LIBS快速元素分析技术在微生物检测中的应用

LIBS技术，是当前能够测量所有种类的样品、无须预处理、并且单次测量即可得到全部元素特别包括轻元素在内的“指纹”的光谱分析技术(Miziolek and others 2006)。LIBS可以实现微空间分辨率、低元素检测极限的实时快速测量，因此对于含特定特征元素的、形体非常微小的微生物识别和分类具有独到的优势。此外，菌落的颜色、质地、细胞的成分都会作用于激光脉冲激发时呈现的等离子体发射光谱，作为分类鉴定的依据（Lightigo团队，2018）。Sivakumar等人曾通过Mg、P、K、Na、Ca等关键元素的特征谱线峰值差异，判断大肠杆菌是否已经死亡；Multari等人曾通过LIBS技术在鸡肉、牛肉馅、蛋壳、莴苣、腊肠等食物上检测到致病性大肠杆菌；等等。

LIBS的微生物识别和分类技术，在土壤理化性质、土壤营养、植物表型、作物营养、食品质量检测、毒理学的实验研究中的应用迅速发展。

本研究中，Lightigo团队应用LIBS技术，通过样品的原子发射谱线分析，对大肠杆菌、CCM4223金黄色葡萄球菌、CCM 4750金黄色葡萄球菌（MRSA -甲氧西林耐药）、CCM3953金黄色葡萄球菌- (MSSA-甲氧西林敏感)、葡萄球菌、假中间葡萄球菌，共6种细菌实现了快速自动检测和分类。

全部细菌样本的LIBS谱线数据中，Mg、Na、Ca都为其主元素谱线，呈现相近的谱线特征；其原因在于细菌细胞外膜中都含有Mg²⁺和Ca²⁺离子，从而具有相近的元素构成，例如下图的“CCM 4750金黄色葡萄球菌（MRSA -甲氧西林耐药）”样品的LIBS谱线：

但是，各个样本的完整谱线“指纹”仍可以作为细菌样品的分类依据。仪器软件内置的PCA算法是实现样品分类可视化的常用的分析工具，下图为LIBS谱线PC1 vs. PC2处理结果：

可见，LIBS能够对细菌样品做出比较成功的分类。在此基础上，Lightigo团队结合Raman光谱数据，进一步提升了6类细菌样品分类的精确度（100%）：

LIBS元素分析技术在细菌鉴定、检测和分类的应用中，是一种快速、便捷并且具有前景的分析方法。

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