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楊輝, 馬修兵, 孫彥飛, 王鐵棟, 慶豐, 趙雪松. 小型熒光激光雷達(dá)測(cè)量六種典型生物戰(zhàn)劑模擬物二維熒 光光譜[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2019,39(3): 802-806.
YANG Hui, MA Xiu-bing, SUN Yan-fei, WANG Tie-dong, QING Feng, ZHAO Xue-song. 2D Fluorescence Spectra Measurement of 6 Kinds of Bioagents Simulants by Short-Range Lidar[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2019,39(3): 802-806.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2019)03-0802-05 Permissions
小型熒光激光雷達(dá)測(cè)量六種典型生物戰(zhàn)劑模擬物二維熒光光譜
楊輝 1 , 馬修兵 2, 孫彥飛 1, 王鐵棟 1, 慶豐 1, 趙雪松 3 摘要
關(guān)鍵詞: 生物戰(zhàn)劑; 模擬物; 近場(chǎng)熒光激光雷達(dá); 導(dǎo)數(shù)熒光光譜 中圖分類(lèi)號(hào):TN247 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
2D Fluorescence Spectra Measurement of 6 Kinds of Bioagents Simulants by Short-Range Lidar
YANG Hui1, MA Xiu-bing2, SUN Yan-fei1, WANG Tie-dong1, QING Feng1, ZHAO Xue-song3
Abstract
Keyword : Bioagents; Simulants; Short range fluorescence lidar; Derivative fluorescence spectra
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引 言
生物戰(zhàn)劑在大氣中的散布能對(duì)軍民用設(shè)施和人員造成極大的危害, 目前缺乏切實(shí)有效的探測(cè)和識(shí)別 手段[1] 。 對(duì)生物戰(zhàn)劑的遙測(cè)和先期預(yù)警, 避免和減少人員、 設(shè)施和裝備傷亡, 尤為重要。 在光學(xué)生物
戰(zhàn)劑遙感領(lǐng)域, UV-LIF 在探測(cè)和識(shí)別方面發(fā)展迅速。 原則上, 蛋白質(zhì)、 病毒、 細(xì)菌和其他生物有機(jī) 物, 至少含有一種以上的熒光團(tuán), 可以在特定紫外光的激勵(lì)下發(fā)射出熒光, 且這些生物物質(zhì)發(fā)出的熒光,與其所含生物熒光團(tuán)的特定分子結(jié)構(gòu)、 外部環(huán)境或溶質(zhì)的物化特性等密切相關(guān), 因而在熒光譜特征方面 表現(xiàn)出極大的差異性[2,3]。
成團(tuán)泛菌 Pantoea agglomerans(Pan)原名草生歐氏桿菌是植物體上常見(jiàn)的附生菌, 是土拉桿菌 的模擬物; 金黃色葡萄球菌 Staphylococcus aureus(Sta)是一種重要的條件致病菌, 廣泛分布于自然 界, 可以引起人和動(dòng)物的軟組織感染, 并可導(dǎo)致生命威脅的肺炎、 菌血癥及包括心內(nèi)膜炎、 膿毒性關(guān)節(jié) 炎、 骨髓炎等的嚴(yán)重并發(fā)癥, 還能引發(fā)食物中毒及中毒性休克綜合癥等, 占社區(qū)和醫(yī)院感染源的 60%和 80%; 大腸桿菌 Escherichia coli(EH)廣泛分布于自然界, 包括腐生菌、 寄生菌和人及動(dòng)物的病原菌, 多數(shù)是人和動(dòng)物腸道正常菌群的重要成員, 1949 年— 1969 年的 20 年間, 美國(guó)在狄特里克堡試驗(yàn) 場(chǎng)、 道格威試驗(yàn)場(chǎng)和化學(xué)中心等 34 個(gè)非公共場(chǎng)大約進(jìn)行了 108 次曲霉菌和大腸桿菌模擬生物戰(zhàn)劑 測(cè)試; 球芽孢桿菌 Bacillus globigii(BG)是炭蛆桿菌的非致病性模擬物, 其孢子形態(tài)形狀與炭蛆桿菌極 為相近, 休眠態(tài)孢子可以抵御多數(shù)苛刻惡劣的外部環(huán)境, 在環(huán)境適宜時(shí)則迅速生長(zhǎng)。 2000 年前后的數(shù)十 年, 加拿大國(guó)防部, 就一直持續(xù)地將球芽孢桿菌作為炭疽桿菌進(jìn)行研究。 成團(tuán)泛菌、 大腸桿菌為革蘭氏 陰性桿菌, 球芽孢桿菌和金黃色葡萄球菌為革蘭氏陽(yáng)性球菌。
數(shù)十年來(lái), 大多數(shù)學(xué)者都將工作聚焦在生物戰(zhàn)劑光學(xué)(如熒光, 磷光)遙測(cè)領(lǐng)域, 極少對(duì)生物戰(zhàn)劑模 擬物的選擇, 培養(yǎng)及熒光光譜等方面的研究進(jìn)行報(bào)道[4,5,6,7,8] 。 本工作對(duì)成團(tuán)泛菌、 金黃色葡萄球菌、 球芽孢桿菌和大腸桿菌四種常見(jiàn)的細(xì)菌類(lèi)生物戰(zhàn)劑模擬物[9]的培養(yǎng)和熒光光譜測(cè)定, 以及兩種毒素 類(lèi)生物戰(zhàn)劑模擬物的熒光光譜測(cè)定情況進(jìn)行了報(bào)道, 對(duì)光譜特征進(jìn)行了分析, 并討論了光譜指紋特征的抽 取方法, 為生物戰(zhàn)劑熒光光譜特征數(shù)據(jù)庫(kù)的建立, 打下了基礎(chǔ)。
1 材料及熒光測(cè)量平臺(tái)
1.1 生物戰(zhàn)劑模擬物
選取了四種典型細(xì)菌類(lèi)生物戰(zhàn)劑模擬物和兩種毒素類(lèi)生物戰(zhàn)劑模擬物, 其中, 細(xì)菌類(lèi)模擬物為成團(tuán) 泛菌、 金黃色葡萄球菌金黃亞種Staphylococcus aureus subsp. Aureus(Sta)、 大腸桿菌(大腸埃 希氏菌)和球芽孢桿菌, 毒素類(lèi)模擬物為牛血清 BSA 和卵清蛋白 OVA。 BSA 和OVA 均來(lái)自 Sigma
Aldrich, 成團(tuán)泛菌、 金黃色葡萄球菌金黃亞種、 大腸桿菌(大腸埃希氏菌)和球(芽孢)桿菌均購(gòu)自中國(guó) 微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心, 編號(hào)分別為 CGMCC 1.4006, CGMCC 1.128, CGMCC 1.2812 和 CGMCC 1.1202。
1.2 菌種復(fù)壯與培養(yǎng)
用浸過(guò) 75%酒精的脫脂棉嚴(yán)格消毒冷凍管, 在超凈臺(tái)( 型號(hào) SW-CJ-1D)無(wú)菌環(huán)境中旋 開(kāi)裝有復(fù)溶液的滴瓶蓋, 取約 1 mL 復(fù)溶液, 加入到冷凍管中, 輕輕振蕩, 使凍干菌株溶解呈懸浮狀。 用 無(wú)菌吸管吸取菌懸液, 轉(zhuǎn)移到復(fù)溶液滴瓶中。 做好標(biāo)識(shí), 在 HNY-2102C 立式恒溫振蕩培養(yǎng)箱(天津歐 諾)中適宜溫度下培養(yǎng)。 成團(tuán)泛菌和大腸桿菌的培養(yǎng)基為 LB 培養(yǎng)基, 金黃色葡萄球菌和球芽孢桿菌的培 養(yǎng)基為 TSB 培養(yǎng)基, 配制好后用高壓蒸汽滅菌 17 min。 TSB, LB 培養(yǎng)基的 pH 測(cè)定和調(diào)節(jié)由 pH 計(jì)
(Sartorius, 型號(hào) PB-10)完成。 成團(tuán)泛菌和球芽孢桿菌的培養(yǎng)溫度為 30 ℃, 金黃色葡萄球菌和大腸桿 菌的培養(yǎng)溫度為 37 ℃。
1.3 熒光測(cè)量平臺(tái)
熒光物質(zhì)在紫外激光的激勵(lì)下, 會(huì)輻射出寬譜熒光, 不便于類(lèi)型的識(shí)別。 為提高類(lèi)型辨識(shí)能力, 激 光器輸出的 3 倍頻 355 nm、 4 倍頻 266 nm 波長(zhǎng)激光, 分別用于氨基酸熒光分子、 NADH 和維生素 B 熒光的熒光和偏振測(cè)量, 355 和 266 nm 兩個(gè)波長(zhǎng)的激光能量脈寬均為 5 ns, 脈沖能量約為 5 mJ, 重
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| 圖 1 近場(chǎng)激光雷達(dá)熒光測(cè)量示意圖 Fig.1 Schema of short range LIF lidar setup |
2 四種菌的生長(zhǎng)曲線測(cè)定
2.1 樣品準(zhǔn)備和測(cè)定方法
在振蕩培養(yǎng)箱里, 對(duì)成團(tuán)泛菌、金黃色葡萄球菌、球芽孢桿菌和大腸桿菌等四種典型細(xì)菌類(lèi)生物戰(zhàn)劑模擬物進(jìn)行了 28 h 的平行培養(yǎng)。然后, 在超凈臺(tái)中按無(wú)菌操作進(jìn)行菌液準(zhǔn)備, 即取已經(jīng)劃過(guò)線的固體培養(yǎng)基, 用無(wú)菌牙簽沾取少量的菌體置于含有約50 mL 的液體TSB 或LB 培養(yǎng)液中, 放置于
2.2 吸光度測(cè)量結(jié)果及討論
從細(xì)菌復(fù)活后的芽孢態(tài)開(kāi)始, 分別對(duì)各菌不同生長(zhǎng)時(shí)期的吸光度值進(jìn)行了三次重復(fù)測(cè)定, 得到了各菌的生長(zhǎng)線。由圖2 可知:
(1)在設(shè)定的培養(yǎng)條件下, 四種菌的生長(zhǎng)階段較為明顯, 主要有萌發(fā)期、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期、平穩(wěn)期和衰亡期。 其中, 球芽孢桿菌和成團(tuán)泛菌兩種菌的萌發(fā)期較短, 可能是菌種培養(yǎng)環(huán)境與現(xiàn)有培養(yǎng)環(huán)境相近, 在培養(yǎng)初期溶氧和酸堿度都較為適宜, 菌種極快地適應(yīng)了新環(huán)境并對(duì)數(shù)生長(zhǎng); 球芽孢桿菌和成團(tuán)泛菌的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期持續(xù)約4 h, 從第4 小時(shí)后到第24 小時(shí)結(jié)束為過(guò)渡平穩(wěn)期, 之后進(jìn)入穩(wěn)定平穩(wěn)期。金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的萌發(fā)期相對(duì)較長(zhǎng), 約為15 小時(shí)和6 小時(shí); 金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期分別為2 和6 h。成團(tuán)泛菌、金黃色葡萄球菌、球芽孢桿菌和大腸桿菌的代時(shí)分別為0.99, 0.835, 1.07 和 1.909 h。
(2)只有大腸桿菌有明顯的衰亡期, 在約5 h 的平衡期后, 大腸桿菌進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)和空間的競(jìng)爭(zhēng), 有些大腸桿菌死亡, 吸收率隨即開(kāi)始衰減, 其整個(gè)生命周期呈“ J” 型; 說(shuō)明細(xì)菌的培養(yǎng)生長(zhǎng)曲線受遺傳性、 接種量和培養(yǎng)條件等因素的影響, 會(huì)有所變化。
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3 熒光光譜測(cè)量
3.1 液態(tài)氣溶膠準(zhǔn)備
BSA 和OVA 氣溶膠配制: 在超凈臺(tái)用去離子水 ddH2O 稀釋, 得到的溶液濃度約為 1.0× 106和5.0× 106 個(gè) · mL-1, 搖勻后4 ℃靜置 10 min, 熒光待測(cè)。
成團(tuán)泛菌、 金黃色葡萄球菌、 球芽孢桿菌營(yíng)養(yǎng)態(tài)細(xì)菌氣溶膠配制: 在超凈臺(tái)分別汲取過(guò)夜培養(yǎng)(約 24 h)后的 Pan, Sta 和 BG 菌液 5 mL, 注入 15 mL 生理鹽水的離心管中, 在 7 500 r · min-1轉(zhuǎn)速下離 心 10 min 兩次, 去掉上清液, 再分別加入 10 mL 生理鹽水, 搖勻后 4 ℃靜置 10 min, 熒光待測(cè)。
大腸桿菌營(yíng)養(yǎng)態(tài)細(xì)菌氣溶膠配制: 在超凈臺(tái)分別汲取 15 h 培養(yǎng)后的菌液 5 mL, 注入 15 mL 生理 鹽水的離心管中, 在 7 500 r · min-1轉(zhuǎn)速下離心 10 min 兩次, 去掉上清液, 再分別加入 10 mL 生理鹽 水, 搖勻后 4 ℃靜置 10 min, 熒光待測(cè)。
3.2 熒光測(cè)量方法
熒光測(cè)量在距離激光雷達(dá)約 20 m 的噴霧型測(cè)量腔中進(jìn)行。 氣溶膠室長(zhǎng) 15 m, 尺度為 2.0 m × 2.0 m。 兩端配有活動(dòng)門(mén), 掛起時(shí)可以關(guān)閉, 放下時(shí)打開(kāi)。 測(cè)量方法: (1)室門(mén)關(guān)閉, 將選定的 BSA、
3.3 雷達(dá)回波的小波去噪和平滑
在激光回波檢測(cè)中使用的去噪方法有匹配濾波、平滑濾波等; 當(dāng)信號(hào)波形已知時(shí), 匹配濾波方法能 夠有效地實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè), 是輸出信噪比較大化意義上的線性濾波器, 但對(duì)于非平穩(wěn)的回波信號(hào)其性能會(huì)大 幅下降。 尤其是, 滑動(dòng)平均濾波只相當(dāng)于低通濾波器, 中值濾波降噪優(yōu)勢(shì)是消除孤立的噪聲, 當(dāng)信噪比很 低時(shí), 改善信噪比性能有限[9,10]。
熒光信號(hào)較 MIE 散射信號(hào)低數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí), 為盡可能地保留信號(hào)光譜的特征, 不能采用常規(guī)的平滑降 噪處理, 對(duì)激光雷達(dá)的原始 PRR 信號(hào), 采用了分解級(jí)數(shù)為 4 的 Daubechies(db4)小波基, 與滑動(dòng)平均方 法比較而言, 利用該小波去噪可以更好地保留了激光雷達(dá)回波信號(hào)的峰值特征。
3.4 2D 熒光發(fā)射譜和二階導(dǎo)數(shù)熒光發(fā)射譜
根據(jù)生長(zhǎng)曲線, 大腸桿菌取 15 h 菌液, 其他三種則是 24 h 菌液, 在熒光測(cè)量腔中進(jìn)行熒光和背景 測(cè)量。 去除信號(hào)中的拉曼和瑞利散射信號(hào)后, 經(jīng)歸一化, 得到了如圖 3 所示的各模擬物液態(tài)氣溶膠的二 維熒光發(fā)射譜。 經(jīng)與色氨酸、 酪氨酸和苯丙氨酸的本征二維熒光譜對(duì)比分析后, 可得到以下結(jié)論:
(1)BSA, OVA 以及成團(tuán)泛菌、 金黃色葡萄球菌、 球芽孢桿菌和大腸桿菌營(yíng)養(yǎng)態(tài)細(xì)菌氣溶膠的二 維熒光譜分布、 譜形與色氨酸一致性較高, 熒光譜的半高寬 FWHM 為 60 nm, 說(shuō)明其主要成份為色氨 酸, 酪氨酸和苯丙氨酸的熒光貢獻(xiàn)基本為0;
(2)相對(duì)于色氨酸的 280/350 nm 本征熒光峰, 其他所有模擬物的熒光發(fā)射中心波長(zhǎng)均存在不程度 的紫移, 其中 OVA 和 BSA 的熒光發(fā)射波長(zhǎng)分別紫移了 18 和 12 nm, 熒光峰位于 280/332 和
(3)僅利用單個(gè)或數(shù)個(gè)激發(fā)波長(zhǎng)得到的發(fā)射譜, 要區(qū)分和識(shí)別不同生物物質(zhì), 較為不易。 而將光譜 進(jìn)行高階處理, 如求解二階導(dǎo)數(shù), 得到二階導(dǎo)數(shù)譜, 以將光譜曲線的差異放大。 對(duì)熒光光譜求二階導(dǎo)數(shù) 后, 光譜譜帶變窄, 二階導(dǎo)數(shù)光譜的極小值對(duì)應(yīng)熒光光譜峰值, 在定量測(cè)量上表現(xiàn)出很高的靈敏性[11] 。 圖 3(b)示出了三種液態(tài)生物氣溶膠和標(biāo)準(zhǔn)熒光組分色氨酸的二階導(dǎo)數(shù)譜, 可見(jiàn)二階導(dǎo)數(shù)的最小值, 與圖 3(a)中的熒光峰值位置一致。 此外, 二階求導(dǎo)后的譜曲線變得非常雜散, 不平滑, 這主要是由于被測(cè)物 濃度低, 受背景影響較大所致。
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simulants (a): Original; (b): 2nd derivative |
NADH 是反應(yīng)細(xì)胞呼吸和新陳代謝活動(dòng)的標(biāo)志之一。 圖 4 示出了經(jīng)降噪平滑和歸一化處理后的 4 種典型生物戰(zhàn)劑模擬物和標(biāo)準(zhǔn)熒光組分 NADH 在 NADH 熒光段的熒光譜曲線, 由圖 4(a)可知:
(1)所有菌的熒光譜譜形與 NADH 標(biāo)準(zhǔn)熒光譜的譜形較為一致, FWHM 約為 100 nm;
(2)由于 NADH 組分含量低, 加之熒光效率低, 強(qiáng)度弱, 故除標(biāo)準(zhǔn)熒光組分 NADH 的譜曲線較為光 滑外, 其他模擬物的熒光譜線的噪聲波動(dòng)較大, 熒光譜線不平滑, 在中心波長(zhǎng)附近, 存在寬度較窄的小尖 峰, 尤其是在大于中心波長(zhǎng) 450 nm 的譜段, 波動(dòng)較大, 毛刺嚴(yán)重;
(3)與氨基酸段的熒光類(lèi)似, 所有營(yíng)養(yǎng)態(tài)細(xì)菌的熒光譜較標(biāo)準(zhǔn) NADH 熒光譜, 存在較為一致的紫移, 紫移了約 25 nm;
(4)由于熒光信號(hào)較弱, 大腸桿菌、 球芽孢桿菌營(yíng)養(yǎng)態(tài)模擬物的熒光譜中還存在強(qiáng)度約為熒光強(qiáng)度 一半的瑞利散射信號(hào), 強(qiáng)度約為熒光強(qiáng)度 90%的 387 nm 氮拉曼信號(hào)和 403 水拉曼信號(hào)殘留;
(5)與氨基酸段熒光譜類(lèi)似見(jiàn)圖4(b), 二階導(dǎo)數(shù)熒光譜放大了四種營(yíng)養(yǎng)態(tài)細(xì)菌二維熒光譜曲線的差 異。
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圖 4 4 種模擬物 NADH 段熒光光譜 (a): 原始譜; (b): 二階導(dǎo)數(shù)譜 Fig.4 Fluorescence spectra of typical bioagents simulants within the NADH segment
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4 結(jié) 論
在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)場(chǎng)進(jìn)行了成團(tuán)泛菌、 金黃色葡萄球菌、 球芽孢桿菌和大腸桿菌四種生物戰(zhàn)劑模擬物的 培養(yǎng)和生長(zhǎng)曲線測(cè)定, 利用搭建的近場(chǎng)熒光測(cè)量激光雷達(dá)和配套的熒光測(cè)量腔, 測(cè)量得到了生物戰(zhàn)劑模擬 物營(yíng)養(yǎng)態(tài)的二維熒光光譜, 分辨率為 4 nm。
四種菌的生長(zhǎng)曲線與相關(guān)文獻(xiàn)存在一些差異, 主要是受培養(yǎng)環(huán)境, 如溫度波動(dòng)、 培養(yǎng)基和 pH 值等
四種營(yíng)養(yǎng)態(tài)細(xì)菌成團(tuán)泛菌、 金黃色葡萄球菌、 球芽孢桿菌和大腸桿菌, 以及 BSA 和 OVA, 在氨 基酸段的熒光譜形與標(biāo)準(zhǔn)熒光組分色氨酸較為一致, 但受培養(yǎng)生化環(huán)境的影響, 熒光峰值均存在不同程度 的藍(lán)移/紫移, 其原因主要是細(xì)菌內(nèi)部熒光團(tuán)的疏水性增加, 極性變小, n→ π * 躍遷中, 熒光團(tuán)分子中的 基態(tài) n 電子與極性溶劑形成氫鍵, 使基態(tài)能量降低, 激發(fā)態(tài)與基態(tài)間的能量差變大, 導(dǎo)致熒光譜帶的藍(lán)移 /紫移。 僅從峰形上對(duì)不同物質(zhì)在氨基酸段的二維熒光譜進(jìn)行分辨是極為困難的, 將熒光譜進(jìn)行了二階求
經(jīng)培養(yǎng)后的成團(tuán)泛菌、 金黃色葡萄球菌、 球芽孢桿菌和大腸桿菌營(yíng)養(yǎng)態(tài)細(xì)菌氣溶膠存在 NADH 熒光峰, 但NADH 熒光強(qiáng)度較低, 導(dǎo)致不能有效地扣除水、 氮等物質(zhì)的拉曼散射分量和瑞利散射分量。同時(shí), 受激光器能量、 測(cè)量腔背景、氣溫氣壓等外部因素, 以及四種營(yíng)養(yǎng)態(tài)菌體內(nèi)生化成份的影響, NADH 段的熒光峰波動(dòng)較大, 與標(biāo)準(zhǔn) NADH 熒光譜在譜形、中心波長(zhǎng)等參量上有較大差異。
The authors have declared that no competing interests exist.
參考文獻(xiàn)
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