达3×107，能够显著增强分析物的SERS信号。将SERS胶带倒置在培养皿的盖内，被动捕获丁香假单胞菌生长代谢过程中形成的二甲基二硫醚，并对其进行检测。结果显示，在680 cm-1处出现高强度的拉曼特征峰，并且该峰的强度随着时间的变化而变化，具有时间依赖性，可提供关于代谢物产生的实时信息，并用于定义代谢活动，从而监测细菌生长。

另外，有研究将GNS 材料加载在带真空过滤的平面过滤器支架上，通过金纳米基底材料的密集积累，形成大量“热点”，增强了SERS 信号，并对细菌释放的气体代谢物表现出敏感响应，从而构建了一个能够快速实时监测代谢物的“SERS 鼻子”［43］。其具有良好的重现性和稳定性，可以利用SERS 信号对气体目标进行定量分析。研究人员利用“SERS鼻子”对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌产生的气态代谢物进行了检测。实验结果显示，其SERS光谱呈现出与甲基硫化物、烷烃、酮、醛和芳香族化合物相关的峰值，与质谱测量结果一致。此外，不同细菌的VOCs 在相同峰值处的峰强度存在差异，表明“SERS鼻子”能够区分不同细菌产生的气态代谢物。研究团队还验证了在猪肉上接种上述3 种细菌并检测其产生的气态代谢物的实际应用可行性，并使用活性炭吸附变质猪肉的气态代谢物进行了傅里叶红外光谱（FTIR）检测。与FTIR 检测方法相比，SERS 方法提供了更多关于气态代谢物的光谱信息，从而提高了对气态代谢物的分析性能。因此，这种“SERS鼻子”方法可用于食品变质的早期筛查，并可实现对食品变质的实时监测。

3.3 色素类代谢产物

细菌在代谢过程中会产生丰富多样的色素类代谢产物，主要包括类胆红素色素、类胡萝卜素色素、橙黄素、脓青素（PYO）等［44］。其中PYO 是常见致病菌铜绿假单胞菌通过酪氨酸代谢途径产生的一种特有的有毒色素［45］。PYO 可造成多种感染，且与其群体感应密切相关。监测PYO 的产生不仅可以特异性识别铜绿假单胞菌，还可以追踪其群体效应（QS）行为，为进一步阐明该菌株的致病机理和制定防控措施提供重要依据。基于此，鞠熀先团队［46］设计了一种多功能的SERS便利贴用于检测PYO，并可实现实时追踪细菌产生的QS 信号。该便利贴采用多尺寸GNS 密集包裹在两个hBN 片之间，并在上层hBN 表面包覆4-巯基苯甲酸（MBA）作为内标，当底部hBN 片与待分析物接触时，该便利贴就具有SERS 定量的自校准能力。由于生物相容性和超薄的hBN 包裹，AuNSs 可在不直接接触的情况下位于铜绿假单胞菌生物膜附近，对铜绿假单胞菌生成的PYO 产生快速、高质量的SERS 响应，从而可实现长期实时追踪QS 的能力。研究结果显示，该便利贴对PYO 的检测限为0.58 nmol/L，表明其对铜绿假单胞菌产生的PYO 具有高度敏感性。此外，该团队还利用该便利贴实现了对生物膜中脓青素分泌的实时成像以及对细菌间QS信号的实时追踪。

为减少环境污染和降低检测成本，研究人员开发了多种新型基底用于检测PYO。如Jia等［26］将倒金字塔形状的金涂层纳米结构印在玉米蛋白膜上，形成了可降解的玉米蛋白金膜，并将Au NPs沉积固定在其表面，成功制备了一种环保的SERS 平台（Zein/Au-Au NPs）。该平台中Au NPs 与金膜通过接触产生了大量的“热点”，使SERS增强因子提高至2.8×104。利用该平台，能够灵敏、快速地检测饮用水和囊性纤维化患者痰中的PYO，检测限为25 µmol/L。另外，Zukovskaja 等［23］制备了一种简单、高效且成本低的SERS 检测平台（Au**Ag*SiNWs），并用于人工痰复杂基质中PYO 的检测。该SERS 平台通过在垂直排列的硅纳米线（SiNWs）的底部沉积Ag NPs，并在其顶部沉积双金属Ag/Au NPs，使金属颗粒大量聚集形成“热点”，产生较强的增强因子，从而增强平台上PYO 分子的SERS信号。利用这一SERS平台，实现了对人工痰中PYO 的高灵敏度和高重现性的检测，检测限为6.25 µmol/L。此外，Atta等［12］调整了不含表面活性剂GNS 的形态，成功制备了一种低成本、快速和现场检测的SERS 平台，以实现对PYO的高灵敏度检测。通过将GNS的形态调整为锋利的尖端可以获得强烈的局部电磁场，从而最大程度地增强了SERS信号。该研究使用MBA作为SERS探针，在没有任何预纯化的情况下可检测饮用水、人类唾液和尿液样本中的PYO，饮用水的检测限为0.05 nmol/L，人类唾液和尿液的检测限均为0.4 nmol/L。此外，将SERS技术与其他技术（如伏安法、微流控平台、微针等）结合后也可用于PYO的检测［18，47-49］。

3.4 其 他

除了以上介绍的几类典型代谢产物，SERS检测技术还可用于其他细菌代谢产物的分析检测中。吲哚是由色氨酸通过胰蛋白酶（tnaA）在许多革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌中合成的，具体而言，色氨酸水解可产生吲哚、丙酮酸和氨［50］。在微生物学中，吲哚通常作为特征代谢物间接鉴定大肠杆菌或评价大肠杆菌活性。此外，吲哚作为胞外信号分子通过细胞外环境中浓度的变化作为一种信号传递机制，调节机体的氧化应激、肠道炎症和激素分泌等生理活动［51］。基于此，De Marchi等［52］通过对比在Au@琼脂上生长的大肠杆菌MG1655和缺乏色氨酸酶大肠杆菌产生的代谢物的SERS光谱，成功地识别了与吲哚相关的SERS 信号。实验结果显示，大肠杆菌代谢物的SERS 图谱在607、760、895、1 063、1 506 cm-1处展现出特征峰，与标准吲哚溶液的特征峰一致，而大肠杆菌tnaA突变菌株代谢物的SERS图谱并未出现上述特征峰。同时，他们利用Kovacs 分析法测量了吲哚的产量，每个菌落的吲哚平均产量约为18 µm。

另外，Jayan 等［19］以Au@Ag 核壳纳米颗粒为底物，利用SERS 技术对野生型大肠杆菌O157：H7 产生的吲哚进行了检测。相比于单独的Au NPs 和Ag NPs，Au@Ag 核壳纳米颗粒在激发状态下具有更高的 SERS 增强能力，这是由于两者结合后，Ag NPs 的表面电子态与Au NPs 之间发生电荷转移，在局域电磁场和界面电荷分布之间产生协同作用，进一步增强了SERS效应。研究结果表明，该方法能在标准溶液中检测到0.088 6 mmol/L 的吲哚。在10 mmol/L 外源性色氨酸的存在下，大肠杆菌产生的吲哚浓度比正常水平高20 倍，与未添加外源性色氨酸的培养基相比，培养基中细菌数目下降了3 个数量级，这可能是由于高浓度吲哚抑制大肠杆菌的生长所致。

在最近的一项研究［53］中，研究人员利用卤化物修饰Ag NPs 结合液体独立膜制备了一种新基底（即Br-Ag NPs-3D-FSM），能够对大肠杆菌在调控孢子形成过程中产生的种间信号分子吲哚进行检测。在该研究中，卤化物诱导Ag NPs 聚集形成更多的SERS“热点”，吲哚与卤化物离子之间的静电相互作用促进了吲哚在“热点”周围的分布，从而使其SERS 信号进一步增强。通过观察吲哚的SERS 光谱，发现在1 063 cm-1处的拉曼峰强度随吲哚浓度的增加而增强，即使在吲哚浓度为1 µmol/L的情况下，仍能够检测到1 063 cm-1处的特征峰。因此，研究人员选择使用1 063 cm-1处的峰强度对吲哚进行定量分析，检测限为0.3 µmol/L。

4 总结与展望

本文主要总结了SERS技术在不同细菌生理活性因子和细菌代谢产物分析方面的应用。作为一种快速、灵敏、选择性好的检测技术，SERS 具有强大的应用潜力和优势，为深入研究细菌提供了有利工具。我们认为，未来这项技术可在以下三方面持续发力，为细菌的基础研究及应用分析提供更准确、高效的信息。首先，应进一步改进和优化SERS基底材料及修饰方法，以提高灵敏度和选择性，从而实现更低浓度的细菌分析，以用于病原菌的早期诊断以及细菌对抗生素的耐药性研究［55-58］。其次，可将SERS 技术与成像或质谱分析技术相结合，进而获得更全面的细菌生理活性因子和代谢产物分析结果，以实现细菌的多模态、全方位分析，提高对细菌生理代谢活动的认知水平［59-61］。此外，SERS技术在应用于临床诊断、食品安全监测和环境监测等实际领域时，需要开发标准化程度更高，使用更为便捷的检测器件［62-63］，以实现对致病微生物、有害化学物质快速、准确、高灵敏的分析检测。

然而，SERS 技术在细菌分析中也面临挑战。首先，细菌样品的制备和预处理对于SERS 分析结果至关重要。当前的制备方法可能相对复杂且耗时，因此需要进一步简化和标准化制备步骤以提高操作的可重复性和效率。其次，在分析细菌代谢产物和应激响应时，对于SERS数据的解析和识别是一个关键步骤。我们需要开发更精确的数据解析算法，并建立更多的数据库和参考谱库，以提高对细菌代谢产物分析的准确性和鉴定的可靠性。总体而言，SERS技术在细菌分析方面具有广阔的应用前景，但需要不断突破当前面临的各种挑战和壁垒，并不断推动SERS 技术与其他技术的融合发展，相信SERS 技术在细菌研究与分析检测中将会发挥更为重要的作用。