河南农业大学食品科学技术学院, 河南 郑州 450000
为了探究食源性致病菌芽孢的拉曼特征指纹图谱, 实现快速识别, 该研究以产气荚膜梭菌(C. perfringens)、 艰难梭菌(C. difficile)和蜡样芽孢杆菌(B. cereus)的芽孢为研究对象, 以柠檬酸钠还原法制备的AgNPs溶胶为基底材料, 用SERS技术对芽孢进行拉曼光谱检测, 解析食源性致病菌芽孢的分子结构、 不同芽孢之间的异同之处。 将3种食源性致病菌芽孢的SERS光谱与主成分分析(PCA)和系统聚类分析(HCA)相结合并进行对比分析, 实现不同种属食源性致病菌芽孢的定性识别。 结果表明, 不同食源性致病菌芽孢的SERS光谱的特异性和重现性良好。 芽孢光谱中Ca2+-DPA的拉曼振动峰数量和峰强度占主要地位, 其拉曼振动峰位置在657~663, 818~820, 1 017, 1 389~1 393, 1 441~1 449和1 572~1 576 cm-1波段。 C. difficile spores SERS光谱中Ca2+-DPA的六个特征峰峰强度均高于C. perfringens spores和B. cereus spores, C. perfringens spores次之。 Ca2+-DPA在1 017 cm-1(Ca2+-DPA)处拉曼峰强度在3种芽孢的SERS光谱中均最高且差异明显, 是Ca2+-DPA的主要特征峰, 也是3种芽孢的主要特征峰。 此外, C. perfringens spores在936 cm-1(磷脂N—C拉伸)、 1 294 cm-1(脂质中的CH2变形振动)、 1 609 cm-1(蛋白质中的酪氨酸)和1 649 cm-1(蛋白质中的酰胺I)显示特有拉曼振动峰; C. difficile spores在890 cm-1(=C—O—C=拉伸)显示特有拉曼振动峰。 PCA分析结果显示PC1和PC2方差贡献率分别为51.1%和39.7%, 累积贡献率达90.8%, 可以将所有样本有效区分。 HCA分析可以看出3种芽孢的SERS光谱被分为三个聚类, 3种芽孢各自聚类无交叉干扰。 结合多元统计分析不仅有效实现了3种芽孢之间的区分, 也实现了梭菌属芽孢和杆菌属芽孢的区分, 为食品安全控制提供有效手段。
食源性致病菌芽孢 表面增强拉曼光谱 光谱解析 快速识别 Food-borne pathogenic bacteria spores SERS AgNPs Spectral analysis Rapid identification AgNPs 光谱学与光谱分析
2022, 42(9): 2774
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 安徽农业大学生命科学学院，安徽 合肥 230036
提出一种联合表面增强拉曼散射(SERS)与卷积神经网络(CNN)的方法，并将其用于食源性致病菌的快速鉴定。以带正电荷的银纳米颗粒(AgNPs＋)为SERS 基底，采集了金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、副溶血性弧菌以及单增李斯特菌的SERS指纹谱，并在这些数据上训练了一个包含11个一维卷积层的残差网络ResNet11用于这4种病原菌SERS指纹谱的分类识别。实验结果表明：AgNPs＋是一种优秀的SERS增强基底，可在624 cm－1、730 cm－1等波段增强4种病原菌的主要拉曼峰；构建的ResNet11分类器对107 mL－1菌液分子浓度下采集的SERS指纹谱取得了99.30%的分类识别准确率，并且对103 mL－1菌液分子浓度下采集的SERS指纹谱取得98.00%的识别准确率。
生物光学 食源性致病菌 表面增强拉曼散射 带正电荷的银纳米颗粒 卷积神经网络 中国激光
2022, 49(15): 1507405
食源性致病菌是引发和威胁公众健康的主要因素之一。 由于食源性致病菌种类繁多, 常规检测方法复杂耗时要求高, 因此迫切需要一种更加快速精确的致病菌检测技术。 在传统红外光谱检测致病菌的流程中, 如经典的溴化钾压片法, 除了压片本身的操作之外通常还需对样品进行冷冻干燥(约需2 d)等耗时前处理过程, 因而不利于高通量快速检测。 本研究利用硒化锌薄膜法, 在硒化锌窗片上直接滴加菌液、 低温(48 ℃)烘干后进行原位检测, 无需漫长的冻干处理, 整个检测过程在50 min之内。 同时, 检测所需样品量少(10 μL)无需研磨等物理破坏性的制样过程, 避免了常规溴化钾压片法中研磨颗粒粗细、 制片厚薄误差及易碎片、 吸潮等的不利影响。 四种常见食源性致病菌(大肠杆菌DH5α; 沙门氏菌CMCC 50041; 霍乱弧菌SH04; 金黄色葡萄球菌SH10)的硒化锌薄膜法与溴化钾压片法红外谱图对比分析表明: 在相同的峰值检测阈值下(透过率大于0.05%), 本研究所采用的方法获得的二阶导数图谱在900~1 500 cm-1范围内可被识别的特征峰个数比溴化钾压片法明显增多(硒化锌薄膜法共计81个, 溴化钾压片法共计58个), 特征峰在多个位置强度显著增加(1 119, 1 085和915 cm-1等), 且可将溴化钾压片法中较宽的单峰或不明显的双峰显示为较明显的双峰(大肠杆菌DH5α: 1 441, 1 391和1 219 cm-1等; 沙门氏菌CMCC 50041: 1 490, 1 219和1 025 cm-1; 霍乱弧菌SH04: 1 441和1 219 cm-1; 金黄色葡萄球菌SH10: 1 491, 1 397和1 219 cm-1), 说明硒化锌薄膜法可以提高图谱分辨率及信噪比。 基于硒化锌薄膜法的原位红外光谱法对常见食源性致病菌整体快速高通量检测将具有巨大的应用前景。
食源性致病菌 红外光谱 样品前处理 原位检测 硒化锌薄膜法 Foodborne pathogens Infrared spectroscopy Sample pretreatment In-situ detection ZnSe film transmission method
1 上海应用技术大学计算机科学与信息工程学院, 上海 201418
2 军事兽医研究所, 吉林 长春 130062
药品食品的安全问题一直是人们关注的重点。相比于传统的食源性致病菌光谱检测方法,拉曼光谱法具有检测范围广、检测灵活、光谱特征突出等特点。本文以常见的食源性致病菌为研究对象,利用拉曼光谱仪采集了11种食源性致病菌样品的132个拉曼光谱数据,提出了一种基于主成分分析和随机森林算法的分类模型。实验结果表明,主成分分析结合随机森林算法的分类模型可以将食源性致病菌区分开,且分类准确度可达到91.36%。
光谱学拉曼光谱 机器学习 食源性致病菌检测 主成分分析 随机森林
1 上海理工大学生物医学光学与视光学研究所, 医用光学技术与仪器教育部重点实验室, 上海 200093
2 复旦大学上海医学院附属中山医院肾病科, 上海市肾病与透析研究所, 上海市肾脏疾病与血液净化重点实验室,上海市重中之重肾脏疾病临床医学中心, 上海 200030
3 上海理工大学医疗器械与食品工程学院食品微生物研究所, 上海 200093
4 教育部光学仪器与系统工程研究中心, 上海理工大学现代光学系统重点实验室, 上海 200093
食源性致病菌的快速检测是解决食品安全问题最有效的途径之一。为了实现对食源性致病菌的快速、高效、无标记检测和分类,提升了原有的光纤共聚焦后向散射光谱系统的性能,将其光场直径减小到适合较小生物样品的水平,即达到单菌水平检测。在无标记条件下,测定了三种常见的形态相近的食源性致病菌(肠炎沙门氏菌、大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌)的后向散射光谱。选取500~800 nm范围的特征波段,将主成分分析和模糊聚类分析相结合,建立多元分析模型。主成分分析结果表明,所得的前5个主成分已经包含80.41%的特征区光谱信息。将前5个主成分分量作为模糊聚类分析的变量。由所求得的隶属度矩阵可知,三种细菌聚类结果的准确率均为100%。该结果说明光纤共聚焦后向散射光谱方法结合主成分分析和聚类分析法能够快速、高效、无标记地对单个细菌进行分析和分类。
生物光学 后向散射显微光谱 食源性致病菌 主成分分析 模糊聚类分析 分类
1 上海应用技术大学计算机科学与信息工程学院, 上海 201418
2 吉林大学软件学院, 吉林 长春 130122
3 军事医学科学院军事兽医研究所吉林省人畜共患病预防与控制重点实验室, 吉林 长春 130122
食源性致病菌的快速识别是一项重要的工作,与传统检测方法相比,拉曼光谱能在无损检测的同时加快鉴别速度。为了提高大肠杆菌O157∶H7以及布鲁氏菌S2株拉曼光谱识别的准确性和效率,提出一种基于主成分分析与Stacking算法的集成判别模型,使用网格搜索以及K折交叉验证来提高模型的稳健性。与逻辑回归、K近邻、支持向量机等单一模型进行对比,实验结果证明PCA-Stacking集成模型有最高的准确率,达99.73%,达到了预期效果。
光谱学 拉曼光谱 机器学习 Stacking模型 食源性致病菌 激光与光电子学进展
2019, 56(4): 043003
1 上海理工大学医疗器械与食品学院生物医学光学与视光学研究所, 上海 200093
2 上海理工大学医疗器械与食品学院系统生物医学研究中心, 上海 200093
如何快速准确地对食源性致病菌进行检测, 是控制食品安全问题的关键。传统的生化培养方法操作繁琐、费时费力, 无法满足食源性致病菌快速检测的需求。随着光谱技术的发展, 已经建立了不少快速、简便、特异、敏感、低耗的食源性致病菌检测新技术。阐述了食源性致病菌光谱分析的最新研究和发展趋势, 展望了弹性散射光谱技术在单细胞水平实时、快速、无标记自动识别单个菌体细胞的应用, 此平台的搭建将推动食源性致病菌无损检测技术的发展。
光谱学 食源性致病菌 光散射 检测 spectroscopy foodborne pathogenic bacteria light scattering detection
华南师范大学生物光子学研究院, 激光生命科学研究所教育部重点实验室, 广东 广州 510631
近年来, 食源性致病菌在全球范围内大面积传播, 给人类的生存健康与发展带来了巨大的威胁。因此为了保证食品的安全, 快速的、高特异性且高灵敏地检测食品致病菌方法已经成为科学研究的热点话题。在本研究中, 我们构建了一种基于滚环扩增技术的纸基显色传感器用于可视化检测致病菌的检测平台。通过滚环扩增对单增李斯特菌的hlyA mRNA进行高效特异性扩增, 扩增后的单链产物经过Hhal酶进行特异位点酶切后, 形成与锁式探针长度相同的片段。将酶切后的单链产物不经过预变性杂交, 可直接进行试纸条检测。在优化的实验条件下, 可以检测到100 pg/μL总RNA。整个过程实验包括连接, 扩增, 酶切, 检测等反应均可在恒温条件下进行, 且可在几个小时内完成。这种方法适用于快速的现场检测, 此外, 这项研究强调了纸基显色诊断平台的潜在价值和应用前景。
纸基显色传感器 滚环扩增 恒温扩增 食源性致病菌 paper-based nucleic acid diagnostics padlock probe isothermal amplification pathogenic bacteria
