High-Speed Diagnosis of Bacterial Pathogens at the Single Cell Level by Raman Microspectroscopy with Machine Learning Filters and Denoising Autoencoders

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作者
Jiabao Xu,Xiaofei Yi,Jin Gui-lan,Di Peng,Gaoya Fan,Xiaogang Xu,Xin Chen,Huabing Yin,Jonathan M. Cooper,Wei E. Huang
出处
期刊:ACS Chemical Biology [American Chemical Society]
卷期号:17 (2): 376-385 被引量:30
标识
DOI:10.1021/acschembio.1c00834
摘要

Accurate and rapid identification of infectious bacteria is important in medicine. Raman microspectroscopy holds great promise in performing label-free identification at the single-cell level. However, due to the naturally weak Raman signal, it is a challenge to build extensive databases and achieve both accurate and fast identification. Here, we used signal-to-noise ratio (SNR) as a standard indicator for Raman data quality and performed bacterial identification using 11, 141 single-cell Raman spectra from nine bacterial strains. Subsequently, using two machine learning methods, a simple filter, and a neural network-based denoising autoencoder (DAE), we demonstrated 92% (simple filter using 1 s/cell spectra) and 84% (DAE using 0.1 s/cell spectra) identification accuracy. Our machine learning-aided Raman analysis paves the way for high-speed Raman microspectroscopic clinical diagnostics.
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