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傅里葉紅外光譜用于微生物的測量

更新時(shí)間:2025-08-20      點(diǎn)擊次數(shù):197

傅里葉紅外光譜(FT-IR)在微生物檢測中的應(yīng)用主要通過分析微生物細(xì)胞內(nèi)組分的紅外吸收特征實(shí)現(xiàn)快速分型。將紅外光譜應(yīng)用于微生物學(xué)的想法利用了這樣一個(gè)事實(shí),即細(xì)胞中的所有生物分子都可以通過吸收紅外輻射而被激發(fā)振動。由于這些分子中存在單鍵,且各分子的結(jié)構(gòu)不同,每種分子都會獲得特征性的指紋吸收譜圖。盡管細(xì)菌是由許多不同種類的分子組成的非常復(fù)雜的系統(tǒng),但它們在結(jié)構(gòu)、功能和組成上存在顯著差異。正如單分子會產(chǎn)生特定的光譜模式,不同類型的細(xì)菌也會產(chǎn)生特定的光譜指紋。

 

由于微生物紅外光譜圖是細(xì)胞組分的光譜圖,呈現(xiàn)的是寬峰、輪廓線,化學(xué)信息埋藏于輪廓線中,雖然主要吸收峰可以進(jìn)行歸屬,但對于微生物的鑒別來說,不可能進(jìn)行完全的結(jié)構(gòu)確證,因此需要借助化學(xué)計(jì)量學(xué)的方法實(shí)現(xiàn)區(qū)分和鑒別。

 

推文圖片1.png

 

FTIR還可以通過將未知光譜與參考庫的光譜進(jìn)行比較,在物種甚至菌株水平上進(jìn)行鑒定。不同于其他微生物鑒定方法,F(xiàn)T-IR法只需一步培養(yǎng),測量和評價(jià)也無消耗品或試劑,對樣品的測量和鑒別只需1分鐘。

 

樣品制備、測量與評價(jià)


◆ 1-微生物取樣:由于許多微生物在瓊脂平板上可重復(fù)生長,因此第一步是找到正確的培養(yǎng)條件。采用在瓊脂平板上培養(yǎng)細(xì)胞這一簡單而常見的技術(shù),可實(shí)現(xiàn)便捷的樣品制備。例如,細(xì)菌先在瓊脂平板上不同細(xì)胞密度的象限中培養(yǎng)16-24小時(shí),可獲得非常可靠的結(jié)果。僅從第三象限采集菌落。研究發(fā)現(xiàn),該方法成功的關(guān)鍵在于收集條件的標(biāo)準(zhǔn)化以及瓊脂平板上細(xì)菌生長的一致性。也可以進(jìn)行一些改進(jìn),(如改用液體培養(yǎng)基、或改變培養(yǎng)時(shí)間/溫度)。但須確保所有測量均在相同條件下進(jìn)行,以獲得可靠結(jié)果。

 

◆ 2-細(xì)菌測量技術(shù):用于微生物鑒定的技術(shù)需要簡單且具有很高的可重復(fù)性。當(dāng)微生物溶液緩慢干燥時(shí),微生物細(xì)胞會產(chǎn)生固體生物膜。通過優(yōu)化這一過程,得到了一種易于操作的樣品制備程序,并且滿足紅外測量所需的可重復(fù)性。紅外光穿透生物膜,被細(xì)胞中存在的不同分子部分吸收,產(chǎn)生每種被測菌株特有的化學(xué)指紋。

 

◆ 3-數(shù)據(jù)評估流程:通過聚類分析、散點(diǎn)圖等方式呈現(xiàn)菌株親緣關(guān)系,并與標(biāo)準(zhǔn)菌株圖譜對比分析。紅外光譜中的不同區(qū)域包含不同官能團(tuán)的信息,從而可以通過選擇代表脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和碳水化合物的區(qū)域來區(qū)分不同的生物分子。

 

 譜庫的建立


對于FT-IR微生物鑒定,我們最關(guān)心的問題是結(jié)果的準(zhǔn)確度,其關(guān)鍵取決于參考譜庫的質(zhì)量。微生物的譜庫不同于一般的譜庫,為了保證結(jié)果的可靠性,需要在標(biāo)準(zhǔn)化的條件下建立系統(tǒng)化的譜庫。

 

首先,需要確保微生物的可重復(fù)培養(yǎng)。培養(yǎng)基,培養(yǎng)條件(如時(shí)間,溫度)和樣品預(yù)處理對紅外光譜都有影響,因此這些條件需要制作標(biāo)準(zhǔn)化操作規(guī)程。

 

其次,樣品預(yù)處理過程中的非同源性和變異性(如樣品量、菌膜的干燥程度等)以及測量因素(如樣品呈顆粒引起的光散射等)都會影響紅外光譜圖。 因此需要對同一樣品進(jìn)行多次測量,以確保紅外光譜圖的重現(xiàn)性。

 

第三,進(jìn)行紅外鑒定的未知樣品的可信度是建立在參考光譜的譜庫可信度的基礎(chǔ)之上。因此參考菌株必須使用可靠的方法鑒定。否則,譜庫中的不正確信息會導(dǎo)致最終鑒定結(jié)果的偏差。將多個(gè)顯著的光譜區(qū)域組合起來,可構(gòu)建已知細(xì)菌菌株的數(shù)據(jù)庫。為了對未知細(xì)菌進(jìn)行分類和鑒定,將光譜信息與已知細(xì)菌的參考數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較,顯示光譜模式與未知菌株匹配的微生物。不同微生物光譜的相似度也可以用樹狀圖的形式進(jìn)行圖形化描述。

 

 未知菌株譜與數(shù)據(jù)庫的一般比較

 

在樹狀圖中,未知菌株的光譜與假單胞菌光譜顯示出高度相似性。為了鑒定,可以將未知細(xì)菌的光譜與現(xiàn)有庫進(jìn)行比對,并以命中值顯示相似度。兩種假單胞菌的命中值均較低,證實(shí)了該未知菌株為假單胞菌。熒光假單胞菌的命中值低于該組的閾值。這表明未知菌株屬于熒光假單胞菌屬。為了在菌株水平上進(jìn)行進(jìn)一步鑒定,應(yīng)將未知的假單胞菌菌株與僅包含假單胞菌菌種光譜的參考數(shù)據(jù)庫(子庫)進(jìn)行比對。

 

 應(yīng)用案例

 

◆‌ 藥品污染菌檢測:可快速鑒別大腸埃希菌 、 金黃色葡萄球菌等六類控制菌,檢測時(shí)間縮短至3小時(shí)內(nèi)。 ‌

 

◆ 口腔微生物研究:對50株口腔菌株進(jìn)行分類,特征吸收峰區(qū)域?yàn)?000-2800cm?¹、1500-1400cm?¹、1200-900cm?¹,聚類結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)菌株高度一致。 ‌

 

小結(jié):

FTIR為微生物菌株分型提供了一種快速、高通量、非破壞性(不會損壞或改變樣品)、環(huán)保、成本效益高且省時(shí)的工具,使其非常適合食品微生物學(xué)、流行病學(xué)和臨床診斷中的各種應(yīng)用。

 

 

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