RU2782888C2 - Method for identification of microorganisms, using practical spectroscopy - Google Patents

Method for identification of microorganisms, using practical spectroscopy Download PDF

Info

Publication number
RU2782888C2
RU2782888C2 RU2020128820A RU2020128820A RU2782888C2 RU 2782888 C2 RU2782888 C2 RU 2782888C2 RU 2020128820 A RU2020128820 A RU 2020128820A RU 2020128820 A RU2020128820 A RU 2020128820A RU 2782888 C2 RU2782888 C2 RU 2782888C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sample
microorganisms
spectrum
species
subspecies
Prior art date
Application number
RU2020128820A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2020128820A (en
Inventor
Паоло ГАЛИАНО
Original Assignee
Алифакс С.Р.Л.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from IT201800002353A external-priority patent/IT201800002353A1/en
Application filed by Алифакс С.Р.Л. filed Critical Алифакс С.Р.Л.
Publication of RU2020128820A publication Critical patent/RU2020128820A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2782888C2 publication Critical patent/RU2782888C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: laboratory diagnostics.
SUBSTANCE: method for identification of microorganisms and device for its implementation are proposed. The method includes the use of a Fourier transform IR method in an attenuated total reflection mode (FTIR-ATR), creation of precalculated models based on significant identification spectral characteristics for each species, subspecies, or subclass of the known microorganisms related to information about shapes, sizes, intensity, and peak absorption areas and correlations between them, obtaining a spectrum of an unknown sample and its analysis by comparison with precalculated models. At the same time, spectroscopic tracking of a level of sample drying is performed.
EFFECT: inventions provide the expansion of the arsenal of methods for identification of microorganisms in case of big databases with increase in the accuracy.
14 cl, 8 dwg, 5 ex

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs

Настоящее изобретение относится к способу идентификации микроорганизмов с использованием статистических методов, например, многомерного анализа спектральных профилей или, в другом варианте, нейронных сетей, для получения данных, касающихся роста микроорганизмов, в течение очень короткого промежутка времени по сравнению с обычными способами.The present invention relates to a method for identifying microorganisms using statistical methods, for example, multivariate spectral profile analysis or, alternatively, neural networks, to obtain data regarding the growth of microorganisms in a very short period of time compared to conventional methods.

В частности, изобретение основано на разработке аналитического инструмента для идентификации микроорганизмов посредством анализа спектрального профиля ATR-FTIR неизвестного образца и сравнения спектрального профиля с профилями образцов, собранных ранее и сохраненных в базе данных.In particular, the invention is based on the development of an analytical tool for identifying microorganisms by analyzing the ATR-FTIR spectral profile of an unknown sample and comparing the spectral profile with previously collected sample profiles and stored in a database.

Уровень техникиState of the art

ИК спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR) представляет собой способ неразрушающего анализа, который позволяет получать информацию о химическом составе анализируемого образца. С начала 1990-х гг. этот способ используют для анализа биологических проб (Дием М. и др. Аналитик (27.08.2005, 129(10): 880-885)).Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) is a non-destructive analysis method that provides information about the chemical composition of the analyzed sample. Since the early 1990s this method is used for the analysis of biological samples (Diem M. et al. Analyst (08.27.2005, 129(10): 880-885)).

В то же время была показана способность способа FTIR идентифицировать и классифицировать неизвестные микроорганизмы (Helm D. et al., Journal of General Microbiology (1991, 137, 69-79) и Marley L. et al., Vibrational Spectroscopy, 26, 2, 2001, 151-159).At the same time, the ability of the FTIR method to identify and classify unknown microorganisms has been shown (Helm D. et al., Journal of General Microbiology (1991, 137, 69-79) and Marley L. et al., Vibrational Spectroscopy, 26, 2, 2001, 151-159).

Различные вид, подвиды или подклассы микроорганизмов описаны посредством точного биохимического состава в терминах белков, липидов, нуклеиновых кислот и полисахаридов, что отражено в определенном колебательном спектре (ed. Griggiths and Chalmers, 2001 Handbook of vibrational spectroscopy, John Wiley & sons, New York, Volume 5).Various species, subspecies, or subclasses of microorganisms are described by precise biochemical composition in terms of proteins, lipids, nucleic acids, and polysaccharides, as reflected in a specific vibrational spectrum (ed. Griggiths and Chalmers, 2001 Handbook of vibrational spectroscopy, John Wiley & sons, New York, volume 5).

Некоторые потенциальные приложения, предложенные на основе метода FTIR в микробиологии, включают в себя:Some potential applications proposed based on the FTIR method in microbiology include:

(i) идентификацию патогенов в области медицины и ветеринарии, например, в клинической лаборатории;(i) identification of pathogens in the field of medicine and veterinary medicine, for example, in a clinical laboratory;

(ii) эпидемиологические исследования, предмет изучения, скрининг патогенов, проверку гигиены, объяснение инфекционных цепочек, контроль терапии и детектирования рецидивирующих инфекций;(ii) epidemiological studies, subject matter, pathogen screening, hygiene testing, explanation of chains of infection, control of therapy, and detection of recurrent infections;

(iii) определение характеристик и скрининг микроорганизмов из окружающей среды;(iii) characterization and screening of microorganisms from the environment;

(iv) мониторинг биотехнологических процессов;(iv) monitoring of biotechnological processes;

(v) контроль микробиологического качества в пищевой и фармацевтической промышленности;(v) microbiological quality control in the food and pharmaceutical industries;

(vi) сохранение собранных штаммов.(vi) maintaining the collected strains.

Известны способы идентификации микроорганизмов, основанные на методах сравнительного анализа спектра неизвестного образца и спектров известных видов микроорганизмов, сохраненных в базе данных.Known methods for identifying microorganisms based on methods of comparative analysis of the spectrum of an unknown sample and the spectra of known types of microorganisms stored in the database.

Примеры известных способов идентификации такого типа изложены в документах US5660998A, CN103217398A, US6379920B1, WO2006002537A1, US9551654B2, US20170167973A1, WO2017/210783A1, Sousa et al., European Journal of Clinical Microbiology & Infectious Diseases (2014) 33: 1345-1353, Whittaker et al., Journal of Microbiological Methods 55 (2003) 709-716, Wang et al., International Journal of Food Microbiology 167 (2013) 293-302.Примеры известных способов идентификации такого типа изложены в документах US5660998A, CN103217398A, US6379920B1, WO2006002537A1, US9551654B2, US20170167973A1, WO2017/210783A1, Sousa et al., European Journal of Clinical Microbiology & Infectious Diseases (2014) 33: 1345-1353, Whittaker et al ., Journal of Microbiological Methods 55 (2003) 709-716, Wang et al., International Journal of Food Microbiology 167 (2013) 293-302.

Однако во многих известных способах получение спектров выполняют в режимах пропускания, отражения или визуализации.However, in many known methods, the acquisition of spectra is performed in transmission, reflection or imaging modes.

Например, получение в режиме пропускания или отражения изложено в US5660998 и US6379920, в то время как режимы визуализации приведены в WO2006002537A1, US9551654B2, US20170167973A1.For example, acquisition in transmission or reflection mode is set forth in US5660998 and US6379920 while imaging modes are set forth in WO2006002537A1, US9551654B2, US20170167973A1.

Эти способы имеют недостатки, связанные с тем, что полученный сигнал напрямую зависит от толщины и структуры образца, который может быть слишком толстым и вызывать насыщение, или неоднородным и вызывать искажения из-за рассеяния.These methods have disadvantages in that the received signal is directly dependent on the thickness and structure of the sample, which may be too thick and cause saturation, or inhomogeneous and cause distortion due to scattering.

Известно также, что способы, основанные на подходах визуализации, например многопиксельные, могут иметь ограничения по разрешению для отдельных спектров из-за более низкого отношения сигнал/шум, получаемого на пиксель, по сравнению с одноточечными детекторами.It is also known that methods based on imaging approaches, such as multi-pixel imaging, may have resolution limitations for individual spectra due to the lower signal to noise ratio obtained per pixel compared to single point detectors.

Еще одним недостатком современного уровня техники является то, что часто спектры могут представлять сигналы, обусловленные присутствием воды или других загрязняющих веществ, которые скрывают специфические сигналы микроорганизмов.Another disadvantage of the current state of the art is that often the spectra can represent signals due to the presence of water or other contaminants that obscure the specific signals of microorganisms.

В некоторых случаях, например, в CN 103217398A, применяют процедуры сушки, но, как сказано в WO 2017/210783A1, эти процедуры могут оказывать значительное и необратимое воздействие на микроорганизмы, а также изменять их спектры.In some cases, for example, in CN 103217398A, drying procedures are used, but, as stated in WO 2017/210783A1, these procedures can have a significant and irreversible effect on microorganisms, as well as change their spectra.

В некоторых случаях, например, в WO 2017/210783 Al, можно прибегнуть к многократному получению для удаления компонентов воды, присутствующих в спектрах. Однако это решение имеет недостатки, связанные с большим временем анализа и большей сложностью аналитических процедур сравнения спектров.In some cases, for example in WO 2017/210783 Al, it is possible to resort to multiple preparations to remove the water components present in the spectra. However, this solution has disadvantages related to the long analysis time and the greater complexity of the analytical procedures for comparing spectra.

Еще одним недостатком современного уровня техники является то, что зачастую справочная база данных содержит ограниченное число видов микроорганизмов и поэтому не охватывает широкий спектр возможных видов.Another disadvantage of the current state of the art is that often the reference database contains a limited number of microbial species and therefore does not cover the wide range of possible species.

Например, база данных и соответствующий способ идентификации, описанный в CN103217398A, относятся к 13 видам бактерий.For example, the database and the corresponding identification method described in CN103217398A refer to 13 kinds of bacteria.

Кроме того, с увеличением размеров справочных баз данных возникает ряд проблем, связанных с процедурами культивирования и выращивания видов микроорганизмов, с процедурами получения спектров и процедурами сравнительного анализа.In addition, with the increase in the size of reference databases, a number of problems arise related to the procedures for cultivation and cultivation of microorganism species, with the procedures for obtaining spectra and procedures for comparative analysis.

Например, по мере увеличения размера базы данных время анализа неизвестного образца также увеличивается, учитывая, что спектр неизвестного образца необходимо сравнивать с большим количеством спектров, содержащихся в базе данных.For example, as the size of the database increases, the time to analyze an unknown sample also increases given that the spectrum of the unknown sample needs to be compared with the large number of spectra contained in the database.

Более того, одни и те же виды микроорганизмов могут иметь большую вариабельность спектральных характеристик, что затрудняет их сравнение со спектрами, содержащимися в базе данных.Moreover, the same species of microorganisms can have a large variability in spectral characteristics, which makes it difficult to compare them with the spectra contained in the database.

Эта изменчивость может быть обусловлена наличием различных штаммов для каждого вида или различиями между различными культурами одного и того же вида из-за возможных вариаций химического состава питательной среды и/или условий роста.This variability may be due to the presence of different strains for each species or differences between different cultures of the same species due to possible variations in the chemical composition of the nutrient medium and/or growth conditions.

В связи с этим возникает необходимость разработки новых способов идентификации микроорганизмов, которые могут работать для большого числа видов, подвидов или подклассов микроорганизмов, причем с большой вариабельностью справочной базы данных.In this regard, there is a need to develop new methods for identifying microorganisms that can work for a large number of species, subspecies or subclasses of microorganisms, and with a large variability of the reference database.

Поэтому одна из целей настоящего изобретения заключается в разработке способа идентификации микроорганизмов, который является достаточно общим для того, чтобы иметь возможность идентифицировать большое количество различных видов, подвидов или подклассов микроорганизмов с высокой способностью к различению и точностью.Therefore, one of the objectives of the present invention is to provide a method for identifying microorganisms that is sufficiently general to be able to identify a large number of different species, subspecies or subclasses of microorganisms with high discrimination and accuracy.

Другая цель настоящего изобретения заключается в разработке способа идентификации микроорганизмов, который позволяет идентифицировать различные штаммы одного и того же вида, подвида или подкласса микроорганизмов, возможно выращенных в различных культурах на различных средах или в различных условиях окружающей среды в присутствии или отсутствии биологических жидкостей.Another object of the present invention is to provide a microorganism identification method that allows the identification of different strains of the same species, subspecies or subclass of microorganism possibly grown in different cultures on different media or under different environmental conditions in the presence or absence of biological fluids.

Другая цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить точный способ идентификации микроорганизмов, который при этом требует немного времени для каждого отдельного анализа, даже в случае больших баз данных.Another object of the present invention is to provide an accurate method for the identification of microorganisms, while requiring little time for each individual analysis, even in the case of large databases.

Другая цель настоящего изобретения заключается в создании устройства, которое может просто реализовать способ идентификации микроорганизмов, интегрируя все различные этапы анализа и инструментальные компоненты.Another object of the present invention is to provide a device that can easily implement a method for identifying microorganisms by integrating all the various assay steps and instrumental components.

Заявитель разработал, испытал и осуществил настоящее изобретение для преодоления недостатков существующего уровня техники и достижения этих и других целей и преимуществ.Applicant has developed, tested and carried out the present invention in order to overcome the shortcomings of the prior art and to achieve these and other objects and advantages.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Настоящее изобретение изложено и охарактеризовано в независимых пунктах формулы изобретения, в то время как зависимые пункты формулы изобретения описывают другие характеристики изобретения или варианты основной изобретательской идеи.The present invention is set forth and characterized in independent claims, while dependent claims describe other characteristics of the invention or variants of the basic inventive idea.

Настоящее изобретение относится к способу идентификации микроорганизмов, и в частности к способу, позволяющему идентифицировать несколько видов, подвидов и подклассов микроорганизмов, присутствующих в неизвестном образце, сравнивая инфракрасный спектр упомянутого неизвестного образца с инфракрасными спектрами известных образцов, которые ранее были сохранены в базе данных.The present invention relates to a method for identifying microorganisms, and in particular to a method for identifying several species, subspecies and subclasses of microorganisms present in an unknown sample by comparing the infrared spectrum of said unknown sample with the infrared spectra of known samples that were previously stored in a database.

Способ идентификации микроорганизмов в соответствии с настоящим изобретением содержит следующее:The method for identifying microorganisms in accordance with the present invention contains the following:

- этап подготовки базы данных эталонных спектров, связанных с известными образцами видов, подвидов и подклассов известных микроорганизмов;- the stage of preparing a database of reference spectra associated with known samples of species, subspecies and subclasses of known microorganisms;

- этап создания предварительно рассчитанных моделей или эталонных библиотек, начиная с упомянутой базы данных, на основе наиболее значимых идентификационных спектральных характеристик, например связанных с информацией о формах, размерах, интенсивности и пиковых областях поглощения, а также корреляций и соотношений между интенсивностями или между различными пиковыми областями;- the step of creating pre-calculated models or reference libraries, starting from said database, based on the most significant identifying spectral characteristics, for example associated with information about shapes, sizes, intensity and peak absorption areas, as well as correlations and ratios between intensities or between different peak areas;

- один или несколько этапов отбора неизвестного образца, взятого у пациента, возможно, впоследствии выращенного на твердых или жидких средах и, возможно, также содержащего биологические жидкости;- one or more steps of taking an unknown sample taken from a patient, possibly subsequently grown on solid or liquid media and possibly also containing biological fluids;

- один или несколько этапов получения спектра неизвестного образца;- one or more stages of obtaining the spectrum of an unknown sample;

- один или несколько этапов обработки спектра неизвестного образца;- one or more stages of processing the spectrum of an unknown sample;

- один или несколько этапов анализа спектра неизвестного образца путем сравнения его с предварительно рассчитанными моделями, каждая из которых дает по меньшей мере некоторые показатели принадлежности, возможно, в виде процентов, неизвестного образца к одному или нескольким из упомянутых видов, подвидов или подклассов известных микроорганизмов, а также параметр достоверности упомянутых показателей принадлежности;- one or more steps of analyzing the spectrum of the unknown sample by comparing it with pre-calculated models, each of which gives at least some indicator of belonging, possibly in the form of percentages, of the unknown sample to one or more of the mentioned species, subspecies or subclasses of known microorganisms, as well as the reliability parameter of the mentioned indicators of belonging;

- один или несколько этапов контроля, на которых, исходя из упомянутых показателей принадлежности и упомянутого параметра достоверности, запрашивают новый этап получения спектра неизвестного образца или предоставляют конечный результат, который может содержать неуспешную идентификацию или успешную идентификацию.- one or more control steps, in which, based on the mentioned membership indicators and the mentioned confidence parameter, a new step of obtaining the spectrum of an unknown sample is requested or the final result is provided, which may contain an unsuccessful identification or a successful identification.

В некоторых вариантах осуществления этап подготовки базы данных эталонных спектров, связанных с известными видами, подвидами или подклассами известных микроорганизмов, для каждого образца также предусматривает следующее:In some embodiments, the step of preparing a database of reference spectra associated with known species, subspecies, or subclasses of known microorganisms for each sample also includes the following:

- этап отбора известного образца, возможно взятого у пациентов, возможно впоследствии выращенного на твердых или жидких средах и, возможно, содержащего биологические жидкости;- the step of selecting a known sample, possibly taken from patients, possibly subsequently grown on solid or liquid media, and possibly containing biological fluids;

- один или несколько этапов получения спектра известного образца;- one or more stages of obtaining the spectrum of a known sample;

- один или несколько этапов обработки спектра известного образца.- one or more stages of processing the spectrum of a known sample.

В некоторых вариантах осуществления этап подготовки базы данных может быть выполнен только один раз для создания базы данных, которая затем может быть использована для каждого последующего анализа неизвестных образцов.In some embodiments, the database preparation step may be performed only once to create a database that can then be used for each subsequent analysis of unknown samples.

В некоторых вариантах осуществления этап подготовки базы данных может также относиться к обновлению базы данных, которое должно осуществляться всякий раз, когда требуется включить в нее новые виды, подвиды или подклассы микроорганизмов, тем самым расширяя диапазон применимости способа.In some embodiments, the step of preparing the database may also refer to updating the database, which should be performed whenever new species, subspecies, or subclasses of microorganisms are desired to be included, thereby expanding the range of applicability of the method.

Аналогичным образом, предварительно рассчитанные модели, будучи созданными, могут быть использованы для каждого последующего анализа неизвестных образцов или также могут быть обновлены каждый раз, когда требуется добавить новые виды, подвиды или подклассы микроорганизмов.Similarly, pre-calculated models, once created, can be used for each subsequent analysis of unknown samples, or can also be updated each time new species, subspecies, or subclasses of micro-organisms need to be added.

В соответствии с настоящим изобретением спектры получают с помощью устройства, содержащего спектрофотометр FTIR-ATR.In accordance with the present invention, spectra are obtained using an apparatus containing an FTIR-ATR spectrophotometer.

Этот режим получения имеет преимущество, которое заключается в том, что он получает спектры, независимо от толщины и морфологии образца, гарантируя высокую воспроизводимость по сравнению со способами, основанными на коэффициенте пропускания или отражения.This acquisition mode has the advantage that it acquires spectra regardless of sample thickness and morphology, guaranteeing high reproducibility compared to methods based on transmittance or reflectance.

Кроме того, он позволяет работать на чрезвычайно малом образце, а также с применением очень простых и быстрых рабочих процедур.In addition, it allows you to work on an extremely small sample, as well as using very simple and fast working procedures.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения спектрофотометр FTIR-ATR содержит одноточечный детектор, который обеспечивает более хорошее отношение сигнал/шум, чем, например, многопиксельные и/или основанные на визуализации способы.In some embodiments of the present invention, the FTIR-ATR spectrophotometer comprises a single point detector that provides a better signal to noise ratio than, for example, multi-pixel and/or imaging-based methods.

Эта характеристика также позволяет ограничить или предотвратить явления рассеяния и насыщения сигнала и гарантировать более простую подготовку образца.This feature also makes it possible to limit or prevent scatter and signal saturation phenomena and to guarantee easier sample preparation.

В некоторых вариантах осуществления спектрофотометр имеет режим непрерывного получения информации, который облегчает очистку прибора, а также позволяет диагностировать в реальном времени наличие воды и/или других загрязняющих веществ, что позволяет ограничить недостаток современного уровня техники, при котором присутствие воды и/или загрязняющих веществ может перекрывать специфические сигналы микроорганизмов.In some embodiments, the spectrophotometer has a continuous acquisition mode that facilitates cleaning of the instrument as well as real-time diagnosis of the presence of water and/or other contaminants, thereby limiting a disadvantage of the state of the art where the presence of water and/or contaminants can override the specific signals of microorganisms.

Предпочтительно, в соответствии с настоящим изобретением, предусмотрен спектроскопический мониторинг уровня сушки образца, так что спектр получают только при достижении заданного стандартного уровня сушки.Preferably, in accordance with the present invention, spectroscopic monitoring of the drying level of the sample is provided, so that the spectrum is obtained only when a predetermined standard drying level is reached.

Таким образом, спектры, полученные с помощью этого режима, относятся к образцам, которые имеют практически одинаковые уровни сушки и поэтому более сопоставимы друг с другом.Thus, the spectra obtained using this mode refer to samples that have almost the same drying levels and are therefore more comparable to each other.

Эта характеристика позволяет преодолеть или, по крайней мере, ограничить некоторые недостатки современного уровня техники, поскольку для удаления воды из образца не требуется никаких операций сушки в печи, что позволяет избежать возникновения необратимых воздействий на микроорганизмы и, следовательно, на соответствующие спектры.This feature overcomes or at least limits some of the disadvantages of the state of the art, since no oven drying steps are required to remove water from the sample, thus avoiding irreversible effects on the microorganisms and therefore on the corresponding spectra.

В некоторых вариантах осуществления в настоящем изобретении предусмотрено использование алгоритмов, которые автоматически идентифицируют наиболее значимые идентификационные спектральные характеристики образцов в предварительно установленных спектральных диапазонах.In some embodiments, the present invention provides for the use of algorithms that automatically identify the most significant identifying spectral characteristics of samples in predetermined spectral ranges.

Эта характеристика позволяет существенно сократить время, необходимое для выполнения этапа анализа, что позволяет ускорить сроки и повысить точность идентификации.This feature can significantly reduce the time required to complete the analysis stage, which allows you to speed up the time and improve the accuracy of identification.

Предпочтительно, использование упомянутых предварительно рассчитанных моделей позволяет ускорить время идентификации для каждого неизвестного образца по сравнению со способами, известными в данной области техники.Preferably, the use of said pre-calculated models makes it possible to speed up the identification time for each unknown sample compared to methods known in the art.

Эти характеристики позволяют увеличить размер базы данных, позволяющей идентифицировать множество видов, подвидов или подклассов различных микроорганизмов, различных штаммов одного и того же вида, подвида или подсемейства, также возможно выращенных в разных культурах на разных средах или в разных условиях окружающей среды, возможно в присутствии биологических жидкостей.These characteristics make it possible to increase the size of the database, allowing the identification of many species, subspecies or subclasses of different microorganisms, different strains of the same species, subspecies or subfamily, also possibly grown in different cultures on different media or in different environmental conditions, possibly in the presence of biological fluids.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Эти и другие аспекты, характеристики и преимущества настоящего изобретения будут поняты со ссылкой на последующее описание, чертежи и прилагаемую формулу изобретения. Чертежи, являющиеся неотъемлемой частью описания, показывают некоторые варианты осуществления настоящего изобретения и вместе с описанием предоставляют описание принципов изобретения.These and other aspects, characteristics and advantages of the present invention will be understood with reference to the following description, drawings and the appended claims. The drawings, which form an integral part of the description, show some embodiments of the present invention and, together with the description, provide a description of the principles of the invention.

Настоящее изобретение лучше описано и показано с помощью следующих чертежей, на которых:The present invention is better described and shown with the help of the following drawings, in which:

на фиг. 1 приведено схематическое представление возможного устройства в соответствии со способом настоящего изобретения;in fig. 1 is a schematic representation of a possible device according to the method of the present invention;

на фиг. 2 приведена блок-схема, на которой в качестве примера показаны этапы одного варианта осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением;in fig. 2 is a flow chart showing, by way of example, the steps of one embodiment of a method in accordance with the present invention;

на фиг. 3a и 3b показаны экспериментальные данные, собранные с использованием способа FTIR-ATR, где на фиг. 3а показаны собранные необработанные данные, в которых каждый вид представлен своим цветом, в то время как на фиг. 3b показаны преобразованные данные;in fig. 3a and 3b show experimental data collected using the FTIR-ATR method, where FIG. 3a shows the collected raw data in which each species is represented by a different color, while FIG. 3b shows the converted data;

на фиг. 4 схематически показаны зоны кластеров, полученных с помощью PCA в пространстве двух главных компонент, соответствующих спектрам различных видов микроорганизмов;in fig. 4 schematically shows the zones of clusters obtained using PCA in the space of two principal components corresponding to the spectra of various types of microorganisms;

на фиг. 5 схематически показан пример зон кластеров, полученных с помощью LDA в пространстве первых двух компонент;in fig. 5 schematically shows an example of cluster zones obtained using LDA in the space of the first two components;

на фиг. 6 схематически показан пример зон кластеров, полученных с помощью PCA в пространстве двух главных компонент, соответствующих спектрам различных видов микроорганизмов;in fig. 6 schematically shows an example of cluster zones obtained using PCA in the space of two principal components, corresponding to the spectra of various types of microorganisms;

на фиг. 7 показано: панель а) - представление пространства PCA, окрашенного как Грам (+) (светло-серый) и Грам (-) (темно-серый); панель b) - матрица неточностей, показывающая "расчетные" данные по отношению к "фактическим" данным, полученным этим способом; панель с) - результаты выполнения математического метода, примененного к вариантам осуществления, описанным в этом документе при расчете Грам-типа; in fig. 7 shows: panel a) a representation of the PCA space colored as Gram (+) (light grey) and Gram (-) (dark grey); panel b) is a confusion matrix showing the "calculated" data in relation to the "actual" data obtained in this way; panel c) - the results of the mathematical method applied to the embodiments described in this document when calculating the Gram-type;

на фиг. 8 приведена матрица неточностей, полученная путем перекрестной валидации способа в соответствии с описанными в этом документе вариантами со спектрами базы данных.in fig. 8 shows the confusion matrix obtained by cross-validating the method according to the options described in this document with database spectra.

Чтобы упростить понимание, где это было возможно, для указания идентичных общих элементов на чертежах использовали одни и те же ссылочные позиции. Понятно, что элементы и характеристики одного варианта могут быть включены в другие варианты осуществления без дополнительных уточнений.To facilitate understanding, where possible, the same reference numbers have been used to indicate identical common elements throughout the drawings. It is clear that the elements and characteristics of one option can be included in other options for implementation without further clarification.

Подробное описание некоторых вариантов осуществления изобретенияDetailed description of some embodiments of the invention

Теперь подробно рассмотрим различные варианты осуществления настоящего изобретения, один или несколько примеров которых приведены на прилагаемых чертежах. Каждый пример приведен в качестве иллюстрации изобретения, и их не следует понимать как его ограничение. Например, характеристики, показанные или описанные в той мере, в какой они являются частью одного варианта осуществления, могут быть приспособлены в других вариантах осуществления или в сочетании с ними для получения другого варианта осуществления. Подразумевается, что настоящее изобретение содержит все такие модификации и варианты.Let us now consider in detail the various embodiments of the present invention, one or more examples of which are shown in the accompanying drawings. Each example is given as an illustration of the invention and should not be understood as limiting it. For example, features shown or described as part of one embodiment may be adapted in or in combination with other embodiments to provide another embodiment. The present invention is intended to include all such modifications and variations.

Прежде чем описывать эти варианты осуществления, мы должны также уточнить, что настоящее описание не ограничено в своем применении деталями конструкции и расположения компонентов, как описано в последующем описании с использованием прилагаемых чертежей. Настоящее описание может содержать другие варианты осуществления и может быть получено или выполнено различными другими способами. Мы должны также уточнить, что фразеология и терминология, используемая в этом документе, предназначена только для описания и не может рассматриваться как ограничительная.Before describing these embodiments, we should also clarify that the present description is not limited in its application to the details of construction and arrangement of components as described in the following description using the accompanying drawings. The present description may contain other embodiments and may be obtained or performed in various other ways. We should also clarify that the phraseology and terminology used in this document is for descriptive purposes only and should not be considered restrictive.

Если не определено иное, все технические и научные термины, используемые в этом в дальнейшем, имеют одно и то же значение, обычно понимаемое специалистом в области, к которой относится настоящее изобретение.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used hereinafter have the same meaning as generally understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains.

Хотя способы и материалы, аналогичные или эквивалентные описанным в этом документе, могут быть использованы на практике или в тестах для проверки этого изобретения, способы и материалы описаны ниже в качестве примера. В случае коллизии преимущественную силу имеет настоящая заявка, содержащая определения. Материалы, способы и примеры носят чисто иллюстративный характер, и их не нужно понимать как ограничивающие.While methods and materials similar or equivalent to those described herein may be used in practice or in tests to test this invention, the methods and materials are described below by way of example. In the event of a conflict, the present application containing the definitions shall prevail. The materials, methods, and examples are purely illustrative and are not to be understood as limiting.

В дальнейшем под образцом мы понимаем минимальное количество, взятое для целей анализа из большей однородной части биологического вещества, содержащего микробные организмы, например, микроорганизмы, но не только.In the following, by a sample we mean the minimum amount taken for the purposes of analysis from a large homogeneous part of a biological substance containing microbial organisms, for example, microorganisms, but not only.

Иногда, при необходимости, мы будем указывать неизвестный образец или известный образец, в тех случаях, когда состав микроорганизмов биологического вещества соответственно неизвестен или известен.Sometimes, if necessary, we will indicate an unknown sample or a known sample, in cases where the composition of the microorganisms of the biological substance is respectively unknown or known.

В некоторых вариантах осуществления виды, подвиды и подклассы микроорганизмов могут представлять клинический интерес.In some embodiments, species, subspecies, and subclasses of microorganisms may be of clinical interest.

Кроме того, термин "спектр" будет использоваться применительно к набору электромагнитных излучений, совместимых с используемым инструментом получения, и поэтому выражения "инфракрасный спектр", "колебательный спектр" или ссылки на колебательные переходы или определенные конкретные спектральные диапазоны не следует понимать в ограничительном смысле в отношении применимости способа в соответствии с настоящим изобретением.In addition, the term "spectrum" will be used in relation to the set of electromagnetic emissions compatible with the acquisition tool used, and therefore the expressions "infrared spectrum", "vibrational spectrum", or references to vibrational transitions or certain specific spectral ranges should not be understood in a restrictive sense in regarding the applicability of the method in accordance with the present invention.

На фиг. 1 схематически показано устройство 10 для идентификации микроорганизмов в соответствии с настоящим изобретением.In FIG. 1 schematically shows a device 10 for identifying microorganisms in accordance with the present invention.

Например, устройство содержит спектрофотометр для FTIR-спектроскопии (ИК спектроскопия с преобразованием Фурье) в режиме ATR (нарушенного полного внутреннего отражения - НПВО), то есть спектрофотометр FTIR-ATR, связанный с системой обработки и системой отображения данных.For example, the device contains a spectrophotometer for FTIR spectroscopy (Fourier transform infrared spectroscopy) in the ATR (frustrated total internal reflection - ATR) mode, that is, an FTIR-ATR spectrophotometer associated with a processing system and a data display system.

Система обработки и система отображения могут, например, быть интегрированы в единую систему обработки и отображения и/или могут быть включены в компьютер 15, такой как, например, персональный компьютер, оснащенный экраном.The processing system and the display system may, for example, be integrated into a single processing and display system and/or may be included in the computer 15, such as, for example, a personal computer equipped with a screen.

В некоторых вариантах осуществления система обработки содержит компьютерную программу, которая может быть записана на машиночитаемый носитель и которая содержит инструкции, которые могут быть выполнены в каждом случае устройством 10.In some embodiments, the processing system includes a computer program that can be written to a computer-readable medium and that contains instructions that can be executed in each case by the device 10.

Далее, для простоты изложения, будет сделана ссылка на компьютер 15, чтобы указать набор программно-аппаратных систем, способных управлять устройством 10, а также обрабатывать и отображать данные.Further, for the sake of simplicity, reference will be made to the computer 15 to indicate the set of hardware and software systems capable of controlling the device 10, as well as processing and displaying data.

Спектрофотометр FTIR-ATR, известный сам по себе в своих основных компонентах, содержит источник 13 инфракрасного излучения 17, отражающие элементы 16, элемент полного внутреннего отражения и детектор 14.The FTIR-ATR spectrophotometer, known per se in its main components, comprises an infrared source 13 17, reflective elements 16, a total internal reflection element, and a detector 14.

Для простоты другие компоненты спектрофотометра, такие как монохроматор, модулятор, интерферометр, не показаны на фиг. 1.For simplicity, other components of the spectrophotometer, such as monochromator, modulator, interferometer, are not shown in FIG. one.

В некоторых вариантах осуществления источник 13 может представлять собой источник черного тела типа глобара.In some embodiments, the source 13 may be a black body source of the globary type.

Например, излучение 17, испускаемое источником 13, то есть падающее излучение 17а, направляют отражающими элементами 16 так, чтобы оно попадало на элемент полного внутреннего отражения.For example, the radiation 17 emitted by the source 13, ie the incident radiation 17a, is guided by the reflective elements 16 so that it hits the total internal reflection element.

В некоторых вариантах осуществления элементом полного внутреннего отражения может быть, например, кристалл 12.In some embodiments, the element of total internal reflection may be, for example, a crystal 12.

В некоторых вариантах осуществления кристалл 12 может представлять собой кристалл 12 с высоким показателем преломления.In some embodiments, crystal 12 may be a high refractive index crystal 12.

В некоторых вариантах осуществления кристалл 12 может быть кристаллом 12 алмаза, ZnSe, кремния или германия.In some embodiments, the implementation of the crystal 12 may be a crystal 12 of diamond, ZnSe, silicon or germanium.

Предпочтительно, если кристалл 12 является кристаллом 12 алмаза, он обладает преимуществом, которое заключается в том, что он более прочный, чем ZnSe, кремний или германий, используемые в сопоставимых измерениях, и имеет больший диапазон прозрачности.Preferably, if the crystal 12 is a diamond crystal 12, it has the advantage that it is stronger than the ZnSe, silicon or germanium used in comparable measurements and has a larger transparency range.

Отражение излучения 17 внутри кристалла 12 создает быстро затухающее поле на поверхности кристалла 12, на которой может быть определена зона 18 получения информации, на которой располагают анализируемый биологический образец.The reflection of radiation 17 inside the crystal 12 creates a rapidly decaying field on the surface of the crystal 12, on which the zone 18 for obtaining information can be defined, on which the analyzed biological sample is located.

Быстро затухающее поле может проникать на различную глубину, которая, в зависимости от случая, может достигать нескольких микрон.The rapidly decaying field can penetrate to various depths, which, depending on the case, can reach several microns.

В частности, диапазон глубин зависит от угла падения и длины волны падающего излучения 17а, а также показателя преломления материала, используемого для кристалла 12, и поэтому его можно считать практически постоянным для всех анализируемых образцов.In particular, the depth range depends on the angle of incidence and wavelength of the incident radiation 17a, as well as the refractive index of the material used for the crystal 12, and therefore can be considered almost constant for all analyzed samples.

По этой причине предпочтительно режим ATR (НПВО) позволяет получать спектры, не зависящие от оптического пути излучения через образец, и, следовательно, не зависящие от толщины образца, обеспечивая более высокую воспроизводимость по сравнению с подходами, использующими пропускание или отражение.For this reason, the preferred ATR mode produces spectra that are independent of the optical path through the sample, and therefore independent of the sample thickness, providing higher reproducibility compared to either transmission or reflection approaches.

Кроме того, этот режим позволяет ограничить или предотвратить явления рассеяния и/или насыщения сигнала, которые могут негативно сказаться на качестве спектра.In addition, this mode allows you to limit or prevent the phenomena of scattering and/or saturation of the signal, which can adversely affect the quality of the spectrum.

Таким образом, этот режим гарантирует большую повторяемость измерений и более простую подготовку образца.Thus, this mode guarantees greater measurement repeatability and easier sample preparation.

Излучение 17, выходящее из кристалла 12 после взаимодействия с образцом, то есть исходящее излучение 17b, направляют затем с помощью отражающих элементов 16 в сторону детектора 14.The radiation 17 emerging from the crystal 12 after interaction with the sample, that is, the outgoing radiation 17b, is then directed by means of the reflective elements 16 towards the detector 14.

В некоторых вариантах осуществления детектор 14 может представлять собой детектор DLaTGS (Дейтерированный L-аланин, легированный триглицинсульфатом).In some embodiments, detector 14 may be a DLaTGS detector (Deuterated L-alanine doped with triglycine sulfate).

В альтернативных вариантах детектор 14 может представлять собой детектор DTGS.In alternative embodiments, detector 14 may be a DTGS detector.

Например, детектор 14 преобразует оптическую информацию, содержащуюся в исходящем излучении 17b, в электрические сигналы, которые передают в компьютер 15.For example, detector 14 converts optical information contained in outgoing radiation 17b into electrical signals that are transmitted to computer 15.

В некоторых вариантах устройство предназначено для получения спектров в области NIR (Ближний ИК диапазон) и/или MIR (средний ИК диапазон) и/или FIR (дальний ИК диапазон).In some embodiments, the device is designed to acquire spectra in the NIR (Near Infrared) and/or MIR (Mid Infrared) and/or FIR (Far Infrared) region.

В некоторых вариантах устройство 10 может работать в режиме непрерывного приема, то есть отображать на экране компьютера 15 в режиме реального времени то, что получают в каждом случае в зоне 18 получения информации.In some embodiments, the device 10 can operate in a continuous reception mode, that is, display on the screen of the computer 15 in real time what is received in each case in the zone 18 of obtaining information.

Настоящее изобретение также относится к способу идентификации микроорганизмов, схематически показанному на фиг. 2 и содержащему:The present invention also relates to a method for identifying microorganisms, shown schematically in FIG. 2 and containing:

- этап подготовки базы данных (А1, А2, А3) эталонных спектров, связанных с известными образцами видов, подвидов и подклассов известных микроорганизмов;- the stage of preparing a database (A1, A2, A3) of reference spectra associated with known samples of species, subspecies and subclasses of known microorganisms;

- этап А4 создания предварительно рассчитанных моделей, начиная с упомянутой базы данных, на основе идентификации спектральных характеристик, наиболее значимых для каждого вида, подвида или подкласса известных микроорганизмов;- step A4 of creating pre-calculated models, starting from said database, based on the identification of the spectral characteristics most significant for each species, subspecies or subclass of known microorganisms;

- этап B отбора неизвестного образца, взятого у пациента, возможно, выращенного впоследствии на твердых или жидких средах и, возможно, содержащего биологические жидкости;- step B of the selection of an unknown sample taken from the patient, possibly grown subsequently on solid or liquid media and possibly containing biological fluids;

- один или несколько этапов C получения спектра неизвестного образца;- one or more steps C to obtain the spectrum of an unknown sample;

- один или несколько этапов D обработки спектра неизвестного образца;- one or more stages D of processing the spectrum of an unknown sample;

- один или несколько этапов анализа спектра неизвестного образца путем сравнения его с предварительно рассчитанными моделями, каждый из этапов анализа дает по меньшей мере некоторые показатели, возможно, в виде процентов, того, что неизвестный образец принадлежит к одному или нескольким из упомянутых видов, подвидов или подклассов известных микроорганизмов, а также параметр достоверности упомянутых показателей принадлежности;- one or more steps of analyzing the spectrum of the unknown sample by comparing it with pre-calculated models, each step of the analysis giving at least some indication, possibly as a percentage, that the unknown sample belongs to one or more of the mentioned species, subspecies or subclasses of known microorganisms, as well as the reliability parameter of the mentioned belonging indicators;

- один или несколько этапов F контроля, на которых, начиная с упомянутых показателей принадлежности и упомянутого параметра достоверности, запрашивают новый этап получения спектра неизвестного образца или предоставляют конечный результат способа, который может содержать неудачную идентификацию J или успешную идентификацию G, H, I в соответствии с различными критериями.- one or more control steps F, in which, starting from the mentioned membership indicators and the mentioned confidence parameter, a new stage of obtaining the spectrum of the unknown sample is requested or the end result of the method is provided, which may contain an unsuccessful identification of J or a successful identification of G, H, I, according to with different criteria.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения этап A подготовки базы данных может, в свою очередь, содержать:In some embodiments of the present invention, step A of preparing the database may, in turn, comprise:

- этап A1 отбора известного образца, возможно взятого у пациентов, возможно впоследствии выращенного на твердых или жидких средах и, возможно, содержащего биологические жидкости;- step A1 of the selection of a known sample, possibly taken from patients, possibly subsequently grown on solid or liquid media, and possibly containing biological fluids;

- один или несколько этапов A2 получения спектра известного образца;- one or more steps A2 of obtaining the spectrum of a known sample;

- один или несколько этапов A3 обработки спектра известного образца.- one or more stages A3 of processing the spectrum of a known sample.

В некоторых вариантах осуществления упомянутые этапы A1, A2, A3 могут повторяться каждый раз, когда требуется вставить новый образец, известный в базе данных.In some embodiments, said steps A1, A2, A3 may be repeated each time a new pattern known in the database needs to be inserted.

В некоторых вариантах осуществления этапы отбора B, A1 образца могут предусматривать, что образец берут у пациента.In some embodiments, the sampling steps B, A1 of the sample may include that the sample is taken from a patient.

В некоторых вариантах осуществления образец, взятый у пациента, может быть подвергнут предварительной процедуре анализа, которая предусматривает добавление питательных веществ для микроорганизмов.In some embodiments, a patient sample may be subjected to a preliminary analysis procedure that includes the addition of microbial nutrients.

В некоторых вариантах осуществления образец можно выращивать на твердой питательной среде.In some embodiments, the implementation of the sample can be grown on a solid nutrient medium.

В некоторых вариантах осуществления образец можно выращивать в чашках Петри.In some embodiments, the implementation of the sample can be grown in Petri dishes.

В некоторых вариантах осуществления образец можно выращивать на жидкой питательной среде, а затем центрифугировать, получая концентрированную гранулу.In some embodiments, the sample can be grown on a liquid nutrient medium and then centrifuged to obtain a concentrated bead.

В некоторых вариантах осуществления образец можно выращивать на жидкой питательной среде или жидком бульоне для выращивания, а затем фильтровать.In some embodiments, the sample may be grown in liquid growth media or liquid growth broth and then filtered.

В некоторых вариантах осуществления образец может быть выращен на жидкой питательной среде или жидком бульоне для выращивания, или он может быть подвергнут процедурам концентрирования или обогащения для увеличения концентрации присутствующих микроорганизмов.In some embodiments, the sample may be grown on liquid growth media or liquid growth broth, or it may be subjected to concentration or enrichment procedures to increase the concentration of microorganisms present.

В некоторых вариантах осуществления образец может содержать биологические жидкости человеческого или животного происхождения.In some embodiments, the sample may contain body fluids of human or animal origin.

В некоторых вариантах осуществления этапы C, A2 получения спектра могут предусматривать предварительный этап очистки поверхностей устройства, контактирующих с образцом, например зоны 18 получения, показанной на фиг. 1.In some embodiments, spectrum acquisition steps C, A2 may include a preliminary step of cleaning device surfaces in contact with the sample, such as the acquisition zone 18 shown in FIG. one.

В некоторых вариантах осуществления можно получать фоновые спектры, например, с помощью непрерывного режима получения, чтобы проверить эффективность такой очистки, например, наблюдая исчезновение полос поглощения, связанных с примесями, осажденными на зоне 18 получения.In some embodiments, background spectra can be obtained, for example, using a continuous acquisition mode, to check the effectiveness of such cleaning, for example, by observing the disappearance of absorption bands associated with impurities deposited on the acquisition zone 18.

В некоторых вариантах осуществления этапы C, A2 получения спектра также предусматривают, что пробу образца берут и осаждают на кристалл 12 спектрофотометра, например на зоне 18 получения, с целью получения спектра.In some embodiments, steps C, A2 of obtaining a spectrum also provide that a sample of the sample is taken and deposited on the crystal 12 of the spectrophotometer, for example, on the zone 18 of the acquisition, in order to obtain a spectrum.

В некоторых вариантах осуществления пробу осаждают на зоне 18 получения в твердом виде, например, удаляя и осаждая ее с помощью одноразового стержня.In some embodiments, the sample is deposited on the receiving zone 18 in solid form, for example, by removing and depositing it with a disposable rod.

В некоторых вариантах осуществления проба может быть прижата к зоне 18 получения, например, с помощью динамометрического пресса.In some embodiments, the implementation of the sample can be pressed against the zone 18 receiving, for example, using a torque press.

В некоторых вариантах осуществления уровень сушки образца контролируют спектроскопически.In some embodiments, the level of drying of the sample is monitored spectroscopically.

В некоторых вариантах осуществления можно оценивать содержание воды, выходящей из устройства в непрерывном режиме получения, и контролируя уменьшение, вплоть до возможного полного исчезновения, полос поглощения, относящихся к спектральным характеристикам воды в соответствующих диапазонах волновых чисел.In some embodiments, it is possible to estimate the content of water leaving the device in a continuous mode of production, and control the reduction, up to the possible complete disappearance, of the absorption bands related to the spectral characteristics of water in the respective ranges of wave numbers.

В соответствии с настоящим изобретением спектр получают при достижении заданного стандартного уровня сушки образца.In accordance with the present invention, a spectrum is obtained upon reaching a predetermined standard level of sample drying.

Преимущественно, эта характеристика позволяет преодолеть или по меньшей мере ограничить проблему существующего уровня техники, при котором спектры могут иметь сигналы из-за присутствия воды, которые перекрывают или создают помехи специфическим сигналам микроорганизмов.Advantageously, this feature overcomes or at least limits the problem of the prior art whereby spectra can have signals due to the presence of water that override or interfere with the specific signals of microorganisms.

Эта характеристика также позволяет избежать процедур сушки образца, которые могли бы необратимо модифицировать анализируемые микроорганизмы.This feature also avoids sample drying procedures that could irreversibly modify the organisms being analyzed.

Этапы получения C, A2 спектра также обеспечивают запись спектра пробы, взятой из образца.Spectrum acquisition steps C, A2 also record the spectrum of the sample taken from the sample.

В некоторых вариантах осуществления спектр записывают в течение предварительно определенного периода времени.In some embodiments, the implementation of the spectrum is recorded for a predetermined period of time.

В некоторых вариантах осуществления спектр записывают в течение периода времени менее 30 секунд.In some embodiments, the implementation of the spectrum is recorded for a period of time less than 30 seconds.

В некоторых вариантах осуществления запись спектра обеспечивает получение предварительно определенного количества последовательных спектров, которые затем усредняют для повышения отношения сигнал/шум.In some embodiments, recording a spectrum provides a predetermined number of consecutive spectra, which are then averaged to improve the signal-to-noise ratio.

В некоторых вариантах осуществления может быть получено и усреднено от 8 до 512 спектров для каждой пробы, предпочтительно от 32 до 256 для каждой пробы, еще более предпочтительно от 64 до 128 для каждой пробы.In some embodiments, 8 to 512 spectra per sample can be acquired and averaged, preferably 32 to 256 per sample, even more preferably 64 to 128 per sample.

В некоторых вариантах осуществления спектр или, возможно, среднее значение спектров отображают на экране.In some embodiments, the spectrum, or possibly the average of the spectra, is displayed on a screen.

Этапы D, A3 обработки спектра или среднего значения спектров могут предусматривать следующее:Steps D, A3 for processing the spectrum or averaging the spectra may include the following:

- использование линейных и/или нелинейных алгоритмов интерполяции и/или подгонки (спектральный профиль);- use of linear and/or non-linear interpolation and/or fitting algorithms (spectral profile);

- вычисление первой и/или второй производной спектрального профиля;- calculation of the first and/or second derivative of the spectral profile;

- нормализацию производных с использованием алгоритма векторной нормализации по всему спектральному диапазону;- normalization of derivatives using the vector normalization algorithm over the entire spectral range;

- выбор наиболее полезных спектральных зон для классификации видов, подвидов или подклассов микроорганизмов.- selection of the most useful spectral zones for the classification of species, subspecies or subclasses of microorganisms.

Например, спектральные зоны могут содержать: диапазон 950-1280 см-1 для нуклеиновых кислот, углеводов и полисахаридов; 1280-1480 см-1 для крахмалов, например белков, метилов и метиленов, например липидов; 1700-1800 см-1 для карбонильных групп, например липидов; 2800-3000 см-1 для алифатических цепей, например липидов.For example, the spectral bands may include: a range of 950-1280 cm -1 for nucleic acids, carbohydrates and polysaccharides; 1280-1480 cm -1 for starches, such as proteins, methyls and methylenes, such as lipids; 1700-1800 cm -1 for carbonyl groups, such as lipids; 2800-3000 cm -1 for aliphatic chains, such as lipids.

В некоторых вариантах осуществления алгоритмы искусственного обучения (машинного обучения) могут быть использованы для улучшения процесса выбора спектральных диапазонов.In some embodiments, artificial learning (machine learning) algorithms may be used to improve the spectral band selection process.

Например, на фиг. 3а показаны спектры, которые могут быть собраны для различных образцов, в то время как фиг. 3b показаны обработанные спектры.For example, in FIG. 3a shows the spectra that can be collected from various samples, while FIG. 3b shows the processed spectra.

На фиг. 3а также в качестве примера показаны некоторые идентификационные спектральные характеристики, значимые для целей способа в соответствии с настоящим изобретением.In FIG. 3 also shows, by way of example, some identification spectral characteristics that are relevant for the purposes of the method according to the present invention.

В некоторых вариантах осуществления спектральные области и идентификационные спектральные характеристики используют затем для классификации и последующей идентификации отдельных видов, подвидов или подклассов микроорганизмов.In some embodiments, the implementation of the spectral regions and identification spectral characteristics are then used to classify and subsequently identify individual species, subspecies or subclasses of microorganisms.

В некоторых вариантах осуществления предусмотрена автоматическая система распознавания, позволяющая идентифицировать спектральные диапазоны и идентифицировать спектральные характеристики, представляющие наибольший интерес.In some embodiments, an automatic recognition system is provided to identify spectral ranges and identify spectral features of greatest interest.

Преимущественно наличие различных химических классов, таких как, например, нуклеиновые кислоты, липиды, белки, углеводы и другие составляющие микроорганизмов, позволяет получать характерные сигналы для каждого вида, подвида или подкласса микроорганизмов, так что можно получить расчетный способ.Advantageously, the presence of different chemical classes, such as, for example, nucleic acids, lipids, proteins, carbohydrates and other microorganism constituents, makes it possible to obtain characteristic signals for each microbial species, subspecies or subclass, so that a calculation method can be obtained.

Повторяя этапы A1, A2, A3 для нескольких известных образцов, можно подготовить базу данных эталонных спектров видов, подвидов или подклассов известных микроорганизмов.By repeating steps A1, A2, A3 for several known samples, a database of reference spectra of species, subspecies or subclasses of known microorganisms can be prepared.

Однако в некоторых вариантах осуществления настоящего способа также предусмотрено, что база данных может содержать спектры видов, подвидов или подклассов известных микроорганизмов, полученных с использованием других способов.However, some embodiments of the present method also provide that the database may contain spectra of species, subspecies or subclasses of known microorganisms obtained using other methods.

В некоторых вариантах осуществления база данных содержит спектры, относящиеся к мономикробным культурам, принадлежащим к различным видам, подвидам или подклассам известных микроорганизмов.In some embodiments, the database contains spectra related to monomicrobial cultures belonging to various species, subspecies, or subclasses of known microorganisms.

В некоторых вариантах осуществления база данных содержит спектры, относящиеся к различным штаммам известных микроорганизмов для каждого вида, подвида или подкласса известных микроорганизмов.In some embodiments, the database contains spectra related to different strains of known microorganisms for each species, subspecies, or subclass of known microorganisms.

В некоторых вариантах осуществления база данных содержит спектры, относящиеся к образцам, выращенным на различных питательных средах, например, но не только, агар-агар, агар CNA, агар CLED, кровяной агар, хромогенный агар.In some embodiments, the database contains spectra related to samples grown on various nutrient media, for example, but not limited to, agar-agar, CNA agar, CLED agar, blood agar, chromogenic agar.

В некоторых вариантах осуществления база данных содержит спектры, относящиеся к образцам, выращенным в жидкофазном бульоне для выращивания, которые затем центрифугируют, фильтруют или обогащают для получения гранул или концентрированных образцов.In some embodiments, the database contains spectra relating to samples grown in liquid phase growth broth, which are then centrifuged, filtered, or enriched to obtain pellets or concentrated samples.

Предпочтительно, спектры, полученные посредством выращивания в жидком бульоне и последующего гранулирования или фильтрации, могут быть использованы в качестве стандартных эталонных спектров, так как они не содержат помех, возникающих от матриц твердофазных питательных сред.Preferably, spectra obtained by broth growth and subsequent granulation or filtration can be used as standard reference spectra, since they do not contain interference from solid phase nutrient media matrices.

Преимущественно измерения спектров, полученных в результате выращивания в жидком бульоне и последующего гранулирования, фильтрации или обогащения, позволяют идентифицировать спектры непосредственно в присутствии биологических жидкостей, например жидкостей организма.Advantageously, measurements of spectra obtained from broth culture and subsequent granulation, filtration or enrichment allow the spectra to be identified directly in the presence of biological fluids, such as body fluids.

Такая неоднородность и вариабельность спектров, содержащихся в базе данных, позволяет проводить общий анализ, позволяющий идентифицировать множество видов, подвидов или подклассов микроорганизмов, множество различных штаммов для каждого отдельного вида, подвида или подкласса, включая также эффекты, возникающие при выращивании на различных питательных средах.Such heterogeneity and variability of the spectra contained in the database allows for a general analysis that allows the identification of many species, subspecies or subclasses of microorganisms, many different strains for each individual species, subspecies or subclass, including also the effects that occur when growing on different nutrient media.

В вариантах осуществления, в которых используют множественные получения каждого спектра, можно вставить в базу данных отдельные повторяющиеся спектры и/или усредненный спектр, рассчитанный на повторениях.In embodiments that use multiple acquisitions of each spectrum, individual repeated spectra and/or an average spectrum calculated over repetitions can be inserted into the database.

Предварительно рассчитанные модели или эталонные библиотеки, созданные или обновленные на этапе А4, могут быть основаны на наиболее значимых идентификационных спектральных характеристиках для целей анализа в выбранных спектральных диапазонах.The pre-calculated models or reference libraries created or updated in step A4 may be based on the most significant identifying spectral features for analysis purposes in the selected spectral ranges.

В некоторых вариантах осуществления наиболее значимые идентификационные спектральные характеристики могут быть связаны, например, с информацией о формах, размерах, интенсивностях и областях пиков поглощения, а также корреляциями и соотношениями между интенсивностями или между областями различных пиков.In some embodiments, the most significant identifying spectral characteristics may be related to, for example, information about the shapes, sizes, intensities, and areas of absorption peaks, as well as correlations and ratios between intensities or between areas of different peaks.

В некоторых вариантах осуществления предварительно рассчитанные модели могут содержать перечень идентификационных спектральных характеристик, значимых для каждой известной выборки видов, подвидов или подклассов известных микроорганизмов.In some embodiments, the pre-calculated models may contain a list of identifying spectral characteristics that are significant for each known sample of species, subspecies, or subclasses of known microorganisms.

В некоторых вариантах осуществления наиболее значимые идентификационные спектральные характеристики могут быть идентифицированы с помощью упомянутых способов статистического анализа и/или подходов, основанных на нейронных сетях и/или искусственном обучении.In some embodiments, the implementation of the most significant identification spectral characteristics can be identified using the mentioned methods of statistical analysis and/or approaches based on neural networks and/or artificial learning.

Эти предварительно рассчитанные модели позволяют быстро и автоматически идентифицировать наиболее значимые идентификационные спектральные характеристики для целей сравнения.These pre-calculated models allow you to quickly and automatically identify the most significant identification spectral features for comparison purposes.

Таким образом, каждый раз, когда сравнивают два спектра, сравнение может быть выполнено только в спектральных диапазонах и/или по отношению к спектральным характеристикам, представляющим наибольший интерес, а не по всему спектральному диапазону и/или по всем спектральным характеристикам.Thus, each time two spectra are compared, the comparison can be made only in the spectral ranges and/or in relation to the spectral features of greatest interest, and not in the entire spectral range and/or across all spectral features.

Например, если бы кто-то хотел сравнить во всем спектральном диапазоне спектр неизвестного образца, полученного с разрешением 1 см-1, с базой данных, содержащей, например, 18000 эталонных спектров, полученных с тем же разрешением, то это сравнение, выполняемое с использованием способов существующего уровня техники, потребовало бы оценки 65 миллионов точек.For example, if one wanted to compare, over the entire spectral range, the spectrum of an unknown sample obtained at a resolution of 1 cm -1 with a database containing, for example, 18,000 reference spectra obtained at the same resolution, then this comparison is performed using prior art methods would require an evaluation of 65 million points.

Заявитель установил, что при использовании способов в соответствии с настоящим изобретением, работающих на выбранных спектральных диапазонах и с предварительно рассчитанными моделями, это сравнение может потребовать в 20-80 раз меньше оценок точек, чем в способах существующего уровня техники.The Applicant has found that when using the methods of the present invention, operating on selected spectral bands and with pre-calculated models, this comparison can require 20 to 80 times fewer point estimates than prior art methods.

Таким образом, использование предварительно рассчитанных моделей позволяет значительно сократить время анализа для каждой неизвестной выборки даже при наличии больших баз данных.Thus, the use of pre-calculated models can significantly reduce the analysis time for each unknown sample, even in the presence of large databases.

Таким образом, эта характеристика позволяет существенно увеличить размер баз данных, чтобы они содержали большое число видов, подвидов или подклассов известных микроорганизмов, тем самым улучшая и расширяя прогностические и идентификационные возможности способа в соответствии с настоящим изобретением.Thus, this feature allows the size of databases to be substantially increased to contain a large number of species, subspecies or subclasses of known microorganisms, thereby improving and expanding the predictive and identification capabilities of the method of the present invention.

Эта характеристика также позволяет работать со спектрами даже при высоком разрешении, повышая достоверность и точность способа.This feature also makes it possible to work with spectra even at high resolution, increasing the reliability and accuracy of the method.

Более того, например, наличие списка может сделать излишним применение методов наименьших квадратов и/или возможных вычислений среднеквадратичных отклонений по всему диапазону волновых чисел для всех спектров.Moreover, for example, the presence of a list may make it redundant to apply least squares and/or possible calculations of standard deviations over the entire range of wavenumbers for all spectra.

В других вариантах осуществления предложено использовать модели искусственного обучения (машинного обучения) и искусственного интеллекта, чтобы совершенствовать систему автоматического распознавания и предварительно рассчитанные модели, постепенно по мере использования способа.In other embodiments, it is proposed to use artificial learning (machine learning) and artificial intelligence models to improve the automatic recognition system and pre-calculated models gradually as the method is used.

В некоторых вариантах осуществления этап E анализа предусматривает, что спектр неизвестного образца сравнивают с эталонными спектрами, содержащимися в эталонной базе данных, и/или с предварительно рассчитанными моделями.In some embodiments, analysis step E involves comparing the spectrum of the unknown sample with reference spectra contained in a reference database and/or with pre-calculated models.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения для такого сравнения могут быть использованы статистические методы.In some embodiments of the present invention, statistical methods may be used for such comparison.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения статистические методы могут содержать многомерный анализ, например анализ главных компонент (PCA) или линейный дискриминантный анализ (LDA), а также линейный дискриминантный частичный метод наименьших квадратов (LDPLS), квадратичный дискриминантный анализ (QD).In some embodiments of the present invention, statistical methods may include multivariate analysis, such as principal component analysis (PCA) or linear discriminant analysis (LDA), as well as linear discriminant partial least squares (LDPLS), quadratic discriminant analysis (QD).

В некоторых вариантах осуществления для упомянутого сравнения могут быть использованы способы, приемы или алгоритмы, реализующие подходы, основанные на нейронных сетях.In some embodiments, methods, techniques, or algorithms that implement approaches based on neural networks may be used for said comparison.

В некоторых вариантах осуществления для упомянутого сравнения могут быть использованы способы, приемы или алгоритмы, реализующие подходы, основанные на искусственном обучении (машинном обучении).In some embodiments, methods, techniques, or algorithms that implement approaches based on artificial learning (machine learning) may be used for said comparison.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения упомянутое сравнение может также обеспечивать сравнение первых и/или вторых производных спектров.In some embodiments of the present invention, said comparison may also provide a comparison of first and/or second derived spectra.

В некоторых вариантах осуществления можно использовать статистические веса для взвешивания различных областей спектров различными способами.In some embodiments, statistical weights can be used to weight different regions of the spectra in different ways.

В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения сравнение между двумя спектрами может быть выполнено посредством определения расстояния между двумя спектрами, например с использованием методов, основанных на наименьших квадратах.In some embodiments of the present invention, a comparison between two spectra can be performed by determining the distance between the two spectra, such as using least squares based methods.

В некоторых вариантах осуществления расстояние может использоваться в качестве метрики для проведения статистического и/или хемометрического анализа.In some embodiments, distance may be used as a metric for statistical and/or chemometric analysis.

В некоторых вариантах осуществления дисперсия между спектрами может быть использована для анализа PCA.In some embodiments, the implementation of the dispersion between the spectra can be used for PCA analysis.

В некоторых вариантах осуществления этап Е анализа дает показатель, например процент, принадлежности неизвестного образца к одному или нескольким видам, подвидам или подклассам, представленным в базе данных.In some embodiments, analysis step E provides an indication, such as a percentage, of the unknown specimen belonging to one or more of the species, subspecies, or subclasses represented in the database.

В некоторых вариантах осуществления этап Е анализа дает параметр достоверности, который оценивает достоверность анализа и, в частности, показателя принадлежности.In some embodiments, analysis step E provides a confidence parameter that evaluates the confidence of the analysis and, in particular, the membership score.

В некоторых вариантах осуществления этап F контроля обеспечивает обработку показателя принадлежности и параметра достоверности.In some embodiments, the control step F provides for the processing of the membership score and the confidence parameter.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, показатель принадлежности считают автоматически достоверным, если параметр достоверности анализа выше заданного уровня приемлемости. Например, если используют процентные оценки, то уровень приемлемости может быть выбран в диапазоне от 80% до 100% (блок G на фиг. 2).In accordance with some embodiments, a membership score is automatically considered significant if the assay confidence parameter is above a predetermined acceptance level. For example, if percentage scores are used, then the acceptance level can be selected in the range of 80% to 100% (box G in FIG. 2).

В некоторых вариантах осуществления, если невозможно однозначно идентифицировать неизвестные виды, подвиды или подклассы микроорганизмов с первой попытки, то можно повторить этапы С, D, Е и F для добавления новых данных и уточнения результата анализа.In some embodiments, if it is not possible to uniquely identify unknown species, subspecies, or subclasses of microorganisms on the first try, then steps C, D, E, and F can be repeated to add new data and refine the result of the analysis.

В некоторых вариантах осуществления это может быть выполнено, если параметр достоверности ниже второго заданного уровня приемлемости. Например, в вариантах осуществления, использующих показатели, выраженные в процентах, этот второй уровень может быть выбран в диапазоне от 70% до 80%.In some embodiments, this may be done if the confidence parameter is below a second predetermined acceptance level. For example, in embodiments using percentages, this second level may be selected in the range of 70% to 80%.

В этом случае способ предусматривает второй этап C получения, второй этап D обработки и второй этап E анализа, которые должны быть выполнены на второй пробе, взятой из неизвестного образца.In this case, the method includes a second preparation step C, a second processing step D and a second analysis step E to be performed on a second sample taken from an unknown sample.

Например, вторая проба может представлять собой другую колонию микроорганизмов, взятую из той же чашки Петри, в которой культивировали и выращивали неизвестный образец.For example, the second sample may be a different colony of microorganisms taken from the same Petri dish in which the unknown sample was cultured and grown.

Если образец находится в виде гранул, то вторая проба может быть взята, например, с помощью одноразового стержня из той же концентрированной гранулы, из которой была взята первая проба.If the sample is in the form of granules, then a second sample can be taken, for example, using a disposable rod from the same concentrated granule from which the first sample was taken.

После этого, если достоверность результата второго анализа снова ниже третьего заданного уровня приемлемости, например численно равна второму уровню приемлемости, то способ предусматривает сравнение сходства между двумя спектрами, полученными на первом этапе С получения и на втором этапе С получения.Thereafter, if the reliability of the result of the second analysis is again below the third predetermined acceptance level, for example numerically equal to the second acceptance level, then the method involves comparing the similarity between the two spectra obtained in the first acquisition step C and in the second acquisition step C.

Если установлено, что спектры аналогичны (блок II на фиг. 2), то способ в качестве результата анализа дает показатели принадлежности неизвестного образца к одному или нескольким видам, подвидам или подклассам микроорганизмов в соответствии с двумя получениями.If it is established that the spectra are similar (block II in Fig. 2), then the method as the result of the analysis gives indicators of belonging of the unknown sample to one or more species, subspecies or subclasses of microorganisms in accordance with two preparations.

Если спектры оказываются несогласованными, то предусмотрено проведение третьего анализа и выполнение третьего этапа C получения, третьего этапа D обработки и третьего этапа E анализа.If the spectra are found to be inconsistent, then a third analysis is performed and a third acquisition step C, a third processing step D and a third analysis step E are performed.

Если хотя бы два из трех спектров оказались сходными (блок I на фиг. 2), то способ в качестве результата анализа дает показатели принадлежности образца к видам, подвидам или подклассам микроорганизмов из базы данных, в соответствии с двумя из трех спектров.If at least two of the three spectra turned out to be similar (block I in Fig. 2), then the method as a result of the analysis gives indicators of the sample belonging to the species, subspecies or subclasses of microorganisms from the database, in accordance with two of the three spectra.

В противном случае (блок J на фиг. 2), отображают сообщение о неуспешной идентификации вместе со спектрами и тремя показателями принадлежности, относящимися к трем получениям.Otherwise (block J in Fig. 2), a message about unsuccessful identification is displayed along with the spectra and three membership indicators related to the three acquisitions.

В одном из вариантов осуществления предложена компьютерная программа или программное обеспечение, используемое для сбора данных и их анализа относительно базы данных, которая может быть записана на машиночитаемом носителе и которая содержит инструкции, которые при исполнении их устройством анализа для классификации и идентификации микроорганизмов происходит выполнение способа в соответствии с настоящим описанием.In one embodiment, a computer program or software is provided that is used to collect data and analyze it against a database that can be recorded on a computer-readable medium and that contains instructions that, when executed by an analysis device for classifying and identifying microorganisms, the method is executed in in accordance with this description.

Пример 1Example 1

Например, на фиг. 4 схематически показаны результаты компьютерного анализа A спектров, содержащихся в базе данных, в соответствии с настоящим изобретением. В частности, каждая точка на фиг. 4 соответствует спектру или среднему из полученных спектров, относящемуся к видам, подвидам или подклассам микроорганизмов, в соответствии с первыми двумя основными компонентами.For example, in FIG. 4 schematically shows the results of computer analysis A of the spectra contained in the database, in accordance with the present invention. In particular, each point in FIG. 4 corresponds to the spectrum or the average of the obtained spectra related to species, subspecies or subclasses of microorganisms, in accordance with the first two main components.

Спектры также были сгруппированы в зоны, расширение которых связано с изменчивостью спектров каждого вида, подвида или подкласса микроорганизмов, основанных на различных штаммах и/или различных питательных средах для каждого образца.The spectra were also grouped into zones, the expansion of which is associated with the variability of the spectra of each species, subspecies or subclass of microorganisms, based on different strains and/or different nutrient media for each sample.

Пример 2Example 2

Например, на фиг. 5 схематически показаны результаты LDA анализа спектров, содержащихся в базе данных, в соответствии с настоящим изобретением.For example, in FIG. 5 schematically shows the results of an LDA analysis of the spectra contained in the database, in accordance with the present invention.

В частности, каждая точка на фиг. 5 соответствует спектру или среднему из полученных спектров, относящемуся к видам, подвидам или подклассам микроорганизмов, в соответствии с первыми двумя компонентами.In particular, each point in FIG. 5 corresponds to the spectrum or the average of the obtained spectra, related to species, subspecies or subclasses of microorganisms, in accordance with the first two components.

Спектры также были сгруппированы в зоны, протяжение которых связано с изменчивостью спектров каждого вида, подвида или подкласса микроорганизмов, основанных на различных штаммах и/или различных питательных средах для каждого образца.The spectra were also grouped into zones, the extent of which is associated with the variability of the spectra of each species, subspecies or subclass of microorganisms, based on different strains and/or different nutrient media for each sample.

Пример 3Example 3

В одном варианте осуществления база данных в соответствии с настоящим изобретением была получена путем посева отобранных и сертифицированных микроорганизмов типа NNCCLS Atlanta в чашки Петри или на жидкую среду.In one embodiment, a database in accordance with the present invention was obtained by inoculating selected and certified microorganisms of the NNCCLS Atlanta type in Petri dishes or liquid media.

В этом варианте осуществления были получены специфические спектры для каждого отдельного микроорганизма, посеянного на чашку Петри или на жидкую среду; кроме того, каждый отдельный штамм был посеян в различные питательные среды с использованием чашек Петри от различных производителей жидких сред, чтобы проверить изменчивость спектров относительно условий роста.In this embodiment, specific spectra were obtained for each individual microorganism seeded on a Petri dish or liquid medium; in addition, each individual strain was inoculated into different culture media using Petri dishes from different liquid media manufacturers to check the variability of the spectra with respect to growth conditions.

Используемые среды были выбраны из следующих:The media used were selected from the following:

- CLED агар- CLED agar

- агар Макконки- MacConkey agar

- CNA агар- CNA agar

- кровяной агар.- blood agar.

Для каждого микроорганизма было получено 500 культур микроорганизмов, чтобы иметь широкое и полное тематическое исследование в отношении получения численного кластера, способного проверить корреляцию данных по сравнению с другими используемыми способами.For each microorganism, 500 microorganism cultures were obtained in order to have a wide and complete case study in relation to obtaining a numerical cluster capable of checking the correlation of data compared to other methods used.

На фиг. 6 представлены данные, полученные в пространстве первых двух главных компонент, где каждый вид представлен своим оттенком серого.In FIG. Figure 6 shows the data obtained in the space of the first two principal components, where each species is represented by its own shade of gray.

Пример 4Example 4

В одном варианте способ в соответствии с изобретением может быть использован для предсказания типа микроорганизма по методу Грама. Пример результатов по классификации Грам + Грам показан на фиг. 7.In one embodiment, the method in accordance with the invention can be used to predict the type of microorganism using the Gram method. An example of Gram + Gram classification results is shown in FIG. 7.

На панели а) на фиг. 7 показано представление пространства PCA, окрашенного как Грам+ (светло-серый) и Грам- (темно-серый).On panel a) in Fig. 7 shows a representation of the PCA space colored as Gram+ (light grey) and Gram- (dark grey).

На панели b) на фиг. 7 приведена матрица неточностей, показывающая "расчетные" данные по сравнению с "фактическими" данными, полученными с помощью способа.In panel b) in FIG. 7 is a confusion matrix showing "calculated" data compared to "actual" data obtained by the method.

На панели с) на фиг. 7 показаны результаты работы математического метода при расчете Грам-типа.In panel c) in FIG. 7 shows the results of the mathematical method when calculating the Gram-type.

Пример 5Example 5

В одном варианте осуществления способ может быть использован для идентификации видов, подвидов или подклассов микроорганизмов. См. фиг. 8, где показана матрица неточностей, полученная в результате проверки эффективности способа со спектрами базы данных в соответствии с настоящим изобретением, в матрице можно наблюдать соответствие от 99,9% до 96% между фактическим и расчетным значением.In one embodiment, the method can be used to identify species, subspecies or subclasses of microorganisms. See fig. 8, which shows the confusion matrix resulting from testing the effectiveness of the method with database spectra in accordance with the present invention, a 99.9% to 96% agreement between the actual and calculated value can be observed in the matrix.

Ясно, что в описанные выше в способ и/или устройство могут быть внесены изменения и/или дополнения частей или этапов без отклонения от области и объема применения настоящего изобретения. Ясно также, что, хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на некоторые конкретные примеры, специалист в данной области техники, несомненно, сможет получить много других эквивалентных форм способа и/или устройства, обладающих характеристиками, изложенными в формуле изобретения, и, следовательно, все они попадают под определенную таким образом область защиты.It is clear that changes and/or additions to parts or steps can be made to the method and/or apparatus described above without deviating from the scope and scope of the present invention. It is also clear that, although the present invention has been described with reference to some specific examples, a person skilled in the art will undoubtedly be able to obtain many other equivalent forms of a method and/or device having the characteristics set forth in the claims, and, therefore, all they fall under the scope of protection thus defined.

Claims (25)

1. Способ идентификации микроорганизмов в биологическом образце с помощью ИК спектроскопии с преобразованием Фурье в режиме нарушения полного внутреннего отражения (ATR-FTIR), содержащий:1. A method for identifying microorganisms in a biological sample using Fourier transform IR spectroscopy in total internal reflection violation mode (ATR-FTIR), containing: - этап (A1, A2, A3), на котором подготавливают базу данных эталонных спектров, связанных с известными образцами видов, подвидов и подклассов известных микроорганизмов;- step (A1, A2, A3), which prepare a database of reference spectra associated with known samples of species, subspecies and subclasses of known microorganisms; - один или несколько этапов (А4), на которых создают предварительно рассчитанные модели, исходя из указанной базы данных, на основе наиболее значимых идентификационных спектральных характеристик для каждого вида, подвида или подкласса известных микроорганизмов, при этом указанные характеристики связаны с информацией о формах, размерах, интенсивности и пиковых областях поглощения, а также корреляциях и соотношениях между интенсивностями или между различными пиковыми областями;- one or more steps (A4) in which pre-calculated models are created, based on a specified database, based on the most significant identification spectral characteristics for each species, subspecies or subclass of known microorganisms, while these characteristics are associated with information about shapes, sizes , intensities and peak absorption areas, as well as correlations and ratios between intensities or between different peak areas; - этап (B), на котором отбирают неизвестный образец, полученный из культуры, выращенной на твердых или жидких средах, возможно, с биологическими жидкостями;- step (B), in which an unknown sample is taken, obtained from a culture grown on solid or liquid media, possibly with biological fluids; - один или несколько этапов (C), на которых получают спектр неизвестного образца;- one or more steps (C) where the spectrum of the unknown sample is obtained; - один или несколько этапов (D), на которых обрабатывают спектр неизвестного образца;- one or more steps (D) in which the spectrum of the unknown sample is processed; - один или несколько этапов (E), на которых анализируют спектр неизвестного образца путем сравнения его с предварительно рассчитанными моделями, каждая из которых дает по меньшей мере некоторые показатели принадлежности, в виде процентов, неизвестного образца к одному или нескольким из указанных видов, подвидов или подклассов известных микроорганизмов, а также параметр достоверности указанных показателей принадлежности;- one or more steps (E) in which the spectrum of the unknown sample is analyzed by comparing it with pre-calculated models, each of which gives at least some indicator of belonging, in the form of percentages, of the unknown sample to one or more of the indicated species, subspecies or subclasses of known microorganisms, as well as the reliability parameter of the indicated indicators of belonging; - один или несколько этапов (F) контроля, на которых, исходя из указанных показателей принадлежности и указанного параметра достоверности, запрашивают новый этап получения спектра (С) неизвестного образца или предоставляют конечный результат способа, который содержит неуспешную идентификацию (J) или успешную идентификацию (G, H, I);- one or more stages (F) of control, in which, based on the specified indicators of membership and the specified parameter of reliability, a new stage of obtaining the spectrum (C) of an unknown sample is requested or the final result of the method is provided, which contains an unsuccessful identification (J) or a successful identification ( G, H, I); при этом на этапах (C, A2) получения информации выполняют спектроскопическое отслеживание уровня сушки образца, так что спектр получают только тогда, когда достигнут предварительно заданный стандартный уровень сушки.wherein the acquisition steps (C, A2) perform spectroscopic monitoring of the drying level of the sample so that a spectrum is obtained only when a predetermined standard drying level is reached. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что этапы (A1, A2, A3) подготовки базы данных эталонных спектров, связанных с известными видами, подвидами или подклассами известных микроорганизмов для каждого известного образца содержат:2. The method according to claim 1, characterized in that the steps (A1, A2, A3) of preparing a database of reference spectra associated with known species, subspecies or subclasses of known microorganisms for each known sample contain: - этап (A1), на котором отбирают известный образец, полученный из культуры, выращенной на твердых или жидких средах в присутствии или отсутствии биологических жидкостей;- step (A1), which select a known sample obtained from a culture grown on solid or liquid media in the presence or absence of biological fluids; - один или несколько этапов (A2), на которых получают спектр известного образца;- one or more steps (A2) where the spectrum of a known sample is obtained; - один или несколько этапов (A3), на которых обрабатывают спектр известного образца.- one or more steps (A3) in which the spectrum of a known sample is processed. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что эталонные спектры содержат спектры, связанные с образцами различных видов, подвидов или подклассов микроорганизмов и/или различных штаммов тех же самых видов, подвидов или подклассов микроорганизмов и/или выращенных на различных питательных средах с биологическими жидкостями или без них.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the reference spectra contain spectra associated with samples of different species, subspecies or subclasses of microorganisms and / or different strains of the same species, subspecies or subclasses of microorganisms and / or grown on different nutrient environments with or without biological fluids. 4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что неизвестный образец выращен на твердой питательной среде.4. The method according to any of the previous paragraphs, characterized in that the unknown sample is grown on a solid nutrient medium. 5. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что по меньшей мере один из указанных известных образцов выращен на твердой питательной среде.5. The method according to any of the preceding paragraphs, characterized in that at least one of these known samples is grown on a solid nutrient medium. 6. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что указанный неизвестный образец выращен по меньшей мере в одном жидком бульоне для выращивания, а затем центрифугирован или фильтрован или обогащен для получения гранул или концентрированного образца, причем для получения указанного спектра выделяют образцы из указанной гранулы или концентрированного образца.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that said unknown sample is grown in at least one liquid growth broth and then centrifuged or filtered or enriched to obtain granules or a concentrated sample, wherein samples are isolated from said spectrum to obtain said spectrum. granules or concentrated sample. 7. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что по меньшей мере один из указанных известных образцов выращен по меньшей мере в одном жидком бульоне для выращивания, а затем центрифугирован или фильтрован или обогащен для получения гранул или концентрированного образца, при этом для получения указанного спектра выделяют образцы из указанной гранулы или концентрированного образца.7. The method according to any of the preceding claims, characterized in that at least one of said known samples is grown in at least one liquid growth broth, and then centrifuged or filtered or enriched to obtain granules or a concentrated sample, while to obtain of the specified spectrum, samples are isolated from the specified granule or concentrated sample. 8. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что на этапе (D, A3) обработки используют алгоритмы, которые автоматически идентифицируют наиболее значимые идентификационные спектральные характеристики образцов в предварительно установленных спектральных диапазонах.8. A method according to any one of the preceding claims, characterized in that the processing step (D, A3) uses algorithms that automatically identify the most significant identifying spectral characteristics of the samples in predetermined spectral ranges. 9. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что на этапе (E) анализа применяют статистические методы, такие как многомерный анализ.9. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that step (E) of the analysis uses statistical methods such as multivariate analysis. 10. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что на этапе (E) анализа применяют методы, основанные на анализе главных компонент (PCA).10. A method according to any one of the preceding claims, characterized in that in step (E) of the analysis methods based on principal component analysis (PCA) are used. 11. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что на этапе (E) анализа применяют методы на основе нейронных сетей.11. A method according to any one of the preceding claims, characterized in that the analysis step (E) uses methods based on neural networks. 12. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что на этапе (E) анализа применяют методы на основе анализа кластеров спектров.12. A method according to any one of the preceding claims, characterized in that in step (E) of the analysis methods are applied based on the analysis of clusters of spectra. 13. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что указанные предварительно рассчитанные модели содержат список указанных идентификационных спектральных характеристик для каждого образца, как известного, так и неизвестного.13. A method according to any one of the preceding claims, characterized in that said pre-calculated models contain a list of said identification spectral characteristics for each sample, both known and unknown. 14. Устройство для выполнения способа идентификации микроорганизмов в биологическом образце по любому из пп. 1-13, содержащее спектрофотометр для ИК спектроскопии с преобразованием Фурье в режиме нарушения полного внутреннего отражения, связанный с системой обработки и системой отображения данных в компьютере (15), причем указанный спектрофотометр для ИК спектроскопии с преобразованием Фурье в режиме нарушения полного внутреннего отражения содержит источник (13) инфракрасного излучения (17), отражающие элементы (16), элемент полного внутреннего отражения, такой как кристалл (12), и детектор (14); указанное устройство имеет зону (18) получения информации, заданную на поверхности указанного кристалла (12), на которой размещается анализируемый образец, причем в указанном компьютере (15) сохранены указанные предварительно рассчитанные модели, связанные с известными образцами видов, подвидов и подклассов известных микроорганизмов, исходя из базы данных, на основе наиболее значимых идентификационных спектральных характеристик для каждого вида, подвида или подкласса известных микроорганизмов, причем указанные характеристики связаны с информацией о формах, размерах, интенсивности и пиковых областях поглощения, а также корреляциях и соотношениях между интенсивностями или между различными пиковыми областями.14. A device for performing a method for identifying microorganisms in a biological sample according to any one of paragraphs. 1-13, containing a spectrophotometer for Fourier transform IR spectroscopy in the total internal reflection violation mode, associated with a processing system and a data display system in a computer (15), and the specified spectrophotometer for Fourier transform IR spectroscopy in the total internal reflection violation mode contains a source (13) infrared radiation (17), reflective elements (16), a total internal reflection element such as a crystal (12), and a detector (14); said device has an information acquisition zone (18) defined on the surface of said crystal (12), on which the analyzed sample is placed, and said computer (15) stores said pre-calculated models associated with known samples of species, subspecies and subclasses of known microorganisms, from a database, based on the most significant identifying spectral characteristics for each species, subspecies or subclass of known microorganisms, these characteristics being associated with information about shapes, sizes, intensities and peak absorption areas, as well as correlations and ratios between intensities or between different peak areas.
RU2020128820A 2018-02-02 2019-01-31 Method for identification of microorganisms, using practical spectroscopy RU2782888C2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT102018000002353 2018-02-02
IT201800002353A IT201800002353A1 (en) 2018-02-02 2018-02-02 BACTERIAL IDENTIFICATION PROCESS THROUGH MULTIVARIATE ANALYSIS OF SPECTRAL PROFILES
PCT/IT2019/050025 WO2019150408A1 (en) 2018-02-02 2019-01-31 Method to identify microorganisms using spectroscopic technique

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2020128820A RU2020128820A (en) 2022-03-03
RU2782888C2 true RU2782888C2 (en) 2022-11-07

Family

ID=

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SOUSA C. et al., "Discrimination of the Acinetobacter calcoaceticus - Acinetobacter baumannii complex species by Fourier transform infrared spectroscopy"; European journal of clinical microbiology & infections diseases, 2014, v. 33, N 8, p.1348, 1349. WHITTAKER P. et al. "Identification of foodborne bacteria by infrared spectroscopy using cellular fatty acid methyl esters"; Journal of microbiological methods, 2003, v. 55 p.709-716. HUHU WANG et al., "In situ characterization and analysis of Salmonella biofilm formation under meat processing environments using a combined microscopic and spectroscopic approach"; International journal of food microbiology, 2013,v. 167, p.293-302. СУНЦОВА А.Ю. и др. "Идентификация микроорганизмов с помощью инфракрасных фурье-спектров"; Вестник РГМУ, 2018, N 4, с. 57-65. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ngo-Thi et al. Characterization and identification of microorganisms by FT-IR microspectrometry
Sivakesava et al. Simultaneous determination of multiple components in lactic acid fermentation using FT-MIR, NIR, and FT-Raman spectroscopic techniques
US20220364985A1 (en) Method and system to identify microorganisms
JP5588977B2 (en) Methods and systems for detection and / or characterization of biological particles in a sample
US9551654B2 (en) Method for the spectral identification of microorganisms
US5112745A (en) Rapid identification of microbial organisms and determination of antibiotic sensitivity by infrared spectroscopy
EP2174116B1 (en) Method for typing an individual strain of micro-organism species
Duygu et al. Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy for biological studies
JP7271561B2 (en) Method for identifying microorganisms using spectroscopic techniques
Foca et al. The potential of spectral and hyperspectral-imaging techniques for bacterial detection in food: A case study on lactic acid bacteria
US20080102487A1 (en) Method and apparatus for non-invasive rapid fungal specie (mold) identification having hyperspectral imagery
Amiali et al. Rapid identification of community-associated methicillin-resistant Staphylococcus aureus by Fourier transform infrared spectroscopy
RU2782888C2 (en) Method for identification of microorganisms, using practical spectroscopy
Keirsse et al. Mapping bacterial surface population physiology in real-time: Infrared spectroscopy of Proteus mirabilis swarm colonies
Buzalewicz et al. Integrated multi-channel optical system for bacteria characterization and its potential use for monitoring of environmental bacteria
Lambrecht et al. Moving towards in-line monitoring of phenolic extraction during red wine fermentations using infra-red spectroscopy technology. Influence of sample preparation and instrumentation
RU2798738C1 (en) Method and system for identifying microorganisms
JP2021506286A (en) Methods for identifying yeast or bacteria
JP2005055180A (en) Bacterium identification device and method
DeSouza et al. Diffuse reflectance infrared fourier transform spectroscopic (DRIFTS) investigation of E. coli, Staphylococcus aureus and Candida albicans
Naumann FT-IR spectroscopy of microorganisms at the Robert Koch Institute: experiences gained during a successful project
Yang et al. Rapid differentiation and identification of Shigella sonnei and Escherichia coli O157: H7 by Fourier transform infrared spectroscopy and multivariate statistical analysis
WO2021106156A1 (en) Method and device for predicting growth of microorganism
Dzhongova Monitoring bacterial growth in liquid cultures through the bulk optical parameters in the near-infrared region extracted using the radiative transfer theory
Bae et al. Nano-Optical Sensors for Food Safety and Security