ASD地物光譜儀在鑒定細(xì)菌生物膜方面的應(yīng)用

細(xì)菌生物膜廣泛存在于工業(yè)、醫(yī)療和食品領(lǐng)域，因其強(qiáng)大的耐藥性，給衛(wèi)生和安全帶來了嚴(yán)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(fēng)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(xì)菌生物膜是由細(xì)菌在其表面形成的一層粘附性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，這使得它們比自由細(xì)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(fēng)險，因此，開發(fā)高效、精準(zhǔn)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(qiáng)的穿透力和成分識別能力，成為檢測細(xì)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(yù)處理、Savitzky-Golay濾波器和隨機(jī)森林分類算法，旨在提高細(xì)菌生物膜檢測的精度。研究選用了七種細(xì)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(jìn)行培養(yǎng)。使用LabSpec 4 Standard-Res便攜式光譜分析儀（Analytical Spectral Devices, ASD, ）進(jìn)行樣品光譜采集，分析細(xì)菌生物膜的光譜特征。

圖 1. 對每種細(xì)菌生物膜進(jìn)行 NIR 測量后獲得的光譜特征。左下方標(biāo)明了細(xì)菌種類和對照。

圖 2. 隨機(jī)森林性能：mtry 對準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的影響。

圖 3. 細(xì)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(xì)菌生物膜快速識別中的巨大潛力。通過優(yōu)化數(shù)據(jù)預(yù)處理和分類模型，本研究實(shí)現(xiàn)了不同病原菌生物膜的準(zhǔn)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(zhǔn)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(xì)胞增生李斯特菌外，其他所有細(xì)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(yīng)用前景。

未來展望

推動生物膜檢測標(biāo)準(zhǔn)化

未來的研究將進(jìn)一步結(jié)合NIR光譜與成像技術(shù)，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，提升其準(zhǔn)確性和實(shí)用性。通過優(yōu)化校準(zhǔn)和增強(qiáng)模型的魯棒性，NIR光譜有望成為生物膜檢測的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)時分析。

精準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)用潛力，尤其在現(xiàn)場監(jiān)測和預(yù)警體系中。

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