新型荧光光谱结合单类建模技术实现水中细菌快速检测 地下水检测准确率达 98%

研究背景

水质安全与人类健康息息相关，细菌污染是水环境的主要风险之一，其中大肠杆菌和总大肠菌群是水体粪便污染和微生物安全的核心指示菌。据统计，2022 年全球约 27% 的人口缺乏安全的饮用水服务，17 亿人依赖受粪便污染的水源，2019 年不安全的水、卫生和个人卫生条件造成约 140 万人死亡，其中 82.9 万人死于 unsafe 水源引发的腹泻病，霍乱每年也会导致 130 万至 400 万病例和 2.1 万至 14.3 万人死亡。同时，水体微生物污染还会带来医疗支出、供水系统停运、相关产业减产等巨大经济损失。

巴西法规明确要求饮用水中不得检出大肠杆菌，总大肠菌群月度检测合格率需不低于 95%，但传统的细菌检测方法依赖培养法，存在操作繁琐、成本高、检测耗时（24-48 小时甚至更久）的问题，且易受基质干扰产生假阳性或假阴性结果，无法满足实时、快速的水质监测需求。

激发 - 发射矩阵（EEM）荧光光谱技术因具有无损、高分辨率、可捕捉微生物相关荧光团特征的优势，成为水质检测的潜在替代手段，而化学计量学工具的结合则能进一步提升水样分类的准确性，在此背景下，科研团队开展了此次单类建模结合不同光谱处理方式检测水中致病菌的对比研究。

研究内容

该研究采集了巴西圣埃斯皮里图州和米纳斯吉拉斯州的 160 份饮用水样本和 188 份地下水样本，严格遵循标准化采样和保存流程，同时采用美国公共卫生协会的存在 - 缺失（P-A）法结合最可能数（MPN）法完成水样中总大肠菌群、耐热大肠菌群和大肠杆菌的传统微生物检测与定量。

研究使用 Aqualog® 荧光分光光度计获取水样的 EEM 荧光光谱，完成内滤效应校正、散射去除等预处理后，采用五种光谱表征方法提取荧光数据：荧光区域积分（FRI）、光谱指数（FSI）、平行因子分析（PARAFAC）、峰拾取法（PPM）和展开多维法（Unfold-Multiway）。

同时构建两种单类分类模型：SIMCA 和 OC-PLS，将受污染水样设为目标类，未污染水样为非目标类，采用 Kennard-Stone 算法划分训练集和测试集，通过特异性、灵敏度、准确率、马修斯相关系数（MCC）等多个指标评估模型性能，对比不同算法和光谱处理方式在地下水和饮用水样本中检测大肠杆菌、总大肠菌群的效果。

研究结果

研究结果显示，模型检测性能与水体基质、算法类型和光谱表征方法密切相关，呈现出显著的基质差异性和算法差异性：

1.地下水检测效果优异：SIMCA 算法在地下水样本中表现出极强的鲁棒性，显著优于 OC-PLS，对总大肠菌群和大肠杆菌的检测准确率最高达 98%，MCC 值在 0.90-0.96 之间。OC-PLS 仅在结合 FRI 时表现较好，准确率约 94%、MCC 值 0.83，采用其他光谱处理方式时准确率均低于 60%。光谱表征方面，FRI、PARAFAC 和 PPM 是地下水检测中最有效的三种方式。

2.饮用水检测难度较大：受饮用水中微生物浓度低、荧光信号弱的影响，两种算法性能均大幅下降。SIMCA 仅达到中等检测水平，准确率在 60%-74% 之间，MCC 值≤0.49；OC-PLS 表现极差，准确率低于 47%，MCC 值接近 0，且无任何一种光谱表征方式能实现饮用水中细菌的稳健检测。

3.光谱表征方法各有优劣：FRI 兼顾维度约简和化学可解释性，PARAFAC 能挖掘光谱潜在结构，PPM 可提取特征峰信息，三者在信号较强的地下水样本中优势显著；FSI 因过度简化光谱导致信息丢失，展开多维法易引入冗余和噪声，整体检测效果较差。

此外，研究还发现受污染水样中存在明显的色氨酸类荧光（TLF）信号，该荧光团与微生物代谢密切相关，其激发波长 225nm 和 275nm、发射波长 310-370nm 的特征可作为水体细菌污染的重要光谱标识。

图1. 代表性样品的处理后激发-发射矩阵荧光光谱：(a) 含总大肠菌群的地下水(GW)；(b) 含大肠杆菌的地下水(GW)；(c) 含总大肠菌群的饮用水(DW)；(d) 含大肠杆菌的饮用水(DW)。

图2. 使用荧光区域积分表示法的地下水总大肠菌群SIMCA单类模型。

图 3. 使用展开的 EEM 矩阵表示法构建的 GW 中大肠杆菌的 SIMCA 单类模型。

图4. 基于荧光区域积分表示的自来水总大肠菌群OC-PLS一类模型。

技术优势

相较于传统的微生物培养检测法，EEM 荧光光谱结合单类建模的检测技术展现出多重核心优势：

1.快速高效：无需耗时的细菌培养过程，通过光谱采集和数据建模分析可快速完成检测，突破了传统方法 24-48 小时检测周期的限制，满足水质实时监测和早期预警需求；

2.无损环保：检测过程仅需对水样进行光谱采集，无需添加化学试剂或进行破坏性处理，可实现水样的二次利用，降低检测过程对环境的影响；

3.高灵敏度：能捕捉到水体中微量的微生物相关荧光团信号，可检测到低浓度的细菌污染，契合饮用水中致病菌低检出限的检测要求；

4.操作简便：光谱采集流程标准化，结合化学计量学算法可实现数据的自动化分析，降低了对操作人员专业技能的要求，便于推广应用。

同时，SIMCA 算法的高鲁棒性也让该技术在实际应用中更具稳定性，减少了因水体基质复杂带来的检测误差。 

结论与展望

该研究系统对比了单类建模算法和不同 EEM 荧光光谱处理方式在水中大肠杆菌和总大肠菌群检测中的应用效果，明确了 SIMCA 算法相较于 OC-PLS 的显著优势，以及 FRI、PARAFAC、PPM 三种光谱表征方法在地下水检测中的适用性，证实了 EEM 荧光光谱结合化学计量学单类建模技术在水体微生物污染检测中的可行性。

研究指出，水体基质的差异是影响检测效果的关键因素，地下水因微生物和有机物信号较强，成为该技术的适用场景，而饮用水中微弱的微生物荧光信号则是目前检测的主要难点。

未来，该技术的发展需围绕饮用水检测的痛点进行优化，可通过改进光谱预处理方法、优化模型参数、结合多种光谱表征方式等途径提升低信号水体中的检测性能。同时，将荧光光谱技术与传统微生物检测方法相结合，构建多手段融合的水质监测体系，能进一步提升检测结果的可靠性。

该技术为水质微生物快速监测提供了新的技术路径，其快速、无损、低成本的特点使其在地下水监测、供水系统早期预警、水环境应急检测等场景中具有广阔的应用前景，若能完成饮用水检测的技术优化，将大幅提升水质安全监测的效率和覆盖面，为保障公共饮水安全和水环境治理提供重要技术支撑。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.microc.2026.116872