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、醫療和食品領域，因其強大的耐藥性，給衛生和安全帶來了嚴峻挑戰，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構，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境中的污染增加了感染風險，因此，開發高效、精準的檢測方法對于公共衛生至關重要。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。
研究方法
NIR光譜與多元分析技術相結合
本研究結合NIR光譜技術與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。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。
研究通過對光譜數據的分析，展示了NIR光譜與多元分類技術在細菌生物膜快速識別中的巨大潛力。通過優化數據預處理和分類模型，本研究實現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，表現出了顯著的精度。
研究成果
精準鑒定病原菌生物膜
研究結果表明，NIR光譜結合多元分類技術能夠有效區分多種病原菌生物膜，且無損、快速，適合用于現場監測。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尤為突出。該技術展現了在食品和臨床環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合NIR光譜與成像技術，擴大其應用范圍，提升其準確性和實用性。通過優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，為食品安全和醫療衛生領域提供重要支持。
研究結果
高效、無損檢測： NIR光譜技術能夠實現無損、快速的生物膜檢測，適用于實時分析。
精準識別： 結合多元分析方法，能夠有效區分不同病原菌的生物膜，提升檢測精度。
應用前景： NIR光譜技術在食品、醫療等領域有著廣泛的應用潛力，尤其在現場監測和預警體系中。
隨著細菌生物膜檢測技術的不斷發展，科學的檢測手段將為公共衛生安全提供堅實保障，推動生物膜管理和控制策略的完善。
