Identification of bacteria in a bacterial mixture using Raman spectroscopy

Abstract

Özellikle karışım halinde bulunan patojen bakterilerin hızlı, doğru ve güvenilir tespit yöntemine olan ihtiyaç her geçen gün artmaktadır. İlk mikroorganizmanın keşfinden bu yana, büyük kısmı onların biyokimyasal ve immünolojik özelliklerine dayanan birçok tespit yöntemi geliştirilmiştir. Buna karşın uzun test öncesi ve test süresi, pahalı ve ağır cihazlar, iyi eğitmli ve tecrübeli personel bulundurma zorunluluğu bu yöntemlerin dezavantajlarından bazısıdır.Raman tayfölçümü bakteri hücrelerinin hızlı tespit ve teşhisi için gelecek vadeden bir tekniktir. Bu yöntem, test öncesi işlemlerine gerek duymadan doğrudan örnek üzerine uygulanabilir.Bu çalışmanın amacı, Raman tayfölçümünün, karışım halinde bulunan bakteri hücrelerinin teşhisi için hızlı, güvenilir ve uygulanabilir bir yöntem olduğunu göstermektir. Bu amaca ulaşmak için model olarak beş farklı bakteri türü kullanıldı (Escherichia coli' nin BFK13, BHK7 and DH5alpha alt türleri, Proteus vulgaris ve Shigella sonnei). İlk olarak bu bakterilerin ikili ve üçlü karışımları hazırlandı, daha sonra her bir mikroorganizmadan ve onların ikili ve üçlü karışımlarından Raman tayfı elde edildi. Toplanan veriler işlendikten ve istatistiksel olarak SPSS yazılımında çözümlendikten sonra iki boyutlu Öklid uzaklığı haritalarını çizmek için uygulandı. Sonuç olarak her bakterinin ve onların karışımlarının Raman tayfının çok benzer olduğunu, bunun yanında türlerin tayfını temsil eden her noktanın iki boyutlu Öklid uzaklığı haritalarının farklı koordinatlarına denk geldiğini gösterilmiştir.

The need for a quick, accurate and reliable method for detection of pathogenic bacteria, especially in mixture, is increasing day by day. A lot of detection methods have been developed since the discovery of the first microorganism, most of which are based on biochemical and immunological properties. However, their long sample preparation and procedure times, expensive and heavy instrumentation and need for both well- educated and trained staff are some of the disadvantages of these methods.Raman spectroscopy is a promising technique for fast detection and identification of bacterial cells. It can be applied directly on the sample and there is no need for pre- test procedures.Considering the facts about Raman spectrometry which is a fast, reliable and feasible method for identification of bacterial cells in a mixture was the goal of this study. To achieve this goal five different bacteria (BFK13, BHK7 and DH5alpha varieties of Escherichia coli, Proteus vulgaris and Shigella sonnei) were used together as a model. First, the binary and ternary mixtures of bacteria were prepared. Then, Raman spectra were obtained from particular microorganism and their binary and ternary mixtures. When collected data were processed and statistically analyzed using SPSS software they were applied to plot 2D charts of Euclidean distance. As a result, it was shown that Raman spectra of each bacterium and their mixtures are very similar. However, each spot representing spectra of species fall at different coordinate on 2D charts of Euclidean distance.