海岸带有害藻华暴发与致病菌污染严重威胁海洋生态安全与公众健康。传统微生物核酸检测高度依赖实验室PCR仪器、专业人员及冷链储运体系，存在检测周期长、操作复杂、现场适配性差等短板。针对这一难题，中国科学院烟台海岸带研究所海岸带生态环境监测与健康研究组（陈令新研究团队）依托多年表面增强拉曼散射（SERS）和侧向流免疫层析（LFA）技术积累，研发了纸基PCR-SERS-LFA的一体化核酸检测平台。该平台将核酸扩增、层析分离与SERS信号读出整合于一套便携装备，实现了海岸带有害微生物的高效、便携、封闭式现场快速检测。

该集成平台四大核心模块协同工作，构建高灵敏、抗污染便携检测体系。一是扁平化小型化快速PCR系统。采用平面加热芯片，将传统三维管式结构更改为准二维平面结构，热循环速率较常规PCR管提升3.4倍，大幅压缩核酸扩增时长。二是纸基冻干反应室。以醋酸纤维素膜作为冻干载体和PCR扩增基底，摆脱了冷链依赖，冻干试剂室温存放7天性能无明显衰减。三是毛细针驱动SERS-LFA检测笔。通过玻璃毛细针穿刺反应室，实现PCR扩增产物的自动化、封闭式转移，避免气溶胶污染，适配野外复杂作业场景。四是SERS-LFA双模式读出体系。通过试纸条控制线（C线）和检测线（T线）的金纳米星@聚苯乙烯SERS探针，实现传统LFA可视化初筛（检测限10³–10⁴ copies/μL）和SERS精准定量检测（检测限10¹–10² copies/μL），灵敏度提升2个数量级（图1），兼顾了筛查效率与检测精度。上述四大功能模块的系统集成使该平台实现了全程检测时长仅需30分钟。

图1 集成化纸基PCR-SERS-LFA核酸检测平台示意图

多靶标实测验证，检测精度与实验室标准高度一致。团队选取肠球菌、大肠杆菌、塔玛亚历山大藻、夜光藻等典型海岸带致灾微生物为模式靶标物种，验证表明该平台具备10¹–10⁸ copies 宽动态定量检测范围与良好的检测专属性。烟台第二海水浴场的野外现场检测结果显示，36份环境样品的PCR-SERS-LFA检测结果与实验室qPCR标准方法总体一致性达到97.2%（图2），证实了平台在实际水环境中的可靠性与实用性。

图2 烟台第二海水浴场开展致灾菌/藻的原位快速检测

研究进一步将平台拓展至绿潮早期预警应用，实现浒苔微繁殖体超前溯源检测。传统实验室培养法需近两周才能观测到浒苔丝状体，无法支撑早期预警。PCR-SERS-LFA平台可灵敏检出长度仅600 μm的单细胞浒苔微繁殖体，在孢子附着后水体样本第5天、沉积物样本第7天即可获得阳性信号，远早于目视观测时间（图3），实现绿潮灾害的超前预判。

图3不同生长阶段浒苔微观繁殖体的检测结果

为进一步验证区域适用性，团队沿黄海海岸线在南通、连云港、青岛、烟台4市布设了8个调查站位，覆盖紫菜养殖区和滨海旅游区等关键功能水域，采集水体和沉积物样品48份开展比对检测。结果显示，10月下旬南通如东紫菜养殖区、青岛栈桥海水浴场检出浒苔微繁殖体阳性信号，其余站点均为阴性，与实验室培养结果一致（图4），充分证明平台可支撑大范围海岸带灾害溯源监测。

图4 南通、连云港、青岛、烟台8个调查站位浒苔微观繁殖体检测结果

该平台通过纸基冻干设计、毛细针封闭转移、双模式读出的一体化设计，构建了“核酸扩增-无污染转移-精准检测”的完整现场解决方案，可广泛应用于海水浴场致病菌日常监测、海产品养殖生物安全预警、绿潮灾害大规模溯源、特定水生物种eDNA快速检测等场景，为海岸带生态环境常态化监测与灾害应急防控提供实用化分析工具。

相关成果以“Paper-Based Chip Platform: PCR-SERS-LFA Integration for On-Site Coastal Harmful Microorganism Detection”为题，发表于期刊 Environmental Science & Technology。该研究得到了国家自然科学基金、山东省泰山学者青年专家等项目支持。

论文信息：

Wang, Q.S., Wang, Y.Q.*, Fu, L.W., Xia, C.L., Mei, R.C., Wu, Y.X., Chen, J.D., Sun, H.X., Zhang, Z.Y., Wang, X.Y., Chen, L.X.* 2026. Paper-Based Chip Platform: PCR-SERS-LFA Integration for On-Site Coastal Harmful Microorganism Detection. Environmental Science & Technology2026, 60 (29): 20622–20636. https://doi.org/10.1021/acs.est.6c06094