在乳制品、釀酒、食品工業(yè)中，發(fā)酵菌群的種類與動(dòng)態(tài)直接影響產(chǎn)品風(fēng)味與質(zhì)量。然而傳統(tǒng)微生物檢測(cè)手段周期長(zhǎng)、效率低、響應(yīng)慢，難以滿足高效發(fā)酵工藝對(duì)“實(shí)時(shí)監(jiān)控、快速鑒定”的新需求。

研發(fā)的Scatcher Ultra 單細(xì)胞拉曼光鑷分選儀，在多個(gè)微生物研究場(chǎng)景中展現(xiàn)出優(yōu)秀的識(shí)別能力，在本研究中也應(yīng)用于發(fā)酵菌快速識(shí)別中。Scatcher Ultra融合光鑷與拉曼光譜技術(shù)，構(gòu)建了從單細(xì)胞精準(zhǔn)操控、光譜采集到AI算法識(shí)別的全流程平臺(tái)，為復(fù)雜樣品中的發(fā)酵菌快速識(shí)別與定性提供了一種新型解決方案。

圖1 單細(xì)胞拉曼光鑷系統(tǒng)示意圖

圖a為單細(xì)胞拉曼光鑷系統(tǒng)專用芯片的設(shè)計(jì)示意圖；圖b為該芯片檢測(cè)區(qū)域的顯微成像

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· 無(wú)需染色標(biāo)簽、無(wú)需熒光或抗體標(biāo)記，保持細(xì)胞原始狀態(tài)

· 可擴(kuò)展性強(qiáng)支持混菌樣品分析，驗(yàn)證真實(shí)發(fā)酵環(huán)境中檢測(cè)可靠性

本應(yīng)用以酸奶發(fā)酵過(guò)程為模型，分離獲得保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌等6種常見乳酸菌，搭建起了單細(xì)胞拉曼光鑷檢測(cè)與分類流程：

? 實(shí)驗(yàn)步驟概覽：

? 結(jié)果亮點(diǎn)：

· 光鑷顯著增強(qiáng)SERS信號(hào)穩(wěn)定性，標(biāo)準(zhǔn)差降低、信噪比上升

圖2 保加利亞乳桿菌信噪比統(tǒng)計(jì)

圖a為三組實(shí)驗(yàn)（僅光鑷，僅SERS，光鑷+SERS）的信噪比標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)；圖b為三組實(shí)驗(yàn)的信噪比數(shù)據(jù)分布圖

· 多種乳酸菌之間特征峰位差異清晰，如610、772、1176 cm^-1等

圖3各類乳酸菌SERS拉曼信號(hào)分析

圖a為6種乳酸菌拉曼光譜t-SNE聚類結(jié)果；圖b為類植物乳桿菌的拉曼光

譜增強(qiáng)效果，b1為未經(jīng)過(guò)SERS增強(qiáng)的拉曼光譜；圖c為6種乳酸菌的SERS光譜的均值方差圖

· 混菌樣本中也能成功識(shí)別出目標(biāo)菌（預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率95%以上）

圖4 基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)6種乳酸菌構(gòu)建分類識(shí)別模型

圖5 混合樣品SERS光譜與預(yù)測(cè)乳酸菌光譜比對(duì)

圖a為實(shí)驗(yàn)菌種1與嗜熱鏈球菌光譜比對(duì)；圖b為實(shí)驗(yàn)菌種2與保加利亞乳

桿菌光譜比對(duì)

相比傳統(tǒng)方法，Scatcher Ultra 在多個(gè)維度上表現(xiàn)亮眼：

借助Scatcher Ultra 單細(xì)胞拉曼光鑷分選儀，我們不僅實(shí)現(xiàn)了乳酸菌的快速、穩(wěn)定識(shí)別，也為微生物發(fā)酵行業(yè)提供了更先進(jìn)的檢測(cè)工具。未來(lái)，該平臺(tái)也有望在功能菌株篩選、環(huán)境樣本分析及難培養(yǎng)微生物研究等方向持續(xù)拓展應(yīng)用邊界，推動(dòng)微生物研究進(jìn)入單細(xì)胞精細(xì)化時(shí)代。

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Shang, L., Liang, P., Xu, L., Xue, Y., Liu, K., Wang, Y., ... & Li, B. (2023). Stable SERS detection of lactobacillus fermentum using optical tweezers in a microfluidic environment. Analytical chemistry, 96(1), 248-255.

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