近日，青岛能源所单细胞中心与宝洁新加坡创新研发中心合作，利用单细胞拉曼光谱技术（SCRS）多维度揭示了阳离子和阴离子表面活性剂对金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌作用机制，研究成果为表面活性剂在日化、医疗等领域的应用提供了新的理论依据和技术支持。相关研究成果发表于《分析化学》（Analytical Chemistry）。

金黄色葡萄球菌是一种广泛存在于皮肤和环境中的条件病原菌，与多种感染性疾病密切相关，包括皮肤感染和严重的系统性感染，也是引起食源性疾病的主要病原菌之一。表面活性剂因其良好的抗菌性能，在个人护理和家居护理产品中被广泛使用，但其抗菌机制，尤其是在分子水平上的作用机制，尚未得到充分解析。

单细胞中心高级工程师郑晓姗和宝洁新加坡创新研发中心首席科学家李睿带领的合作团队，利用SCRS建立了一种基于“拉曼组”平台的新方法，用于评估表面活性剂的抗菌效果及作用机制。研究选择了阳离子表面活性剂（苯扎氯铵，BAC）和阴离子表面活性剂（十二烷基硫酸钠，SDS；油酰基硫酸钠，SOS）作为研究对象，并以S. aureus为模型，分析了在不同pH条件下表面活性剂处理后的细菌拉曼光谱变化。

研究结果表明，在中性pH条件下，三种表面活性剂均能有效破坏S. aureus的细胞膜完整性，导致细胞内主要成分（核酸、蛋白质和细胞色素）的泄漏（图1）。其中，阳离子表面活性剂BAC通过静电作用插入膜内，其特有的芳香环C=C-H振动谱峰提供了直接证据。而阴离子表面活性剂SDS和SOS通过破坏膜结构和诱导氧化应激发挥抗菌作用，特别是SDS处理的细胞中葡萄球菌黄素（staphyloxanthin，STX）的谱峰信号增强，表明细菌通过合成STX抵抗氧化压力；而SOS处理的细胞则出现硫氧键（S=O）的谱峰，提示其引发了更强烈的氧化损伤。通过过氧化氢（H₂O₂）处理验证，研究团队发现细菌在低浓度氧化压力下通过合成STX自我保护，而在高浓度下则生成硫氧键产物（BSO₃H），标志着氧化损伤的不可逆。这一发现为定量评估氧化应激提供了新方法。

图1 基于单细胞拉曼光谱技术的表面活性剂抗菌机制多维解析

研究团队通过拉曼光谱特征峰动态追踪，首次捕捉到酸性环境（pH 5.1）与阴离子表面活性剂的协同抗菌效应。酸性条件改变了细胞膜表面电荷，促进阴离子表面活性剂插入膜内，同时加剧了核酸结构的破坏（O-P-O键信号减弱）和氧化应激（S=O信号出现）。这种协同效应为开发pH响应型抗菌产品提供了新思路。此外，研究还结合透射电子显微镜（TEM）和活性氧（ROS）检测等手段，系统验证了SCRS所揭示的抗菌机制。这些实验结果与拉曼光谱分析结果相互印证，为表面活性剂的抗菌机制提供了全面而深入的解释。

单细胞拉曼光谱技术作为一种无标记、非侵入性的分析手段，能够在单细胞水平上提供丰富的多维代谢信息，具有快速、低成本、高灵敏度等优点。这项研究不仅为表面活性剂的抗菌机制研究提供了新的视角，还为抗菌剂的研发和筛选提供了一种高效、全面的新方法。未来，该技术有望在抗菌剂研发、微生物学研究以及临床感染控制等领域得到更广泛的应用。下一步，研究团队将利用发明的高通量流式拉曼分选仪（FlowRACS）、数字化克隆挑选仪（DCP）等，在单菌体精度评价抗菌剂效能的基础上，深入解析其抗菌机制，并联合推动基于单细胞代谢快检的抗菌效能评价与质检新标准制定。

该工作由青岛能源所单细胞中心研究员徐健与宝洁新加坡创新研发中心首席科学家刘吉泉共同主持，得到了中国科学院-宝洁创新合作框架iMicroCare、国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东能源研究院创新基金等项目的资助。（文/郑晓姗 图/王婷）

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c06380

Xiaoshan Zheng, Rui Li, Ting Wang, Xunrong Li, Xiao Han, Yajie Dai, Jiquan Liu*, Jian Xu*. Unraveling antibacterial mechanisms of surfactants against Staphylococcus aureus via single-cell Raman spectroscopy. Analytical Chemistry, 2025.