基于多波长透射光谱的水体细菌微生物快速鉴别方法研究

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细菌微生物污染是我国饮用水安全面临的突出环境问题。现有的检测方法主要依靠间歇、随机的样品采集和复杂、耗时的实验室分析,无法实现水中致病性细菌微生物的快速、在线检测以及全面、连续的水质监测预警,导致错失水污染处理的最佳时机。根据细菌微生物的结构组成特点,不同波长下的吸收与散射特征相结合,不仅可提供细菌微生物的结构及组分信息,而且包含了对不同波长光的响应函数特征,为细菌微生物的快速识别检测提供了更加丰富的特征信息数据。因此,开展水体细菌微生物的多波长透射光谱快速识别检测对保障我国人民饮用水安全具有十分重要的现实意义。  本文从水体细菌微生物多波长透射光谱快速获取入手,重点研究水体细菌微生物的多波长透射光谱特征参数提取与快速识别方法,取得的主要研究成果如下:  (1)光谱快速获取:以氘灯和溴钨灯为光源,多通道微型光栅光谱仪为分光探测器件,建立了水体细菌微生物多波长透射光谱快速测量实验系统;能够同时获得宽光谱范围和高光谱分辨率的全谱,自动实现多条光谱的累加与平均,提高了光谱信号探测的信噪比及灵敏度;在实验室与紫外可见分光光度计测量结果进行了对比分析,验证了实验系统的有效性。  (2)光谱分析与特征参数提取:以大肠杆菌(CICC10389,DH5α)、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、鼠伤寒沙门氏菌等5种水体常见细菌微生物为研究对象,基于细菌微生物结构组分特征,研究了水体细菌微生物多波长透射光谱分析方法,并建立了光谱解析模型,获得了不同细菌微生物外部结构、内部结构的平均粒径大小以及不同结构占前向消光的比例等特征参数信息;研究了基于多波长散射光谱的细菌微生物浓度反演方法,多次测量结果最大误差为1.83%,并与平板计数法进行了对比验证,结果在同一量级且相对误差为3.44%。同时,利用该方法分析了大肠杆菌和肺炎克雷伯菌在不同培养时间下的浓度与平均粒径大小变化特征,与文献报道结果相一致。  (3)快速识别方法:以选取的5种水体常见细菌微生物为研究对象,在对不同种细菌微生物光谱特征分析的基础上,研究了多波长透射光谱与支持向量机多向量分析方法相结合的水体细菌微生物快速识别方法,并建立了快速分类鉴别模型。基于网格搜索法对模型进行内部3折交叉验证,获取了最佳模型参数,并对模型进行了分类准确性及稳定性的检验,结果表明大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、鼠伤寒沙门氏菌以及肺炎克雷伯菌的识别正确率为100%,且该模型对细菌属间鉴别具有较好的稳定性。  本文研究结果表明,多波长透射光谱不仅可以快速检测细菌微生物浓度及大小,而且可以实现细菌微生物的快速分类鉴别,且具有简便、快捷、无需试剂等特点,为饮用水源细菌微生物的在线监测及预警提供了一种新的方法。
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