利用表面增强拉曼光谱揭示生物膜中纳米颗粒-抗生素-胞外基质组分的耦合平衡机制及其临床检测意义

为解决生物膜复杂环境中纳米颗粒、抗生素与胞外基质(ECM)组分相互作用的难题，研究人员通过表面增强拉曼光谱(SERS)结合金纳米星(NS)探针，系统研究了左氧氟沙星(Levo)和氨苄西林(Amp)在模型生物膜中的结合动力学。研究发现藻酸盐通过调控核酸/蛋白与NS的竞争性吸附，使抗生素信号强度提升4倍，为临床生物膜内药物监测提供了新策略。

　　

在微生物感染治疗中，生物膜形成的物理屏障和化学复杂性导致抗生素耐药性加剧。80%的人类细菌感染与生物膜相关，但传统检测技术如共聚焦显微镜(CLSM)或质谱成像(MSI)难以实时解析生物膜内药物分布。更棘手的是，由多糖、蛋白质和e-DNA构成的胞外基质(ECM)会与金属纳米探针发生不可预测的相互作用，严重干扰检测灵敏度。

针对这一难题，某研究团队在《Biomacromolecules》发表的研究创新性地采用表面增强拉曼光谱(SERS)结合金纳米星(NS)探针，首次揭示了生物膜组分间耦合平衡对药物检测的影响机制。通过纳米粒子追踪分析(NTA)和透射电镜(TEM)表征NS形貌，结合¹H NMR验证分子相互作用，建立了"ex-situ"生物膜模型系统，定量解析了藻酸盐-腺嘌呤-白蛋白三元体系对抗生素SERS信号的调控规律。

3. 结果与讨论
3.1 生物膜环境下的抗生素检测
使用150 nm金纳米星(NS)作为SERS基底，其680 nm等离子体共振峰与785 nm激发光匹配。发现生物膜使Levo和Amp的特征峰强度分别降低70%和90%，其中腺嘌呤(10^-5 mol dm^-3)单独存在时导致90%信号抑制，但完整生物膜中抑制较弱，暗示基质组分间存在相互抵消效应。

3.2 藻酸盐的调控作用
位移实验证实藻酸盐可置换NS表面柠檬酸盐。当藻酸盐与腺嘌呤共存时，Levo信号反升4倍，¹H NMR显示腺嘌呤质子峰位移(δH 8.0-8.2 ppm)，证实二者通过羧基-氮氢键结合，这种相互作用使游离腺嘌呤减少50%，间接增加抗生素结合位点。

3.3 蛋白质的竞争吸附
牛血清白蛋白(BSA)使Levo信号降至25%，但藻酸盐-BSA混合物中恢复至75%。静电作用形成的藻酸盐-BSA复合物减少了蛋白对NS表面的覆盖，这种效应在氨苄西林检测中同样显著。

4. 结论
该研究突破性地揭示了生物膜检测中"干扰组分互作抵消"现象：藻酸盐通过与核酸/蛋白结合形成三元复合物，反而提升抗生素检测灵敏度。这种耦合平衡机制解释了为何实际生物膜中的信号抑制弱于预期，为开发抗干扰SERS探针提供了新思路。研究不仅解决了临床相关浓度(10^-3 mol dm^-3)下生物膜内药物监测的难题，更建立了复杂体系中多重平衡的分析范式，对理解纳米材料-生物界面相互作用具有普适意义。未来需进一步研究活体生物膜的动态代谢过程对检测的影响。