一种肠道菌群快速光谱检测装置和方法

本发明涉及肠道菌群检测，具体为一种肠道菌群快速光谱检测装置和方法。

背景技术：

1、肠道内定植了数量众多，种类丰富的肠道菌群，它们和宿主形成了互利共生的关系，对人类行为产生重要影响，是人体的“重要器官”。除了维持健康的作用外，肠道菌群的破坏或生态失调越来越多地与一系列疾病有关。例如，肠道菌群组成的变化与肥胖和糖尿病等代谢紊乱有关。这些变化可以改变代谢途径，导致能量受激和炎症增加，从而促进疾病的发生。宿主-微生物代谢轴是宿主细胞通路与各种微生物物种之间的多向通信系统。在该轴内，不同的微生物通过产生对宿主健康至关重要的胆胆酸、胆碱和短链脂肪酸来依次调节代谢反应，肠-器官轴的建立与研究可以帮助人类发现肠道菌群与各器官之间的关系，最终阐明潜在的疾病机制，进而研究多种疾病如糖尿病、神经退行性疾病、癌症和自身免疫性疾病等疾病的治疗干预手段。因此肠道菌群的检测对于研究其与机体健康与疾病之间的关系至关重要。

2、目前研究多使用16s rrna基因组测序技术对肠道菌群进行检测。16srrna可获得大量菌属及菌种信息，并对可菌群组成、丰度、多样性等进行研究和分析。但该检测方法耗时长、费用高，通常需要3-15天才能获得结果，费用大约400元。时间成本和经济成本限制了基因测序技术在肠道菌群快速筛查和疾病监测方面的应用。而对于肠道菌群检测，除了高通量基因测序外，还有菌落群培养、便常规和涂片镜检、肠道气体分析等方法，无一不是耗时耗钱的检测方法。

3、光谱检测在细菌检测方面有一定的应用。比如表面增强拉曼光谱可用来鉴定几种不同耐药株或者几种致病菌，太赫兹光谱可利用细菌水含量的差异鉴定活菌和死菌等不同细菌状态等。研究最多的是基于细菌内光受体表达差异的可见光-近红外光的吸收光谱，和基于细菌内源性光敏剂的荧光光谱。吸收光谱与荧光光谱均被证明可以用来检测区分细菌，但均具有一定局限性，对于肠道菌群这样含有500-1000种不同种类的细菌来说，单一的光谱手段很难实现肠道菌群的分类检测。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于为了解决上述至少一个技术问题而提供一种肠道菌群快速光谱检测装置和方法。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种肠道菌群快速光谱检测装置，包括：吸收光谱光源，荧光激发光源，垂直双通道比色皿支架，可调谐滤光片，光谱仪和分析终端；其中，所述垂直双通道比色皿支架上设置比色皿，所述比色皿内盛放待测样品，所述吸收光谱光源和所述荧光激发光源的出射光呈垂直方向照射所述比色皿，经过所述比色皿的透射光和由激发光激发所述待测样品产生的发射荧光通过所述可调谐滤光片滤光之后出射到所述光谱仪上；所述分析终端与所述光谱仪通信连接；所述吸收光谱光源，用于发出预设吸收光谱范围的透射光；所述荧光激发光源，用于发出多个特征性荧光激发波长的激发光；所述可调谐滤光片，用于过滤激发光；所述光谱仪，用于获取所述待测样品的吸收光谱数据和所述多个特征性荧光激发波长对应的荧光光谱数据；所述分析终端，用于基于所述吸收光谱数据和所述荧光光谱数据和训练好的肠道菌群物种分类与检测模型，确定所述待测样品的肠道菌群种类和丰度信息。

3、进一步地，所述吸收光谱光源与所述比色皿之间还设置透射光入射光纤，所述荧光激发光源与所述比色皿之间还设置激发光入射光纤，所述比色皿与所述可调谐滤光片之间还设置第一出射光纤，所述可调谐滤光片与所述光谱仪之间还设置第二出射光纤。

4、进一步地，所述透射光入射光纤与所述第一出射光纤同轴设置，所述激发光入射光纤的光轴与所述第一出射光纤的光轴共面且垂直相交设置。

5、进一步地，所述预设吸收光谱范围的透射光，包括：波长为200nm-1000nm的白光。

6、进一步地，所述多个特征性荧光激发波长，包括：350nm、380nm、400nm、420nm、470nm、500nm、540nm、570nm、680nm、690nm。

7、进一步地，所述可调谐滤光片的波长比所述荧光激发光源的激发光波长红移20nm-30nm。

8、第二方面，本发明实施例还提供了一种肠道菌群快速光谱检测方法，应用于本发明提供的肠道菌群快速光谱检测装置；所述方法包括：将待测样品放入所述比色皿中，并将所述比色皿放置于所述垂直双通道比色皿支架上；控制所述吸收光谱光源照射所述比色皿，并通过所述光谱仪获取所述待测样品的吸收光谱数据；控制所述荧光激发光源分别以所述多个特征性荧光激发波长的激发光照射所述比色皿，并通过所述光谱仪获取多个特征性荧光激发波长的激发光激发所述待测样品产生的荧光对应的荧光光谱数据；将所述吸收光谱数据和所述荧光光谱数据输入到训练好的肠道菌群物种分类与检测模型中，得到所述待测样品的肠道菌群种类和丰度信息。

9、进一步地，所述方法还包括：获取肠道菌群所有可培养的单菌株的多光谱数据；基于所述多光谱数据，提取每个单菌株的光谱特征；将所述光谱特征按照肠道菌群种类对预设分类器进行聚类训练，得到所述训练好的肠道菌群物种分类与检测模型。

10、进一步地，所述方法还包括：将所述吸收光谱数据和所述荧光光谱数据输入到训练好的人群分类模型，得到所述待测样品对应的人群分类结果。

11、第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括：存储器、处理器和存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第二方面所述的方法。

12、本发明提供了一种肠道菌群快速光谱检测装置和方法，将肠道菌群光受体吸收光谱和内源性光敏剂的荧光光谱相结合，可以得到肠道菌群更加完善的光谱特征信息，从而增强光谱检测鉴定细菌的能力，并且可以实现短时间内的快速检测，缓解了现有技术存在的耗时长、费用高以及单一光谱手段很难实现肠道菌群分类检测的技术问题。

技术特征：

1.一种肠道菌群快速光谱检测装置，其特征在于，包括：吸收光谱光源，荧光激发光源，垂直双通道比色皿支架，可调谐滤光片，光谱仪和分析终端；其中，所述垂直双通道比色皿支架上设置比色皿，所述比色皿内盛放待测样品，所述吸收光谱光源和所述荧光激发光源的出射光呈垂直方向照射所述比色皿，经过所述比色皿的透射光和由激发光激发所述待测样品产生的发射荧光通过所述可调谐滤光片滤光之后出射到所述光谱仪上；所述分析终端与所述光谱仪通信连接；

2.根据权利要求1所述的肠道菌群快速光谱检测装置，其特征在于：所述吸收光谱光源与所述比色皿之间还设置透射光入射光纤，所述荧光激发光源与所述比色皿之间还设置激发光入射光纤，所述比色皿与所述可调谐滤光片之间还设置第一出射光纤，所述可调谐滤光片与所述光谱仪之间还设置第二出射光纤。

3.根据权利要求2所述的肠道菌群快速光谱检测装置，其特征在于：所述透射光入射光纤与所述第一出射光纤同轴设置，所述激发光入射光纤的光轴与所述第一出射光纤的光轴共面且垂直相交设置。

4.根据权利要求1所述的肠道菌群快速光谱检测装置，其特征在于：所述预设吸收光谱范围的透射光，包括：波长为200nm-1000nm的白光。

5.根据权利要求1所述的肠道菌群快速光谱检测装置，其特征在于：所述多个特征性荧光激发波长，包括：350nm、380nm、400nm、420nm、470nm、500nm、540nm、570nm、680nm、690nm。

6.根据权利要求1所述的肠道菌群快速光谱检测装置，其特征在于：所述可调谐滤光片的波长比所述荧光激发光源的激发光波长红移20nm-30nm。

7.一种肠道菌群快速光谱检测方法，其特征在于：应用于权利要求1所述的肠道菌群快速光谱检测装置；所述方法包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述方法还包括：

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述方法还包括：

10.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器和存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求7-9任一项所述的方法。

技术总结本发明公开了一种肠道菌群快速光谱检测装置和方法，涉及肠道菌群检测技术领域，包括：吸收光谱光源，荧光激发光源，垂直双通道比色皿支架，可调谐滤光片，光谱仪和分析终端；垂直双通道比色皿支架上设置比色皿，比色皿内盛放待测样品，吸收光谱光源和荧光激发光源的出射光呈垂直方向照射比色皿，经过比色皿的透射光和由激发光激发待测样品产生的发射荧光通过可调谐滤光片滤光之后出射到光谱仪上；分析终端用于基于吸收光谱数据和荧光光谱数据和训练好的肠道菌群物种分类与检测模型，确定待测样品的肠道菌群种类和丰度信息。本发明缓解了现有技术存在的耗时长、费用高以及单一光谱手段很难实现肠道菌群分类检测的技术问题。技术研发人员：阴慧娟,董晓曦,戴建武受保护的技术使用者：中国医学科学院生物医学工程研究所技术研发日：技术公布日：2024/11/18