微生物高特異性、高靈敏性的快速鑒定在臨床檢驗、食品安全、海關(guān)邊檢等眾多領(lǐng)域有廣泛的需求。隨著國家生物安全重要性的日益凸顯，對微生物精準(zhǔn)快檢的需求更加迫切。當(dāng)前的微生物檢測鑒定方法大多依賴于純培養(yǎng)，耗時通常較長，很難在分鐘級別實現(xiàn)準(zhǔn)確的鑒定。
 

　　拉曼光譜是光子與化學(xué)分子之間產(chǎn)生非彈性散射而形成的非連續(xù)譜帶。每種化學(xué)分子都具有自身特異的拉曼光譜，根據(jù)拉曼光譜的特征可以準(zhǔn)確鑒定化學(xué)分子，因此拉曼光譜被稱為化學(xué)分子的“指紋圖譜”。由于拉曼光譜具備非接觸、無損、非標(biāo)記、快速、準(zhǔn)確、水環(huán)境干擾小等優(yōu)勢，利用其對復(fù)雜生物樣品進行鑒定和表征也成為研究的熱點和前沿。

 

　　中國科學(xué)院微生物研究所付鈺研究組長期致力于利用拉曼光譜在單細(xì)胞水平快速鑒定微生物的研究。近日，課題組在Analytical Chemistry在線發(fā)表題為Combination of an Artificial Intelligence Approach and Laser Tweezers Raman Spectroscopy for Microbial Identification的研究論文，利用拉曼光鑷結(jié)合人工智能技術(shù)實現(xiàn)了微生物單細(xì)胞水平的快速準(zhǔn)確鑒定。

 

　　付鈺課題組自主搭建了激光拉曼采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用785 nm單色連續(xù)激光光源捕獲微生物單細(xì)胞，在操縱單細(xì)胞的同時激發(fā)細(xì)胞產(chǎn)生拉曼散射。通過激光輻照釀酒酵母，大腸桿菌和嗜鹽古菌等菌株后原位培養(yǎng)觀測，統(tǒng)計結(jié)果顯示微生物單細(xì)胞在光鑷操縱和采集拉曼光譜后的存活率為95.22%至97.66%，證明拉曼光鑷對單細(xì)胞的無損性，表明了拉曼鑒定可以和后續(xù)的單細(xì)胞純培養(yǎng)、測序等各種操作實現(xiàn)無縫對接。

       由于細(xì)胞的拉曼組（一個細(xì)胞所有的拉曼信號總和）包括成百上千個拉曼位移峰，蘊含了細(xì)胞內(nèi)核酸、蛋白質(zhì)、脂類、多糖和各種代謝產(chǎn)物等所有成分的海量信息，針對這一特點，研究組設(shè)計了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機器學(xué)習(xí)算法，建立拉曼組數(shù)據(jù)庫，開展模型驗證和樣品預(yù)測，驗證了人工智能模型對微生物單細(xì)胞檢測的特異性和靈敏性，結(jié)果顯示單細(xì)胞水平鑒定微生物的平均正確率達到95.64%，整個鑒定過程在5分鐘內(nèi)完成。鑒于人工智能分析的“黑箱性”，通過逐一遮蔽光譜的理念建立了新型的微生物拉曼光譜特征峰提取算法，實現(xiàn)對人工智能如何分析微生物拉曼光譜的可視化呈現(xiàn)，打破了人工智能鑒定過程的黑箱，為進一步表征微生物的生化特性奠定了基礎(chǔ)。

 

　　付鈺課題組助理研究員盧維來和碩士研究生陳秀強為該文共同第一作者，付鈺為通訊作者，該研究獲得國家自然科學(xué)基金委、科技部重點研發(fā)計劃、中科院戰(zhàn)略高技術(shù)創(chuàng)新基金項目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)研究計劃等資助。
 

 

拉曼光鑷結(jié)合人工智能快速鑒定微生物單細(xì)胞和特征光譜提取的流程及示意圖