新型光纤阵列基大光斑共聚焦拉曼系统：快速原位检测致病菌落的突破性进展

主要内容

一、研究背景

致病菌感染是当前社会的重大公共卫生问题。快速、准确地识别致病菌对于避免抗生素滥用和实现精准治疗至关重要。传统微生物检测方法（如培养法和生化鉴定）虽然可靠，但耗时且复杂。分子生物学技术（如PCR）虽能提供快速检测，但样本处理复杂且设备成本高。因此，开发一种能够快速、原位检测致病菌的技术具有重要的现实意义。近年来，拉曼光谱技术因其非侵入性、无需复杂预处理和快速获得结果等优点，在微生物鉴定领域得到了广泛应用。

二、研究方法

本研究中，研究团队提出了基于光纤阵列的大光斑共聚焦拉曼系统（LSCR-FA）。该系统通过在共聚焦拉曼显微镜系统中引入不同焦距的透镜，调整激光焦点处的光斑大小，从而实现大光斑照明。通过Zemax OpticStudio光学设计软件进行模拟，确定合适的透镜焦距以获得理想的光斑尺寸。此外，研究团队选用了圆形到线性光纤阵列（RLFA），以实现显微镜大光斑与光谱仪入口之间的共聚焦对齐。这种设计不仅提高了拉曼散射信号的收集效率，还保持了高分辨率。与传统的单芯光纤拉曼系统相比，信号收集效率提高了7倍。实验中，研究团队选择了七种常见的临床致病菌，包括四种肠杆菌科细菌和三种非肠杆菌科细菌。通过在Luria-Bertani（LB）固体培养基上培养这些菌株，获得了用于拉曼光谱检测的菌落样本。

图 1.基于圆线光纤阵列的大光斑共焦拉曼系统。

三、实验结果

1. 光斑尺寸模拟与测试
通过光学模拟和“刀刃法”测量，研究团队成功将光斑尺寸调整至约65微米，接近模拟结果的71.5微米。这一光斑尺寸的调整确保了拉曼信号能够被完全收集，从而提高了检测效率。

2. 光谱分辨率与焦深测试
LSCR-FA系统的光谱分辨率为10 cm⁻¹，虽然略低于传统共聚焦拉曼系统（CCR）的4-5 cm⁻¹，但已满足检测有机化合物（包括生物样本）所需的最小光谱分辨率。此外，LSCR-FA系统的焦深达到105微米，远大于CCR系统的7微米，这使得系统能够从更深的层次收集拉曼信号，有效解决了菌落空间异质性问题。

3. 光谱稳定性测试
与CCR系统相比，LSCR-FA系统在垂直和水平方向上对菌落样本的拉曼光谱检测均表现出更高的稳定性。例如，在垂直检测中，LSCR-FA系统能够在距菌落表面210微米的深度处仍检测到关键光谱峰，而CCR系统在70微米深度处的光谱峰几乎消失。这一优势使得LSCR-FA系统在自动化聚焦和自动化拉曼光谱采集方面具有潜在应用价值。

图 2.CCR 系统和 LSCR-FA 系统的原理图比较。

图 3.（a）测量菌落的显微照片。拉曼检测示意图：垂直（b）和水平（c）。

（d）CCR 系统和 LSCR-FA 系统获得的 LB 培养基背景和粪肠球菌的拉曼光谱。CCR 系统 （e1，e2 ）和 LSCR-FA 系统 （f1，f2）沿垂直方向采集的菌落的拉曼光谱和相应的热图 ;沿水平方向由 CCR 系统 （g1， g2） 和 LSCR-FA 系统 （h1，h2 ）

4. 光谱数据分析
研究团队利用LSCR-FA系统收集了794个来自七种细菌菌落的拉曼光谱，并采用t-分布随机邻域嵌入（t-SNE）算法进行降维处理。随后，通过支持向量机（SVM）、k-最近邻（KNN）、线性判别分析（LDA）和极限梯度提升（XGBoost）模型对光谱数据进行分类。其中，SVM模型在5折交叉验证中实现了98.74%的高准确率，显著优于CCR系统（95.89%）。这一结果表明，LSCR-FA系统结合机器学习算法能够有效提高致病菌的分类精度。

四、结论与展望

本研究开发的基于光纤阵列的大光斑共聚焦拉曼系统（LSCR-FA）结合机器学习算法，为致病菌的快速、原位检测提供了一种新的高效策略。与传统共聚焦拉曼系统相比，LSCR-FA系统在菌落空间异质性问题上表现出显著优势，并显著提高了致病菌分类的准确率。尽管该技术在临床诊断应用中仍面临背景干扰和标准化光谱数据库缺失等挑战，但其在精准医疗和临床诊断领域的应用前景广阔。未来的研究应着重解决背景干扰问题，建立全面的致病菌光谱数据库，并开发适合临床需求的高效算法，以推动拉曼光谱技术在临床诊断中的广泛应用。

参考文献

[1]Hao Peng;Yu Wang;Lindong Shang;Xusheng Tang;Xiaodong Bao;Peng Liang;Yuntong Wang;Bei LiCA1.Fiber array-based large spot confocal Raman system for rapid in situ detection of pathogenic bacterial colonies[J].Talanta,2025,Vol.285: 127407