[发明专利]基于多波长透射光谱的水体细菌微生物准确识别方法

说明书

本发明公开了基于多波长透射光谱的水体细菌微生物准确识别方法，基于微结构成分差异提取了细菌微生物多波长透射光谱特征参数并构建了指纹特征光谱，解决了识别分析中关键光谱量化特征缺少的问题，构造了细菌微生物微结构成分光谱的综合相似性指数，并与多变量分析相结合，实现了复杂背景共存组份干扰下目标细菌微生物的准确识别。为水体细菌微生物特别是饮用水源典型危害致病菌的快速识别预警提供了手段，并为细菌微生物的结构组成、生理与机理科学研究提供了方法。

技术领域

本发明涉及环境水体污染识别监测及微生物分析技术领域，尤其涉及水体细菌微生物准确识别方法。

背景技术

近年来,基于光学/光谱技术的细菌微生物检测方法不断涌现，可归结为两类：(1)基于分子吸收产生的吸收/发射光谱，包括拉曼光谱(显微拉曼光谱、表面增强拉曼光谱)、红外光谱(傅里叶变换红外光谱、太赫兹光谱)以及荧光光谱(激光诱导荧光、三维荧光光谱)等；(2)基于分子散射产生的散射光谱，主要是多角度光散射技术。

对于细菌微生物的准确识别，存在主要问题如下：

(1)特征信息数据单一，细菌微生物特征信息包含物质结构(外部、内部)和化学组成(核酸、蛋白质等)两个部分，上述方法所获取的特征信息数据仅包含了部分特征。如：光散射法仅提供了细菌微生物的结构信息(主要是外部结构：粒径、形状)，拉曼光谱、红外光谱、荧光光谱则集中在细菌微生物的化学组成成分。

(2)特征数据信息量少，细菌微生物对光的吸收与散射是入射光波长的函数，在紫外波段有较强的吸收，可见光波段则散射较强。目前多角度光散射、拉曼光谱、荧光光谱主要采用的还是单一入射光波长，由于多数细菌微生物粒径尺寸较小(0.5-5μm)、化学成分相近且含量较少，单一入射光波长下仅可获得一个或几个信号特征非常微弱的表征信息。

(3)准确识别分析困难，由于代表不同细菌微生物的特征信息不够充分，且自然水体环境复杂、多种微生物组份共存，目前仅是根据个别特征谱带进行比对统计分析，结合化学计量学、神经网络(聚类分析、主成分分析)等方法研究了细菌微生物的快速分类鉴别，误差较大且难以量化。

不同波长下的吸收(发射则是基于吸收)与散射特征相结合(即：多波长透射光谱)，不仅可提供细菌微生物的外部结构、内部结构、化学组分等信息，而且包含了对不同波长光的响应函数特征，为细菌微生物的准确识别与定量分析提供了更加丰富的特征信息数据，但目前国内外对细菌微生物的多波长透射光谱特性尚不清楚。因此，全面认识并充分利用细菌微生物的结构组成特征是实现细菌微生物准确识别的重要前提，也是细菌微生物快速检测技术的发展趋势。

发明内容

本发明目的是针对水体细菌微生物准确识别检测需求，发明了细菌微生物微结构成分特征构建与光谱综合相似性指数分析的多波长透射光谱准确识别方法，一方面用于饮用水源典型危害致病菌的快速识别预警，为及时的响应处理提供最佳时机；另一方面为细胞生物学、生物医学、食品微生物学等微生物的结构组成、生理与机理科学研究提供方法。

本发明是通过以下技术方案实现：

基于多波长透射光谱的水体细菌微生物准确识别方法，通过划分细菌微生物微结构成分，确定微结构成分光谱特征解析方法，获取细菌微生物多波长透射光谱，提取微结构成分特征参数并重建特征光谱，构建不同细菌微生物指纹光谱库，构造微结构成分光谱综合相似性指数，结合指纹光谱库与微结构成分光谱综合相似性指数进行实测光谱多变量分析，实现细菌微生物准确识别。

所述的基于多波长透射光谱的水体细菌微生物准确识别方法，包括以下步骤：

(1)微结构成分划分：将细菌微结构分为外部结构和内部结构；

(2)微结构成分光谱特征解析方法：细菌微生物对光的吸收与散射是入射光波长的函数，在光谱解析时，光的散射特征重点解析外部结构和内部结构大小、形状、折射率参数，吸收特性解析化学组分组成，并反演核酸、氨基酸、蛋白质的组分含量；