Việc sử dụng phổ hồng ngoại Fourier (FT-IR) trong phát hiện vi sinh vật cho phép phân loại nhanh chóng chủ yếu bằng cách phân tích các đặc điểm hấp thụ hồng ngoại của các thành phần bên trong tế bào vi sinh vật. Ý tưởng áp dụng quang phổ hồng ngoại cho vi sinh vật học tận dụng thực tế là tất cả các phân tử sinh học trong tế bào có thể bị kích thích rung động bằng cách hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Do sự hiện diện của các liên kết đơn trong các phân tử này và cấu trúc của mỗi phân tử khác nhau, mỗi phân tử có được một phổ hấp thụ dấu vân tay đặc trưng. Mặc dù vi khuẩn là một hệ thống rất phức tạp bao gồm nhiều loại phân tử khác nhau, nhưng chúng khác nhau đáng kể về cấu trúc, chức năng và thành phần. Cũng giống như các phân tử đơn lẻ tạo ra các mẫu quang phổ cụ thể, các loại vi khuẩn khác nhau cũng tạo ra các dấu vân tay quang phổ cụ thể.
Vì quang phổ hồng ngoại của vi sinh vật là quang phổ của các thành phần tế bào, được trình bày là đỉnh rộng, đường viền, thông tin hóa học được chôn trong đường viền, mặc dù đỉnh hấp thụ chính có thể được gán, nhưng đối với sự phân biệt của vi sinh vật, không thể thực hiện xác thực cấu trúc đầy đủ, vì vậy cần phải sử dụng phương pháp đo lường hóa học để đạt được sự phân biệt và phân biệt.

FTIR cũng có thể được xác định ở cấp độ loài hoặc thậm chí chủng bằng cách so sánh phổ chưa biết với phổ của thư viện tham chiếu. Không giống như các phương pháp xác định vi sinh vật khác, phương pháp FT-IR chỉ cần một bước nuôi cấy, đo lường và đánh giá cũng không có vật tư tiêu hao hoặc thuốc thử, đo lường và phân biệt mẫu chỉ mất 1 phút.
Chuẩn bị mẫu, đo lường và đánh giá
◆ 1- Lấy mẫu vi sinh vật: Vì nhiều vi sinh vật có thể phát triển lặp đi lặp lại trên tấm thạch, bước đầu tiên là tìm điều kiện nuôi trồng phù hợp. Việc chuẩn bị mẫu thuận tiện có thể đạt được bằng cách sử dụng kỹ thuật đơn giản và phổ biến là nuôi cấy tế bào trên tấm agar. Ví dụ, vi khuẩn đầu tiên được nuôi cấy trong 16-24 giờ trong các góc phần tư của mật độ tế bào khác nhau trên tấm thạch trầm, cho kết quả rất đáng tin cậy. Các thuộc địa chỉ được thu thập từ góc phần tư thứ ba. Nghiên cứu cho thấy chìa khóa thành công của phương pháp này nằm ở tiêu chuẩn hóa các điều kiện thu thập và sự nhất quán của sự phát triển của vi khuẩn trên tấm thạch thạch. Một số cải tiến cũng có thể được thực hiện (chẳng hạn như chuyển sang môi trường chất lỏng, hoặc thay đổi thời gian/nhiệt độ nuôi cấy). Tuy nhiên, điều quan trọng là đảm bảo rằng tất cả các phép đo được thực hiện trong cùng một điều kiện để có được kết quả đáng tin cậy.
◆ 2- Công nghệ đo vi khuẩn: Công nghệ để xác định vi sinh vật cần phải đơn giản và có khả năng lặp lại cao. Khi dung dịch vi sinh vật khô dần, các tế bào vi sinh vật tạo ra màng sinh học rắn. Bằng cách tối ưu hóa quy trình này, một quy trình chuẩn bị mẫu dễ vận hành đã được thực hiện và đáp ứng khả năng lặp lại cần thiết cho các phép đo hồng ngoại. Ánh sáng hồng ngoại xuyên qua màng sinh học và được hấp thụ một phần bởi các phân tử khác nhau có mặt trong tế bào, tạo ra dấu vân tay hóa học đặc trưng cho từng chủng được thử nghiệm.
◆ 3- Quy trình đánh giá dữ liệu: trình bày mối quan hệ họ hàng chủng thông qua phân tích cụm, biểu đồ phân tán và phân tích so sánh với biểu đồ chủng tiêu chuẩn. Các vùng khác nhau trong quang phổ hồng ngoại chứa thông tin về các nhóm chức năng khác nhau, cho phép phân biệt các phân tử sinh học khác nhau bằng cách chọn các vùng đại diện cho lipid, protein và carbohydrate.
Xây dựng Spectrum Library
Đối với việc xác định vi sinh vật FT-IR, mối quan tâm hàng đầu của chúng tôi là độ chính xác của kết quả, chìa khóa phụ thuộc vào chất lượng của thư viện phổ tham chiếu. Thư viện phổ của vi sinh vật không giống với thư viện phổ thông thường, để đảm bảo độ tin cậy của kết quả, cần phải xây dựng thư viện phổ hệ thống hóa trong điều kiện tiêu chuẩn hóa.
Đầu tiên, cần đảm bảo nuôi cấy lặp lại vi sinh vật. Môi trường nuôi cấy, điều kiện nuôi cấy (như thời gian, nhiệt độ) và tiền xử lý mẫu đều có ảnh hưởng đến phổ hồng ngoại, vì vậy những điều kiện này đòi hỏi phải thực hiện các quy trình hoạt động tiêu chuẩn.
Thứ hai, tính không đồng nhất và biến thể trong quá trình tiền xử lý mẫu (chẳng hạn như kích thước mẫu, mức độ khô của màng nấm, v.v.) và các yếu tố đo lường (chẳng hạn như tán xạ ánh sáng do mẫu dưới dạng hạt, v.v.) đều ảnh hưởng đến quang phổ hồng ngoại. Do đó, cần phải thực hiện nhiều phép đo trên cùng một mẫu để đảm bảo khả năng tái tạo của quang phổ hồng ngoại.
Thứ ba, độ tin cậy của các mẫu chưa biết được xác định bằng tia hồng ngoại được xây dựng dựa trên độ tin cậy của ngân hàng quang phổ tham chiếu. Vì vậy, các chủng tham khảo phải được xác định bằng các phương pháp đáng tin cậy. Nếu không, thông tin không chính xác trong thư viện phổ dẫn đến sai lệch trong kết quả nhận dạng cuối cùng. Kết hợp nhiều vùng quang phổ đáng chú ý để xây dựng cơ sở dữ liệu về các chủng vi khuẩn đã biết. Để phân loại và xác định vi khuẩn chưa biết, thông tin quang phổ được so sánh với cơ sở dữ liệu tham chiếu của vi khuẩn đã biết, cho thấy các vi sinh vật có mẫu quang phổ phù hợp với các chủng chưa biết. Sự giống nhau của các phổ vi sinh vật khác nhau cũng có thể được mô tả bằng đồ họa dưới dạng biểu đồ cây.
So sánh chung về phổ chủng chưa biết so với cơ sở dữ liệu
Trong biểu đồ cây, phổ của các chủng chưa biết cho thấy sự tương đồng cao với phổ Pseudomonas. Để xác định, quang phổ của vi khuẩn chưa biết có thể được so sánh với các thư viện hiện có và hiển thị sự tương đồng với giá trị hit. Cả hai chủng Pseudomonas đều có giá trị đánh giá thấp, xác nhận chủng không rõ này là Pseudomonas. Pseudomonas fluorescens có giá trị trúng thấp hơn ngưỡng của nhóm này. Điều này cho thấy chủng chưa biết thuộc về chi Pseudomonas fluorescens. Để xác định thêm ở cấp độ chủng, các chủng Pseudomonas chưa biết nên được so sánh với cơ sở dữ liệu tham chiếu (subbank) chỉ chứa phổ của các loài Pseudomonas.
◆ Phát hiện vi khuẩn gây ô nhiễm dược phẩm: có thể nhanh chóng xác định vi khuẩn Escherichia coli, Staphylococcus aureus và sáu loại vi khuẩn kiểm soát khác, thời gian phát hiện rút ngắn xuống còn 3 giờ.
◆ Nghiên cứu vi sinh vật miệng: Phân loại 50 chủng răng miệng với vùng đỉnh hấp thụ đặc trưng 3000-2800cm⁻, 1500-1400cm⁻, 1200-900cm⁻, kết quả phân cụm phù hợp cao với các chủng tiêu chuẩn.
Kết luận:
FTIR cung cấp một công cụ nhanh chóng, thông lượng cao, không phá hủy (không làm hỏng hoặc thay đổi mẫu), thân thiện với môi trường, hiệu quả về chi phí và tiết kiệm thời gian cho việc phân loại chủng vi sinh vật, dịch tễ học và chẩn đoán lâm sàng.