基于近红外光谱结合化学计量学分析材料制造方法对金黄色葡萄球菌生物膜检测效能的影响研究

《Heliyon》：Impact of material and manufacturing method on the efficacy of NIR spectroscopy to detect Staphylococcus aureus biofilms

本研究针对临床和食品工业中生物膜难以检测且耐药性强的问题，开展了利用近红外（NIR）光谱技术结合偏最小二乘判别分析（PLSDA）和稀疏偏最小二乘判别分析（sPLSDA）检测不同材料表面金黄色葡萄球菌（S. aureus）生物膜的研究。结果表明，NIR光谱能成功识别多数材料表面的生物膜，且熔融沉积成型（FDM）制造的高孔隙率材料（如尼龙）检测准确度更高（sPLSDA模型准确度达82.35%）。该技术为生物膜的快速、无损检测提供了新策略，对医疗和食品安全生产具有重要意义。

　　

在医院的ICU病房或食品加工厂的流水线上，有一种看不见的威胁正悄然滋生——生物膜（Biofilm）。这些由微生物分泌的胞外聚合物（EPS）构成的“微生物城市”不仅难以清除，更可怕的是，它们对抗菌药物表现出惊人的耐药性，成为感染爆发和食品污染的潜在源头。其中，金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）作为重要的致病菌，其形成的生物膜更是医疗植入物相关感染和食物中毒的常见元凶。传统检测方法往往耗时耗力，且难以实现早期预警。那么，能否有一种技术，像“火眼金睛”一样，快速、无损地识破这些潜伏的威胁呢？

近日发表在《Heliyon》的一项研究给出了肯定答案。由西班牙奥维耶多大学Cristina Allende-Prieto领衔的研究团队，创新性地将近红外（Near-Infrared, NIR）光谱技术与化学计量学分析相结合，系统评估了该技术检测不同材料表面金黄色葡萄球菌生物膜的能力，并首次揭示了材料制造方法对检测准确性的深远影响。这项研究为开发新一代生物膜快速检测技术提供了重要理论依据和实践指南。

研究人员采用NIR光谱仪（ASD LabSpec 4）在780-2100 nm波段采集光谱数据，并运用偏最小二乘判别分析（Partial Least Squares Discriminant Analysis, PLSDA）和稀疏偏最小二乘判别分析（sparse PLSDA, sPLSDA）进行模式识别。研究涵盖激光切割（不锈钢、PVC、ABS）和熔融沉积建模（Fused Deposition Modeling, FDM）（尼龙、Onyx、ABS）两类制造方法生产的材料。通过活菌计数验证生物膜形成后，对光谱数据进行标准正态变量（SNV）和Savitzky-Golay导数预处理，最终通过训练集（70%）和测试集（30%）验证模型性能。

3.1 光谱数据

生物膜活菌计数显示，Onyx表面生物膜密度最高（6.77 logCFU/cm²），而不锈钢（6.19 logCFU/cm²）、PVC（5.91 logCFU/cm²）和尼龙（5.55 logCFU/cm²）次之，ABS最低（激光切割2.86，FDM制造3.25 logCFU/cm²）。预处理后的光谱表明，激光切割材料反射率普遍高于FDM制造材料，这与后者更高的表面孔隙度导致的光散射增强有关。

3.2 统计分析

sPLSDA通过变量选择优化了模型性能，相比PLSDA使用全部1320个波长，sPLSDA仅选取少量关键变量（如FDM-尼龙仅用100个变量）即达到相近分类精度。具体而言，FDM制造材料的分类准确度普遍高于激光切割材料：FDM-ABS准确度达70.59%，显著高于激光切割ABS的57.14%；FDM-尼龙的sPLSDA模型召回率（Recall）达100%，且准确度为82.35%。不锈钢样本的召回率也为100%，表明模型对污染表面高度敏感。然而，ABS材料的Kappa系数较低，说明模型性能仍受材料本身特性影响。

4. 讨论

研究首次明确表面孔隙度是影响NIR检测性能的关键因素。FDM制造材料的多孔结构为生物膜附着提供更多位点，同时增强了NIR信号与生物膜成分的相互作用，从而提高了检测灵敏度。sPLSDA通过变量筛选有效消除噪声，提升了模型可解释性和稳健性。尽管不同材料间准确度存在差异（如Onyx的F1分数仅0.6667），但NIR技术对高孔隙度材料的优异检测能力已得到验证。当前模型的局限性主要体现在ABS等低生物膜负载材料上，需进一步优化特征选择策略。

5. 结论

该研究证实NIR光谱结合化学计量学是检测多种材料表面金黄色葡萄球菌生物膜的有效手段，尤其适用于FDM制造的高孔隙度材料。sPLSDA在保持精度的同时显著简化模型，为开发便携式检测设备奠定基础。未来研究可拓展至更复杂生物膜体系及环境因素影响分析，推动该技术向临床和工业现场检测应用迈进。