本研究的主要作者是Natalia E. Markina和Alexey V. Markin，他们来自俄罗斯萨拉托夫国立大学化学研究所。该研究于2024年10月31日在线发表在《Analytica Chimica Acta》期刊上，题为《Determination of Multiple Analytes in Urine Using Label-Free SERS Coupled with Simple Sample Pretreatments》。
研究的核心科学领域是表面增强拉曼光谱（Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, SERS）及其在复杂样品分析中的应用。SERS是一种基于分子在等离子体金属纳米结构表面吸附后拉曼信号显著增强的光学振动光谱技术，广泛应用于生物流体、药物和环境样品中微量物质的检测。然而，尽管SERS具有高灵敏度和快速分析的优势，其在复杂混合物（如生物流体）中的选择性较低，主要原因是混合物中各组分对SERS活性表面的竞争吸附，这导致目标分析物的信号可能被其他成分掩盖。
本研究的背景是，现有的SERS分析通常需要复杂的样品预处理步骤（如高效液相色谱HPLC或薄层色谱TLC）来提高选择性，这增加了分析的复杂性和时间成本。因此，研究团队旨在开发一套简单且快速的样品预处理步骤（如稀释、pH调节等），以增强目标分析物的吸附，减少杂质的吸附，并防止目标分析物的SERS信号被抑制。研究的目标是开发一种无标记的SERS检测方法，能够在单一尿液样本中同时测定多种分析物（甲氨蝶呤、头孢类抗生素和肌酐），并验证其在治疗药物监测（Therapeutic Drug Monitoring, TDM）中的应用潜力。
研究流程主要包括以下几个步骤：
样品预处理
研究针对每种目标分析物（甲氨蝶呤、头孢类抗生素和肌酐）开发了不同的预处理步骤。
SERS检测
使用便携式拉曼光谱仪（i-Raman, B&W Tek）进行光谱采集，激光波长为532 nm，光谱采集时间为1秒。每种样品的制备和光谱采集均重复三次，共采集90个光谱。肌酐、头孢类抗生素和甲氨蝶呤的拉曼特征峰分别位于1419 cm⁻¹、1354-1356 cm⁻¹和595 cm⁻¹。
选择性研究
研究通过在不同浓度下混合目标分析物和干扰物，验证了预处理步骤对选择性的提升。例如，在甲氨蝶呤检测中，研究展示了在2000倍稀释下，甲氨蝶呤信号完全主导光谱，而头孢类抗生素信号被显著抑制。
数据分析
研究通过校准曲线评估了分析方法的准确性和精密度。校准曲线的浓度范围与药代动力学研究中的治疗相关范围一致：肌酐为300-3000 μg/mL，甲氨蝶呤和头孢类抗生素为20-200 μg/mL。数据分析表明，该方法在目标浓度范围内具有较高的准确性和精密度（相对标准偏差≤12%，回收率为88%-111%）。
甲氨蝶呤检测
研究表明，在碱性条件下（pH≥12），甲氨蝶呤的SERS信号最强。然而，尿液中的肌酐和尿酸在相同条件下也会产生强信号，干扰甲氨蝶呤的检测。通过加入PDDA，研究成功抑制了背景信号，使得即使在低浓度（20 μg/mL）下，甲氨蝶呤的信号仍能被检测到。此外，2000倍稀释进一步减少了头孢类抗生素对甲氨蝶呤信号的干扰。
头孢类抗生素检测
研究显示，头孢类抗生素在中性和酸性条件下均有较强的SERS信号。通过加入PDDA，研究成功抑制了尿液中的背景信号（如尿胆素和嘌呤衍生物）。在pH中性条件下，PDDA完全抑制了甲氨蝶呤和肌酐的信号，使得头孢类抗生素的信号在最低浓度（20 μg/mL）下仍能被准确检测。
肌酐检测
研究发现，肌酐在碱性条件下（pH=12）的SERS信号最强。通过使用丙酮沉淀杂质，研究显著提高了肌酐与干扰物的比例。最终，经过丙酮处理的尿液样本的SERS光谱与纯肌酐溶液的光谱几乎完全一致，表明该方法能够有效消除其他药物的干扰。
本研究成功开发了一种基于无标记SERS的多分析物检测方法，能够在单一尿液样本中同时测定甲氨蝶呤、头孢类抗生素和肌酐。通过简单的预处理步骤（如稀释、pH调节和PDDA添加），研究有效控制了SERS活性表面的竞争吸附过程，显著提高了分析的选择性和准确性。该方法在治疗药物监测中具有重要应用价值，特别是在癌症患者并发细菌感染的治疗中，能够实时监测药物浓度和肾功能状态。
本研究不仅为SERS在复杂样品分析中的应用提供了新的思路，还为治疗药物监测领域提供了一种快速、简便且可靠的检测方法。此外，研究强调了在开发无标记SERS分析方法时，考虑竞争吸附过程的重要性，这一实践建议对未来的SERS研究具有重要指导意义。