《Optics & Laser Technology》：Statistical Mueller matrix fingerprinting for label-free analysis of bacterial biofilm microstructural heterogeneity
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•SMMF 从生物膜穆勒矩阵中提取统计偏振特征。•偏振波动为生物膜微观结构异质性提供光学线索。•距离引导加权提高了特征空间的可分性。•压缩的 21 维描述符在留出测试集上达到了 94.0% 的准确率。引言细菌生物膜是嵌入在细胞外聚合物物质中的空间异质性微生物群落，其微观结构强
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SMMF 从生物膜穆勒矩阵中提取统计偏振特征。
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偏振波动为生物膜微观结构异质性提供光学线索。
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距离引导加权提高了特征空间的可分性。
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压缩的 21 维描述符在留出测试集上达到了 94.0% 的准确率。
引言
细菌生物膜是嵌入在细胞外聚合物物质中的空间异质性微生物群落，其微观结构强烈影响粘附、运输、抗微生物耐受性 [1], [2] 以及光学散射行为 [3], [4]。这种异质性使得生物膜成为对无标记生物光子传感 [5] 具有挑战性但信息丰富的测试平台。对于光学技术的发展，关键挑战不仅在于区分所评估的生物膜组，还在于获得可重复的、对微观结构敏感的描述符，这些描述符保留有关生物膜组织的信息，并在需要时能够实现组间区分。
目前的生物膜表征方法并不能完全满足快速、无标记和微观结构敏感分析的需求 [6], [7], [8]。结晶紫染色主要提供终点生物量定量，且在不破坏样品的情况下无法解析空间结构 [9]。明场显微镜提供的偏振敏感对比度有限，而扫描电子显微镜需要可能改变生物膜形态的制备步骤 [10]。共聚焦激光扫描显微镜通常依赖于荧光标签，这可能会影响生物特性 [11], [12]。原子力显微镜和共聚焦拉曼显微镜可以提供纳米级或化学信息，但它们的点扫描模式限制了宽视野的通量 [13], [14], [15]。光学相干断层扫描能够实现快速形态成像；然而，传统的 OCT 主要依赖强度对比，并且会受到散斑和深度相关衰减的影响 [16]。即使增加了偏振敏感性，基于扫描的采集也会限制在全视野范围内提取全局随机偏振波动。这些局限性促使人们寻找结合无标记检测、微观结构敏感性和宽视野统计表征的光学策略 [17]。
穆勒矩阵成像提供了一种无标记的途径，用于探测复杂生物介质中的各向异性、去极化和结构无序性 [18], [19], [20]。组织偏振测量和生物医学穆勒矩阵成像的基础研究确立了测得的穆勒矩阵、组织散射、去极化、延迟和各向异性之间的关系 [19]。最近的研究主要集中在提高采集效率、校准精度、伪影抑制和生物医学适用性上 [20], [21], [22], [23], [24]。Ma 及其同事开发的 Polaromics 框架表明，源自穆勒矩阵分解 (MMD) 和穆勒矩阵变换 (MMT) 的 PBP 可以定量描述浑浊生物医学样品中的微观结构各向异性 [25]。
传统的穆勒矩阵分析通常使用平均参数值、参数图或预定义图像纹理特征来表征样品。相比之下，SMMF 使用核密度估计来估计十二个穆勒矩阵衍生的 PBP 的像素值分布，并使用三个预定义描述符来表征每个分布：平均偏振响应 (MPR)、偏振信息波动程度 (PIFD) 和偏振信息显著程度 (PISD)。由此产生的 36 维样本级指纹同时描述了偏振信息的中心响应、波动和分布形状。与一般的纹理分析流程不同，每个 SMMF 特征仍然明确由一个预定义的 PBP 和一个预定义的统计描述符索引。这种结构使得可以通过贡献矩阵 A 和 B 在 PBP 水平和描述符水平上分别评估组间差异。在应用层面上，以前的穆勒矩阵研究已经展示了使用矩阵元素水平或相关偏振对比度来区分细菌生物膜 [18]。本研究通过系统地将对多种 PBP 的分布转换为明确索引的样本级统计指纹，扩展了这条生物膜分析路线。因此，方法论的贡献在于物理定义的偏振量的基于分布的表示和贡献分析，而不是新的穆勒矩阵采集技术或统计描述符、特征压缩或 ANN 分类的单独使用。随后的 21 维复合表示用于减少冗余并评估特征空间的可分性，其 PCA、LDA 和后验响应成分被视为多元特征而不是直接的物理可观测量。然而，对于生物膜，这些波动可能编码了由细菌形态、基质组成和微观组织引起的空间分布散射和偏振异质性 [26]。因此，对穆勒矩阵衍生的 PBP 分布的统计描述可以提供一种光学特征，以补充传统的图像级解释。
在本研究中，我们开发了统计穆勒矩阵指纹 (SMMF) 作为基于穆勒矩阵的统计表征框架，并使用无菌培养基对照和固定的铜绿假单胞菌 (Pseudomonas aeruginosa)、大肠杆菌 (Escherichia coli)、金黄色葡萄球菌 (Staphylococcus aureus) 和变异链球菌 (Streptococcus mutans) 生物膜进行了演示。生物膜分析提供了一个应用背景，其中生长和建筑异质性可能不仅改变平均偏振响应，还可能改变像素值分布的波动和形状。工作流程首先通过从十二个 PBP 的估计分布中提取 MPR、PIFD 和 PISD 来构建 36 维 SMMF 表示。然后使用贡献分析来检查所评估组之间的 PBP 水平和描述符水平差异。随后通过结合 PCA、LDA 和类别后验成分生成单独的压缩 21 维表示。基于 ANN 的区分仅用作下游验证步骤，以比较这些特征表示的实际可分性。
章节摘要
菌株和培养条件
使用未接种细菌的无菌培养基作为对照组 (Cg)。使用四种细菌菌株进行生物膜制备：铜绿假单胞菌 (Pa, PAO1)、大肠杆菌 (Eco, ATCC 25922)、金黄色葡萄球菌 (Sa, ATCC 25923) 和变异链球菌 (Sm, BNCC186173)。培养条件总结在表 1 中。
对于预培养，将 Pa 和 Eco 接种在 Luria-Bertani (LB) 琼脂板上，而 Sa 接种在 Mueller-Hinton (MH) 琼脂板上。平板
结果与讨论
使用建立成像和特征提取协议来表征四种细菌菌株和对照组的光学响应。如图 3(a) 所示，原始强度图像仅显示了细微的视觉差异。存在散射变化，但对比度不足以可靠地鉴别物种。固定生物膜的高透明性和缺乏高对比度形态特征限制了强度成像的定量价值
结论
本研究提出统计穆勒矩阵指纹 (SMMF) 作为一种定量框架，用于无标记表征细菌生物膜微观结构异质性。通过量化穆勒矩阵衍生的 PBP 的分布行为，该方法将随机偏振波动转换为可重复的光学特征，反映生物膜依赖的结构组织。
距离和贡献分析表明，SMMF 衍生的特征捕获了系统性的
CRediT 作者贡献声明
李宏毅： 写作 – 初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。 李瑞： 验证，调查，数据整理。 万佳： 调查，数据整理。 侯贝贝： 调查，数据整理。 丁文正： 写作 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。 郭佳良： 写作 – 审阅与编辑，监督，资源，项目
资助
这项工作得到了 国家自然科学基金 (62205060, 62075042, 82373835 和 82574369)、智能微纳光电子技术广东香港 - 澳门联合实验室研究基金 (2020B1212030010)、2025 年佛山大学学术基金 (xsjj202507kjb07)、中国广东基础与应用基础研究基金区域联合基金项目 (2024A1515140138) 以及广东省普通高校重点领域项目的资助
竞争利益声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能看似影响了本文报告的工作。
致谢
作者衷心感谢佛山大学物理与光电子工程学院和智能微纳光电子技术广东 - 香港 - 澳门联合实验室提供的实验设施和技术支持。作者还感谢研究小组成员在本研究期间的建设性讨论和协助。作者承认得到了 国家自然科学基金 的财政支持
李宏毅 | 李瑞 | 万佳 | 侯贝贝 | 丁文正 | 郭佳良 | 王明义
