ASD地物光譜儀在鑒定細菌生物膜方面的應用

細菌生物膜廣泛存在于工業(yè)、醫(yī)療和食品領(lǐng)域，因其強大的耐藥性，給衛(wèi)生和安全帶來了嚴峻挑戰(zhàn)，每年造成超5萬億美元的損失。金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、大腸桿菌等常見致病菌，易通過生物膜污染環(huán)境并增加感染風險，而益生菌生物膜則能有效抑制有害菌的定植，具有潛在的健康益處。

研究背景

生物膜檢測的重要性

細菌生物膜是由細菌在其表面形成的一層粘附性強的結(jié)構(gòu)，這使得它們比自由細菌更能抵抗抗生素和其他藥物。生物膜在食品和臨床環(huán)境中的污染增加了感染風險，因此，開發(fā)高效、精準的檢測方法對于公共衛(wèi)生至關(guān)重要。近年來，近紅外（NIR）光譜憑借其較強的穿透力和成分識別能力，成為檢測細菌生物膜的理想技術(shù)。

研究方法

NIR光譜與多元分析技術(shù)相結(jié)合

本研究結(jié)合NIR光譜技術(shù)與SNV預處理、Savitzky-Golay濾波器和隨機森林分類算法，旨在提高細菌生物膜檢測的精度。研究選用了七種細菌，包括金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、大腸桿菌等，并在適宜條件下進行培養(yǎng)。使用LabSpec 4 Standard-Res便攜式光譜分析儀（Analytical Spectral Devices, ASD, ）進行樣品光譜采集，分析細菌生物膜的光譜特征。

圖 1. 對每種細菌生物膜進行 NIR 測量后獲得的光譜特征。左下方標明了細菌種類和對照。

圖 2. 隨機森林性能：mtry 對準確性和穩(wěn)定性的影響。

圖 3. 細菌樣本的分布。

圖 4. 受污染和未受污染樣本的平均光譜特征。

研究通過對光譜數(shù)據(jù)的分析，展示了NIR光譜與多元分類技術(shù)在細菌生物膜快速識別中的巨大潛力。通過優(yōu)化數(shù)據(jù)預處理和分類模型，本研究實現(xiàn)了不同病原菌生物膜的準確分類，特別是在金黃色葡萄球菌的檢測中，表現(xiàn)出了顯著的精度。

研究成果

精準鑒定病原菌生物膜

研究結(jié)果表明，NIR光譜結(jié)合多元分類技術(shù)能夠有效區(qū)分多種病原菌生物膜，且無損、快速，適合用于現(xiàn)場監(jiān)測。除了單核細胞增生李斯特菌外，其他所有細菌樣本均取得了良好的分類效果，尤其金黃色葡萄球菌的表現(xiàn)尤為突出。該技術(shù)展現(xiàn)了在食品和臨床環(huán)境中的廣泛應用前景。

未來展望

推動生物膜檢測標準化

未來的研究將進一步結(jié)合NIR光譜與成像技術(shù)，擴大其應用范圍，提升其準確性和實用性。通過優(yōu)化校準和增強模型的魯棒性，NIR光譜有望成為生物膜檢測的標準工具，為食品安全和醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域提供重要支持。

研究結(jié)果

高效、無損檢測： NIR光譜技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)無損、快速的生物膜檢測，適用于實時分析。

精準識別： 結(jié)合多元分析方法，能夠有效區(qū)分不同病原菌的生物膜，提升檢測精度。

應用前景： NIR光譜技術(shù)在食品、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應用潛力，尤其在現(xiàn)場監(jiān)測和預警體系中。

隨著細菌生物膜檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，科學的檢測手段將為公共衛(wèi)生安全提供堅實保障，推動生物膜管理和控制策略的完善。