FTIR技术创新应用之微生物精准分型——寻找光谱仪器“创新的力量”系列约稿

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》把创新放在了具体任务的第一位，全文160余次提到了“创新”关键词。2022年第十三届全国人民代表大会第五次会议上，国务院总理李克强所作的政府工作报告中，亦明确指出要坚持创新驱动发展。对科学仪器产业而言，“创新”更是至关重要。近年来，我国对科学仪器的创新和研发高度重视，先后设立了“科学仪器基础研究专项”、“国家重大科研仪器设备研制专项”和“国家重大科学仪器设备开发专项”等科研计划等。2021年11月，北京“十四五”规划也指出要支持开展关键仪器设备研发，支持挖掘一批服务于重大科技基础设施的定制化科学仪器和设备，重点突破研发新一代光谱等关键技术。

不断高攀的前沿研究是创新，差异化的产品发展也是创新。为了展现光谱仪器的创新成果，分享光谱仪器研发和应用中的创新思维，共同促进光谱仪器产业化的创新发展，仪器信息网特别策划《寻找光谱仪器创新的力量》活动。本期，我们特别邀请了宁波大学余绍宁课题组的冯彬助理研究员，给大家分享创新成果，并探讨创新的方法和思维。

宁波大学余绍宁课题组的冯彬助理研究员

仪器信息网：您认为目前光谱仪器技术及应用有哪些创新的研究方向？您最看好的是什么？

冯彬：得益于我国科学技术及国民经济的快速发展，特别是对科学仪器的创新和研发越来越重视，近年来，国家相继推出了一系列科学仪器专项重点研发计划，其中不乏红外光谱、拉曼光谱及高光谱等多项光谱技术。这些光谱技术不断发展、创新，也与其他学科交叉融合，产生了新的研究方向和应用领域。基于红外吸收光谱的微生物检测技术就是一项崭新的应用方向，该技术将传统的傅里叶变换红外光谱技术（FTIR）创新性的应用到了生命科学领域，具有重要的研究意义和实用价值。

图1 微生物的红外吸收光谱

基于FTIR技术的微生物分型原理是通过采集微生物的核酸及多糖等物质的红外吸收指纹图谱，对这些指纹图谱数据进行分类分析，从而可进行亚种或菌株级别的分型。在临床多用于院内感染菌的溯源分析或菌株的耐药性研究，也可用于工业、农业微生物的精准检测。红外指纹图谱分析法的突出特点是快速、便捷、低成本和高准确性。红外指纹图谱技术样本预处理环节简单，无需进行蛋白或核酸的提取，多数情况可直接对细胞进行检测，同时分析计算环节可高度自动化，无需复杂的人工经验及辅助判断。微生物红外指纹图谱法的快速、便捷、高准确率和低成本的突出优势，使得该技术近几年得以蓬勃发展，得到了微生物检测领域的广泛关注。

仪器信息网：贵课题组有哪些创新的成果？最突出的创新体现在哪里？

冯彬：我课题组长期以来一直关注红外光谱技术在生命科学领域相关研究及应用，并发表了系列有重要国际影响力的高水平论文，解决了FTIR技术在生物分析领域广泛应用的核心技术瓶颈，论文被Science、Nature等权威杂志引用。经过我们不断的尝试和积累，近期，我团队推出了国内首套，也是继德国布鲁克公司IR Biotyper系统以来的全球第二套完整的红外微生物分型系统。

最突出的创新是基于传统傅里叶变换红外吸收光谱技术，建立了适用于微生物分型的专用分析方法，包括样品的前处理方法、仪器参数方法、微生物指纹图谱预处理算法及微生物指纹图谱的分析计算方法。基于上述研究，研制了红外微生物分型所需的多通道靶板（48孔/96孔）及全自动进样系统，并开发了专用的分析计算软件，最终，借助于该系统，可实现对微生物快速精准分型。

仪器信息网：您认为科研创新的力量从哪里来？

冯彬：科研创新的力量来源于扎实的知识积累和敏锐的察觉能力，而科研创新的成功取决于坚忍不拔、锲而不舍的持续努力。只有对所关注学科领域进行长期的、深入的研究，才能不断积累对该领域的认知和理解，养成扎实的基本功，做到举重若轻，这是科研创新的基础；在此基础上，对相关研究领域或可能产生交叉的研究领域进行敏锐的观察，了解该领域目前所存在的痛点和诉求，这是开启科研创新大门的钥匙；而循环往复的尝试、摸索和改进则是科研成功的保障。这些也将铸造课题组的科学研究习惯和风气，需要长期的养成和积累。

仪器信息网：贵课题组是否有成功的成果转化案例分享？

冯彬：我课题组研制的红外微生物分型系统已经通过传鸣（宁波）化学科技有限公司进行转化，形成产品CM-IR Biotyper 红外微生物分型系统，且于近日通过了宁波市镇海区经济和信息化局组织的新产品新技术专家鉴定验收。该产品有望成为未来微生物分型分析的主流手段，在医院、疾控中心、检验检疫、海关等机构大面积推广使用，因此构建符合我国本地化应用需求、具有自有产权技术的红外分型整体解决方案，并实现产品转化具有重要的现实意义。由于红外光谱仪器较小、价格低廉，尤其适合在条件相对较差的二级医院使用，因此具有广泛的应用场景和市场前景。

图2 宁大/传鸣化学CM-IR Biotyper 红外微生物分型系统

仪器信息网：您如何评价当前科学仪器技术及方法成果转化的现状？有哪些创新的模式可以更好的促进科科研成果到生产力的转化？

冯彬：目前，科学仪器技术及方法的成果转化越来越多，但从科研成果到市场所认可的产品的转化也存在一些共性的问题。比如，知识产权的保护以及产品的推广等。在转化过程中，应注重对所形成知识产权的保护，明确产权的归属和关键技术的转化工艺等，从而保障成果的顺利转化；另外，在产品的推广和销售层面，由于市场对新技术或新方法的认知度往往较弱，加上技术开发团队通常对市场宣传和销售策略等缺少经验，因此，应加强战略合作，寻求与自身互补的合作团队，特别是注重市场和销售方面的布局，促进成果的顺利转化落地。

仪器信息网：光谱技术的新发展改变大家对传统技术认知的同时，也在改变着大家的生活。请展望：创新的光谱技术将给生产生活带来哪些变化？

冯彬：其实不管大众是直接或间接利用光谱技术，它都在悄然改变人们的生产生活。随着人们对健康、环保的更高追求，能够满足更精准、更便捷、低排放和高效率的光谱新技术必将在市场大环境的带动和引领下快速发展，为大众带来更好的应用体验。作为科研工作者，应该敏锐的把握社会的需求和技术的前沿方向，助力光谱技术的持续发展。

课题组介绍：

宁波大学材料科学与化学工程学院，质谱研究院余绍宁课题组长期关注质谱、光谱等技术在生命科学领域的研究及应用。主要研究领域分为以下三个主要方向：

1）微生物领域：用红外光谱、质谱方法研究微生物的分类和分型，特定领域微生物质谱和红外数据库的建立；研究复杂条件下微生物捕获的新方法和技术；应用拉曼增强光谱在微生物分析鉴定中的应用； 2）蛋白质结构领域：用光谱技术研究结合纳米材料后蛋白质结构或构象的变化，以阐述纳米粒子作为药物或药物载体对所结合蛋白结构及其功能的影响；研究一些蛋白药物或其他功能蛋白在其他相关分子作用下的结构或构象变化以及所产生的生理影响； 3）临床检验技术：研究各种肿瘤的血清质谱鉴定方法；对一些临床疾病检测方法进行完善和新方法的研究。

项目申请团队发表了系列有重要国际影响的高水平论文，特别是在傅里叶变换红外光谱（FT-IR）相关研究中，解决了该技术在生物分析领域广泛应用的核心技术瓶颈。据权威机构查询，相关论文Acta Biochimica et Biophysica Sinica 2008, 39(8), 549和Nature Protocols 2015, 10(3): 382的发表受到高度关注，总他引接近3000余次，曾被Science、Nature、Nature Protocol、Chemical Society、Chemical Society Review 等专业科学杂志引用，引用学者广度达90个国家。

课题组负责人余绍宁简介：

复旦大学化学系学士、硕士；中国科学院应用物理所博士。曾在美国德克萨斯大学医学分校、哈佛大学医学院做博士后，耶鲁大学访问教授。1990.07-2001.02任职海军医学研究所助理研究员及副研究员；2005.09 -2019.10复旦大学化学系任教授、博士生导师。2019.10以“学术领军人物”引至宁波大学。先后承担多项国家自然科学基金委员会重点项目、国家科技部重大研究计划项目、国家科技部973项目分题、上海市人才基金项目等。

（作者：宁波大学余绍宁课题组 冯彬）