《Sensors and Actuators Reports》：Rapid meningitis pathogen typing
via bioreceptor-free AI-SERS based on bacterial surface charge regulation
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基于表面增强拉曼光谱（SERS）与人工智能的快速病原体分型方法，通过酸性条件调节细菌表面电荷以克服电化学排斥，实现SERS纳米粒子高效吸附，结合机器学习算法在15分钟内完成病原体准确分型，灵敏度达99%。
张成刚|王萌|李毅|于淼|张杰|孙晔
哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院，中国哈尔滨150001
摘要
快速病原体分型对于精准的抗菌治疗至关重要；然而，传统方法耗时较长。尽管表面增强拉曼光谱（SERS）能够实现快速检测，但目前的方法依赖于昂贵的识别分子，或者由于静电排斥导致SERS活性纳米粒子在细菌表面的吸附效率低下而信号较弱。本文提出了一种无需生物受体的、基于人工智能的SERS生物传感策略，用于快速准确的病原体分型。通过在酸性条件下进行质子化，该方法调节细菌表面电荷，从而克服细菌与SERS纳米粒子之间的静电排斥。该方法保持了细菌的活性，并允许SERS活性平台直接在细菌表面快速组装，从而保护病原体的完整性，提高检测可靠性，并显著增强拉曼信号。结合机器学习，该方法对三种常见的细菌性脑膜炎病原体的分型准确率达到99%，AUC-ROC值达到1.0。整个过程（包括样品预处理、表面电荷调节、纳米粒子吸附、SERS采集和机器学习分型）仅需15分钟。该方法成本低廉且易于使用，无需生物受体和复杂处理，在临床样本中表现出稳健的性能，并在公共卫生、食品安全、环境监测和紧急诊断中具有广泛的应用前景。
引言
病原菌作为多种疾病的主要致病因子，对全球公共卫生构成了日益严重的威胁[1]、[2]、[3]、[4]。中枢神经系统感染（如细菌性脑膜炎）与高死亡率和频繁的神经后遗症相关[5]、[6]、[7]、[8]。治疗延迟每小时会使脑膜炎死亡率增加7-10%[9]、[10]。治疗策略（包括抗生素方案和临床管理）因病原体不同而异，传统的形态学检查和革兰氏染色通常缺乏分型的可靠性。虽然细菌培养仍然是金标准，但需要超过48小时，并且假阴性率较高[11]。像ELISA和PCR这样的分子技术仍然依赖于先前的培养和复杂的提取程序，通常需要8-24小时，因此也无法为时间紧迫的感染提供指导[12]、[13]、[14]。这些限制往往迫使人们使用广谱抗生素，导致共生微生物群的非特异性耗竭（引起菌群失调和继发感染），并加速抗菌素耐药性的出现[15]、[16]、[17]。
表面增强拉曼光谱（SERS）由于其高灵敏度、指纹特征、非破坏性和快速响应而在病原体检测方面显示出巨大潜力[18]、[19]、[20]、[21]。然而，无标记SERS的实际应用受到细菌在SERS活性平台上吸附效率低（尤其是静电排斥）导致的信号弱的影响[22]、[23]。为了解决这个问题，SERS基底通常会被功能化，添加特定的识别元件，如DNA、抗体或适配体[24]、[25]、[26]。然而，这种策略也存在一些局限性，包括成本高、结合时间较长（超过40分钟）、检测条件严格以及依赖专业技术人员[27]、[28]。此外，细菌表面蛋白之间的高度同源性（高达80%）以及SERS光谱中重叠峰的存在进一步复杂化了分析[29]。此外，手动处理SERS光谱进行细菌分型效率低下且容易受到主观偏见的影响。因此，开发快速、准确、低成本且易于使用的无标记AI-SERS平台用于细菌检测/分型仍然是一个理想但尚未实现的目标[30]。
在这项工作中，我们提出了一种基于细菌表面电荷调节的AI驱动SERS生物传感策略，用于快速准确的病原体分型。该方法消除了SERS检测中对识别元件的需求。通过在酸性溶液中诱导表面质子化，我们调节细菌表面电荷，从而克服细菌与SERS活性金纳米粒子（Au NPs）之间的静电排斥。这使得Au NPs能够快速密集地吸附在细菌表面，从而在细菌细胞上直接形成一致的SERS增强平台，显著放大细菌的拉曼信号（图1）。结合机器学习算法，该方法对三种常见的脑膜炎病原体——脑膜炎奈瑟菌（N. meningitidis）、无乳链球菌（S. agalactiae）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的分型准确率达到99%，接收者操作特征曲线下面积（AUC）为1.0。整个过程（包括样品预处理、表面电荷调节及Au NP吸附、SERS采集和机器学习分型）仅需15分钟。该方法不仅速度快、准确率高，而且不需要复杂的化学试剂，成本低廉且易于操作，在临床样本中表现出稳健的性能。
材料
三水合氯化金(III)（HAuCl?·3H?O）、三碱式柠檬酸钠（Na?C?H?O?·2H?O）、三(羟甲基)氨基甲烷（Tris-base）和盐酸（HCl）购自Aladdin（中国）。脑膜炎奈瑟菌、无乳链球菌和金黄色葡萄球菌菌株购自BeNa Culture Collection（BNCC353914、BNCC256333和BNCC310011）。Luria-Bertani（LB）肉汤、Columbia肉汤和琼脂粉购自青岛Hope Bio-Technology有限公司。胎牛血清...
病原体表面ζ电位的调节
通过静电相互作用在目标细菌上积累SERS活性纳米粒子是一种有效的SERS生物医学应用策略，因为它结合效率高、操作简单且限制较少[32]、[33]、[34]、[35]、[36]。然而，在常规条件下，细菌和SERS纳米粒子（如Au NPs）本身带有负电荷，导致强烈的静电排斥，严重阻碍了纳米粒子的有效吸附...
结论
总之，我们开发了一种快速、精确、低成本且操作简单的基于SERS的病原体检测和分型方法，该方法不需要生物受体或复杂的试剂。通过利用细菌的等电特性，在酸性溶液中短暂孵育可以调节其表面电荷，有效克服细菌与Au NPs之间的静电排斥，从而实现纳米粒子在细菌表面的高效富集。这显著增强了细菌的...
CRediT作者贡献声明
张杰：资源、方法论。
于淼：写作——审阅与编辑、资金获取、概念化。
孙晔：写作——审阅与编辑、监督、资金获取、概念化。
张成刚：写作——初稿撰写、方法论、数据分析、数据管理、概念化。
李毅：资源、方法论。
王萌：验证、数据分析、数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有可能影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
张成刚是哈尔滨工业大学孙晔教授指导下的博士候选人。他的研究兴趣包括利用机器学习和深度学习进行快速灵敏的细菌分型，以及开发高灵敏度的即时检测（POCT）方法和设备。
