水体细菌微生物多波长透射光谱解析方法研究

摘要

饮用水安全是我国面临的突出环境问题，直接关系到人民群众的生命和健康。水体细菌微生物污染远远高于化学污染的比例，传统生化分析方法为间歇、随机的样品采集和复杂、耗时的实验室分析，不能实现对水中危害细菌微生物的快速、在线、实时检测，更不能达到全面、连续的水质监测预警，为及时的响应处理提供最佳时机。
　　多波长透射光谱技术具有测量速度快、信息丰富、无需试剂辅助等特点，且细菌微生物多波长透射光谱包含有浓度、大小、形状、组分、结构等特征信息，为水体细菌微生物的快速识别和检测提供了可能。因此，开展水体细菌微生物多波长透射光谱特征参数解析方法研究，不仅可为细菌微生物的结构组成、生理与机理基础科学研究提供手段，而且可为饮用水源典型危害致病菌的快速识别预警提供方法。本文以水体常见大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、鼠伤寒沙门氏菌和金黄色葡萄球菌为研究对象，从细菌多波长透射光谱特征分析入手，构建了水体细菌微生物多波长透射光谱解析模型，并深入研究了水体细菌微生物特征参数获取方法，在此基础上研究了不同生长阶段细菌特征参数的变化规律，取得的创新研究成果如下:
　　(1)不同细菌微生物多波长透射光谱特性分析与光谱预处理:实验测量了不同浓度大肠杆菌、肺炎克雷伯氏菌、金黄色葡萄球菌和鼠伤寒沙门氏菌的多波长透射光谱，研究了峰值位置、浓度与光密度值之间的相关性以及不同浓度多波长透射光谱间的相似性。结果表明:不同浓度细菌微生物多波长透射光谱峰值位置基本一致;各细菌浓度与光密度值相关性较好，线性相关系数均大于0.99;同一细菌不同浓度多波长透射光谱相似度均在0.99以上;研究了基于颗粒浓度、最大值、积分、总和及平均归一化的不同浓度大肠杆菌多波长透射光谱预处理方法，结果表明:在200-900nm波长范围内，相对标准偏差依次为:颗粒浓度归一化＞最大值归一化＞积分归一化＞总和归一化=平均归一化，其中总和与平均归一化相对标准偏差均值为0.041％，研究结果为水体细菌微生物多波长透射光谱解析提供了基础。
　　(2)构建了水体细菌微生物多波长透射光谱解析模型:基于Mie散射理论，结合细菌生理学结构，利用非线性最小二乘算法，计算出细菌外部结构、内部结构的折射率，以微生物主要化学组分（核酸，蛋白质等）的紫外吸收特性为基础，基于Kramers-Kronig(K-K)关系计算得到细菌主要化学组分的复折射率，在此基础上构建了水体细菌微生物的多波长透射光谱解析模型，并对大肠杆菌、肺炎克雷伯氏菌和金黄色葡萄球菌的多波长透射光谱进行预测，结果表明:预测光谱与实际测量光谱最大相对误差分别为4.05％、7.72％和3.22％，平均相对误差为0.06％、0.22％和0.27％。，预测光谱与实际测量光谱之间具有较好的一致性，所构建模型能够准确表征水体细菌微生物多波长透射光谱特征。
　　(3)研究了水体细菌微生物特征参数获取方法:以大肠杆菌多波长透射光谱为研究对象，为了准确获取细菌特征参数，采用总和归一化对光谱数据进行预处理;然后基于Mie散射模型，利用非线性最小二乘优化算法，对可见波段透射光谱进行了解析，获取细菌的结构参数，然后利用细菌结构参数计算出单种细菌的多波长透射参考光谱，根据测量光谱与单种细菌参考光谱的相关性反演细菌浓度信息，最后基于朗伯比尔定理，选择最佳敏感波段250-300nm的透射光谱中的吸收部分进行解析，计算出的单个细菌平均核酸含量和蛋白质含量。通过对大肠杆菌多波长透射光谱解析，获取的大肠杆菌体积参数为1.6899μm3，与显微镜测量结果相比，相对误差仅为7.90％;获取的大肠杆菌浓度为44649000cells/ml，与平板计数法相比相对误差为1.02％;大肠杆菌单个细菌平均核酸含量为7.1335×10-14g/cell和蛋白质含量为1.1764×10-13g/cell，其结果与文献报道数据相一致。
　　(4)研究了水体细菌微生物不同生长阶段特征参数的变化特征。采用上述细菌特征参数解析方法对不同生长阶段大肠杆菌的多波长透射光谱进行特征参数解析，并研究了不同生长阶段大肠杆菌细胞的结构、化学成分、浓度等信息变化特征;结果表明:大肠杆菌悬浮液中菌体大小随着培养时间的延长呈现先增大后趋于波动变化趋势，与显微镜观察结果一致;细菌浓度变化与平板计数法结果基本一致;单个核酸含量(1.1120×10-13-3.0920×10-13g/cell)与Valkenburg等通过激光共聚焦显微镜获得的数据相符合。表明多波长透射光谱技术可以用于细菌生长过程中动态跟踪检测，并可获得细胞形态学和化学组分等信息。
　　论文研究结果表明，多波长透射光谱特征参数解析不仅可为细菌微生物相关科学研究提供新的测量手段，而且可为水体细菌微生物的快速识别、检测及预警提供方法。

目录

声明

摘要

1．1 水体细菌微生物危害

1．2 现有检测技术与研究现状

1．2．1 生物学检测技术

1．2．2 光谱学检测技术

1．3 多波长透射光谱技术

1．3．1 基本原理

1．3．2 影响因素

1．3．3 研究进展

1．4 论文主要研究内容

1．5 本章小结

第2章 水体细菌微生物多波长透射光谱预处理与特征分析

2．1 水体细菌微生物多波长透射光谱获取

2．1．1 细菌培养与实验方法

2．1．2 多波长透射光谱测定

2．2 水体细菌微生物多波长透射光谱数据预处理

2．2．1 光谱归一化

2．2．2 导数光谱

2．3 水体细菌微生物多波长透射光谱特征分析

2．3．1 不同浓度细菌光谱特征

2．3．2 不同细菌检测限计算

2．3．3 细菌微生物谱图对比

2．4 本章小结

第3章 水体细菌微生物多波长透射光谱解析模型建立

3．1 细菌微生物结构特征

3．2 多波长透射光谱解析模型构建

3．2．1 光散射理论

3．2．2 光学参数

3．2．3 模型建立

3．3 多波长透射光谱模型参数确定

3．3．1 外结构和内结构折射率

3．3．2 化学组分折射率

3．4 多波长透射光谱测量与模型验证

3．5 本章小结

第4章 水体细菌微生物特征参数获取方法研究

4．1 细菌微生物结构参数提取

4．1．1 参数解析方法

4．1．2 光谱特征分析

4．1．3 结果与讨论

4．2 细菌微生物浓度反演

4．2．1 浓度解析方法

4．2．2 结果与分析

4．3 细菌微生物化学组分分析

4．3．1 特征波段选取

4．3．2 组分解析

4．3．3 稳定性验证

4．4 本章小结

第5章 水体细菌微生物不同生长阶段参数变化特征研究

5．1 生长阶段概述

5．2 生长曲线测量

5．3 不同生长阶段参数变化特征分析

5．3．1 光谱特征

5．3．2 细菌粒径

5．3．3 细菌浓度

5．3．4 核酸含量

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果