基于表面增强拉曼散射纳米纤维与D2O探针的代谢物微萃取技术加速抗生素敏感性测试

为解决抗生素耐药性(AMR)快速检测难题，研究人员开发了表面增强拉曼散射(SERS)纳米纤维传感器与重水(D2O)标记联用技术(SERS-DIP)，实现了2小时内快速测定甲氧苄啶(TMP)对大肠杆菌的最小抑菌浓度(MIC)和耐药表型鉴定。该技术通过检测C-D振动(2180 cm-1)和腺嘌呤相关分子(724 cm-1)等新型生物标志物，为临床精准用药提供了创新解决方案。

　　

抗生素耐药性已成为全球公共卫生的重大威胁，传统药敏检测需要24-72小时，导致临床常经验性使用广谱抗生素，进一步加剧耐药问题。现有基因型检测存在假阴性风险，而表型检测虽准确但耗时。表面增强拉曼散射(SERS)技术虽能快速获取细菌分子指纹，但信号强度易受仪器波动影响。如何开发兼具快速性、稳定性和准确性的检测方法成为关键科学问题。

加拿大蒙特利尔大学Jean-Francois Masson团队在《npj Biosensing》发表研究，创新性地将纳米纤维SERS传感器与重水(D₂O)同位素标记相结合。通过聚苯乙烯-b-聚4-乙烯基吡啶(PS-b-P4VP)模板自组装80 nm银纳米颗粒(AgNPs)构建纳米纤维传感器，利用有限时域差分(FDTD)模拟证实其局域表面等离子体共振(LSPR)与法布里-珀罗(FP)腔共振的协同增强效应。以携带dfrB1耐药基因和敏感型大肠杆菌为模型，通过50% D₂O培养结合SERS检测，实现了2小时内完成甲氧苄啶(TMP)药敏测试。

Fabrication and characterisation of the AgNP-coated nanofibre sensor
通过自组装工艺在1μm直径玻璃纤维尖端构建AgNPs阵列，SEM显示纳米颗粒密度达单层覆盖。FDTD模拟揭示633-663 nm激发光下TM/TE偏振均可产生增强电磁场，LOD达28.7 nM(腺嘌呤检测)，RSD为6.4%。

Bacterial AST phenotyping using nanofibre sensors
敏感菌株在≥2μg/mL TMP时C-D特征峰(2180 cm^-1)消失，与肉汤稀释法MIC结果一致。耐药菌株在600μg/mL TMP下仍保持代谢活性，724 cm^-1处腺嘌呤相关峰发生红移。

SERS sensors reveal the kinetics of deuterium(D) uptake
耐药菌在4μg/mL TMP(2×MIC)处理4小时内，C-D信号强度与OD₆₀₀呈正比增长。机器学习判别分析(DFA)确认时间依赖性D同位素掺入模式，2180 cm^-1和724 cm^-1成为关键分类特征。

该研究首次实现SERS-DIP联用技术，突破传统SERS依赖强度比值的局限。通过C-D振动(2180 cm^-1)和腺嘌呤代谢(724 cm^-1)双生物标志物体系，为耐药检测提供更稳健方案。纳米纤维传感器的小型化特性使其具备临床床边检测潜力，2小时的检测速度较传统方法提升12倍，为遏制抗生素滥用提供新技术路径。研究揭示的TMP通过抑制二氢叶酸还原酶影响嘌呤合成的代谢机制，也为新型抗生素开发提供靶点线索。