综述：一种新型MIR成像方法在数秒内精确检测表皮葡萄球菌生物膜

这篇综述创新性地提出了一种基于中红外（MIR）激光扫描系统的快速生物膜检测技术，通过靶向4个特征波数（2790 cm?1、2926 cm?1、3350 cm?1、3700 cm?1），将传统傅里叶变换红外（FTIR）8小时/cm2的检测时间缩短至秒级。研究以表皮葡萄球菌（S. epidermidis）为模型，结合K均值聚类算法，成功区分了产膜株（RP62A）与非产膜株（ATCC 12228），为人工关节感染（PJI）等生物膜相关疾病的快速诊断提供了新思路。

　　

生物膜的临床挑战与检测需求

微生物生物膜对人类健康和工业系统构成双重威胁，其形成的天然屏障使细菌对抗生素的耐药性提升高达1000倍。表皮葡萄球菌（S. epidermidis）作为生物膜相关感染的主要病原体，通过ica操纵子编码的聚-N-乙酰葡糖胺（PNAG）形成坚固的胞外聚合物（EPS）基质，占生物膜质量的50-90%。传统检测方法如显微镜观察耗时费力，而商业FTIR虽能分析生物膜生化组成，却因需全谱扫描（750-4000 cm^?1）导致单样本检测耗时长达8小时。

创新MIR系统的技术突破

研究团队开发的自建MIR原型机采用四波长激光（2790/2926/3350/3700 cm^?1），通过增强激光功率（10-12 mW）和空间栅格化技术（5 μm步进），将分辨率提升至10 μm，扫描速度达12秒/cm²。光学模拟显示，3350 cm^?1激光可实现22.09 μm光斑直径，较FTIR的6.25 μm分辨率虽略低，但通过散射信号内参校正，显著提升了粗糙表面的检测准确性。

生物膜表型的精准鉴别

通过72小时培养的RP62A（SE+）与ATCC 12228（SE-）对比实验，晶体紫染色证实SE+生物膜量是SE-的2.1倍。K均值聚类（k=5）分析显示，SE+样本中73.3%区域呈现独特的品红色簇（簇4），其特征是2926 cm^?1（CH₂）与3350 cm^?1（NH/OH）强度比倒置，推测源于甲醛固定形成的亚甲基桥或PNAG的葡糖胺环振动。而SE-样本中69.1%区域属于簇1，表现为3350 cm^?1信号显著增强，反映黏附素介导的细胞附着蛋白特征。

技术优势与临床转化潜力

相比FTIR，MIR系统在检测深度（0-64000计数 vs 0-20000计数）和对比度上更具优势，尤其对PNAG的NH振动（3350 cm^?1）灵敏度提升50%。显微镜观察进一步验证了SE+样本特有的"桥状"网状结构（50-400 μm），与聚类结果高度吻合。该技术为术中快速鉴别生物膜感染提供了新工具，但需进一步验证其在多菌种检测中的普适性，并优化自动化数据分析流程以适应临床场景。

跨学科协作推动技术革新

这项研究融合了微生物学、光学工程与数据科学的跨学科优势，通过靶向关键生物标志物（如PNAG）实现了检测效率的突破。未来结合人工智能算法，有望将红外光谱技术从实验室研究拓展至床边诊断，为对抗慢性感染提供更经济高效的解决方案。