Abstract
Fourier transform infrared photoacoustic spectroscopy (FTIR-PAS) has been applied for the first time to the identification and speciation of bacterial spores. A total of forty specimens representing five strains of Bacillus spores (Bacillus subtilis ATCC 49760, Bacillus atrophaeus ATCC 49337, Bacillus subtilis 6051, Bacillus thuringiensis subsp. kurstaki, and Bacillus globigii Dugway) were analyzed. Spores were deposited, with minimal preparation, into the photoacoustic sample cup and their spectra recorded. Principal component analysis (PCA), classification and regression trees (CART), and Mahalanobis distance calculations were used on this spectral library to develop algorithms for step-wise classification at three levels: (1) bacterial/nonbacterial, (2) membership within the spore library, and (3) bacterial strain. Internal cross-validation studies on library spectra yielded classification success rates of 87% or better at each of these three levels. Analysis of fifteen blind samples, which included five samples of spores already in the spectral library, two samples of closely related Bacillus globigii 01 spores not in the library, and eight samples of nonbacterial materials, yielded 100% accuracy in distinguishing among bacterial/nonbacterial samples, membership in the library, and bacterial strains within the library.
Keywords
Get full access to this article
View all access options for this article.
References
1.
Greenfield
R. A.
Drevets
D. A.
Machado
L. J.
Voskuhl
G. W.
Cornea
P.
Bronze
M. S.
, Am. J. Med. Sci. 323 , 299 (2002 ).
2.
Kortepeter
M. G.
Parker
G. W.
, Emerging Infectious Diseases 5 , 523 (1999 ).
3.
Noah
D. L.
Huebner
K. D.
Darling
R. G.
Waeckerle
J. F.
, Emerg. Med. Clin. N. Am. 20 , 255 (2002 ).
4.
Atlas
R. M.
, Bioscience June, 465 (1999 ).
5.Night Desk , in New York Times , Late Edition–Final ed. (New York , 2002 ), p. 15 .
6.
Schlundt
J.
, Biomed. Environ. Sci. 14 , 44 (2001 ).
7.
Drew
C.
Becker
E.
, in New York Times , Late Edition–Final ed. (New York , 2002 ), p. 32 .
8.
Burros
M. B.
, in New York Times , Late Edition–Final ed. (New York , 1998 ), p. 6 .
9.Night Desk , in New York Times , Late Edition–Final ed. (New York , 2002 ), p. 10 .
10.
Beggs
C. B.
Donnelly
J. K.
Kerr
K. G.
Sleigh
P. A.
Mara
D. D.
Cairns
G.
, Indoor Build Environ. 9 , 17 (2000 ).
11.
Daisey
J. M.
Angell
W. J.
Apte
M. G.
, Indoor Air 13 , 53 (2003 ).
12.
Scharfenaker
M. A.
, J.–Am. Water Works Assoc. 94 , 14 (2002 ).
13.
Atherton
F.
Newman
C. P. S.
Casemore
D. P.
, Epidem. Infect. 115 , 123 (1995 ).
14.
Chen
K. T.
Chen
C. J.
Chiu
J. P.
, J. Environ. Health 64 , 9 (2001 ).
15.
Brock
T. D.
Madigan
M. T.
Martinko
J. M.
Parker
J.
, Biology of Microorganisms (Prentice Hall , New York , 1994 ).
16.
Iqbal
S. S.
Mayo
M. W.
Bruno
J. G.
Bronk
B. V.
Batt
C. A.
Chambers
J. P.
, Biosens. Bioelectron. 15 , 549 (2000 ).
17.
Naumann
D.
Fijala
V.
Labischinski
H.
, Mikrochim. Acta 1 , 373 (1988 ).
18.
Naumann
D.
Fijala
V.
Labischinski
H.
Giesbrecht
P.
, J. Mol. Struct. 174 , 165 (1988 ).
19.
Naumann
D.
Helm
D.
Labischinski
H.
, Nature (London) 351 , 81 (1991 ).
20.
Van der Mei
H. C.
Naumann
D.
Busscher
H. J.
, Infrared Phys. Technol. 37 , 561 (1996 ).
21.
Choo-Smith
L.-P.
Maquelin
K.
Van Vreeswijk
T.
Bruining
H. A.
Puppels
G. J.
Thi
Ngo N. A.
Kirschner
C.
Naumann
D.
Ami
D.
Villa
A. M.
Orsini
F.
Doglia
S. M.
Lamfarraj
H.
Sockalingum
G. D.
Manfait
M.
Allouch
P.
Endtz
H. P.
, Appl. Environ. Microbiol. 67 , 1461 (2001 ).
22.
Helm
D.
Labischinski
H.
Schallehn
G.
Naumann
D.
, J. Gen. Microbiol. 137 , 69 (1991 ).
23.
Helm
D.
Labischinski
H.
Naumann
D.
, J. Microbiol. Methods 14 , 127 (1991 ).
24.
Naumann
D.
Keller
S.
Helm
D.
Schultz
C.
Schrader
B.
, J. Mol. Struct. 347 , 339 (1995 ).
25.
Naumann
D.
Schultz
C. P.
Helm
D.
, in Infrared Spectroscopy of Biomolecules ,
Mantsch
H. H.
Chapman
D.
, Eds. (Wiley-Liss , New York , 1996 ), p. 279 .
26.
Udelhoven
T.
Naumann
D.
Schmitt
J.
, Appl. Spectrosc. 54 , 1471 (2000 ).
27.
Goodacre
R.
Timmins
E.
Burton
R.
Kaderbhai
N.
Woodward
A. M.
Kell
D. B.
Rooney
P. J.
, Microbiology 144 , 1157 (1998 ).
28.
Goodacre
R.
Shann
B.
Gilbert
R. J.
Timmins
E.
McGovern
A. C.
Alsberg
B. K.
Kell
D. B.
Logan
N. A.
, Anal. Chem. 72 , 119 (2000 ).
29.
Lefier
D.
Hirst
D.
Holt
C.
Williams
A. G.
, FEMS Microbiol. Lett. 147 , 45 (1997 ).
30.
Beattie
S. H.
Holt
C.
Hirst
D.
Williams
A. G.
, FEMS Microbiol. Lett. 164 , 201 (1998 ).
31.
Orsini
F.
Ami
D.
Villa
A. M.
Sala
G.
Bellotii
M. G.
Doglia
S. M.
, J. Microbiol. Methods 42 , 17 (2000 ).
32.
Haag
H.
Gremlich
H. U.
Bergmann
R.
Sanglier
J. J.
, J. Microbiol. Methods 27 , 157 (1996 ).
33.
Curk
M. C.
Peladan
F.
Hubert
J. C.
, FEMS Microbiol. Lett. 123 , 241 (1994 ).
34.
Goodacre
R.
Timmins
E. M.
Rooney
P. J.
Rowland
J. J.
Kell
D. B.
, FEMS Microbiol. Lett. 140 , 233 (1996 ).
35.
Timmins
E. M.
Howell
S. A.
Alsberg
B. K.
Noble
W. C.
Goodacre
R.
, J. Clin. Microbiol. 36 , 367 (1998 ).
36.
Kummerle
M.
Scherer
S.
Seiler
H.
, Appl. Environ. Microbiol. 64 , 2207 (1998 ).
37.
Maquelin
K.
Kirschner
C.
Choo-Smith
L.-P.
Ngo-Thi
N. A.
Van Vreeswijk
T.
Stammler
M.
Endtz
H. P.
Bruining
H. A.
Naumann
D.
Puppels
G. J.
, J. Clin. Microbiol. Jan., 324 (2003 ).
38.
Maquelin
K.
Choo-Smith
L. P.
Van Vreeswijk
T.
Endtz
H. P.
Smith
B.
Bennett
R.
Bruining
H. A.
Puppels
G. J.
, Anal. Chem. 72 , 12 (2000 ).
39.
Maquelin
K.
Choo-Smith
L. P.
Endtz
H. P.
Bruining
H. A.
Puppels
G. J.
, J. Clin. Microbiol. 40 , 594 (2002 ).
40.
Ghiamati
E.
Manoharan
R.
Nelson
W. H.
Sperry
J. F.
, Appl. Spectrosc. 46 , 357 (1992 ).
41.
Manoharan
R.
Ghiamati
E.
Chadha
S.
Nelson
W. H.
Sperry
J. F.
, Appl. Spectrosc. 47 , 2145 (1993 ).
42.
Anderson
G. P.
King
K. D.
Cuttino
D. S.
Whelan
J. P.
Ligler
F. S.
MacKrell
J. F.
Bovais
C. S.
Indyke
D. K.
Foch
R. J.
, Field Anal. Chem. Technol. 3 , 307 (1999 ).
43.
Ligler
F. S.
Anderson
G. P.
Davidson
P. T.
Foch
R. J.
Ives
J. T.
King
K. D.
Page
G.
Stenger
D. A.
Whelan
J. P.
, Environ. Sci. Technol. 32 , 2461 (1998 ).
44.
Tjarnhage
T.
Stromqvist
M.
Olofsson
G.
Squirrell
D.
Burke
J.
Ho
J.
Spence
M.
, Field Anal. Chem. Technol. 5 , 171 (2001 ).
45.
Luoma
G. A.
Cherrier
P. P.
Retfalvi
L. A.
, Field Anal. Chem. Technol. 3 , 260 (1999 ).
46.
Ho
J.
, Anal. Chim. Acta 457 , 125 (2002 ).
47.
Eversole
J. D.
Cary
W. K.
Jr.
Scotto
C. S.
Pierson
R.
Spence
M.
Campillo
A. J.
, Field Anal. Chem. Technol. 15 , 205 (2001 ).
48.
Stopa
P. J.
, Cytometry 41 , 237 (2000 ).
49.
Yacoub-George
E.
Meixner
L.
Scheithauer
W.
Koppi
A.
Drost
S.
Wolf
H.
Danapel
C.
Feller
K. A.
, Anal. Chim. Acta 457 , 3 (2002 ).
50.
Vaidyanathan
S.
Kell
D. B.
Goodacre
R.
, J. Am. Soc. Mass Spectrom. 13 , 118 (2002 ).
51.
Saenz
A. J.
Petersen
C. E.
Valentine
N. B.
Gantt
S.
Jarman
K. H.
Kingsley
M. T.
Wahl
K.
, Rapid Commun. Mass Spectrom. 13 , 1580 (1999 ).
52.
Gantt
S. L.
Valentine
N. B.
Saenz
A. J.
Kingsley
M. T.
Wahl
K. L.
, J. Am. Soc. Mass Spectrom. 10 , 1131 (1999 ).
53.
Snyder
A. P.
Tripathi
A.
Maswadeh
W. M.
Ho
J.
Spence
M.
, Field Anal. Chem. Technol. 5 , 190 (2001 ).
54.
Snyder
A. P.
Maswadeh
W. M.
Parsons
J. A.
Tripathi
A.
Meuzelaar
H. L. C.
Dworzanski
J. P.
Kim
M.-G.
, Field Anal. Chem. Technol. 3 , 315 (1999 ).
55.
Ullom
J. N.
Frank
M.
Gard
E. E.
Horn
J. M.
Labov
S. E.
Langry
K.
Magnotta
F.
Stanion
K. A.
Hack
C. A.
Benner
W. H.
, Anal. Chem. 73 , 2331 (2001 ).
56.
Vaidyanathan
S.
Rowland
J. J.
Kell
D. B.
Goodacre
R.
, Anal. Chem. 73 , 4134 (2001 ).
57.
Beverly
M. B.
Voorhees
K. J.
, Anal. Chem. 72 , 2428 (2000 ).
58.
Hendricker
A. D.
Abbas-Hawks
C.
Basile
F.
Voorhees
K. J.
Hadfield
T. L.
, Int. J. Mass Spectrom. 190/191 , 331 (1999 ).
59.
Foster
N. S.
Thompson
S.
Valentine
N. B.
Amonette
J. E.
Johnson
T. J.
, paper submitted (2003 ).
60.
Michaelian
K. H.
, Rev. Sci. Instrum. 74 , 658 (2003 ).
61.
McClelland
J. F.
Jones
R. W.
Luo
S.
, Rev. Sci. Instrum. 74 , 285 (2003 ).
62.
McClelland
J. F.
Jones
R. W.
Luo
S.
Seaverson
L. M.
, in Practical Sampling Techniques for Infrared Analysis ,
Coleman
P. B.
Ed. (CRC Press , Ann Arbor, MI , 1993 ).
63.
McClelland
J. F.
, Anal. Chem. 55 , 89A (1983 ).
64.
Christiansen
C.
, Ann. Phys. Chem. 23 , 298 (1884 ).
65.
Laufer
G.
Huneke
J. T.
Royce
B. S. H.
Teng
Y. C.
, Appl. Phys. Lett. 37 (1980 ).
66.
Gordon
S. H.
Jones
R. W.
McClelland
J. F.
Wicklow
D. T.
Greene
R. V.
, J. Agric. Food Chem. 47 , 5267 (1999 ).
67.
Yang
H.
Irudayaraj
J.
Sakhamuri
S.
, Appl. Spectrosc. 55 , 571 (2001 ).
68.
Luo
S. Q.
Huang
C. Y. F.
McClelland
J. F.
Graves
D. J.
, Anal. Biochem. 216 , 67 (1994 ).
69.
Fritze
D.
Pukall
R.
, Int. J. Sys. Evol. Microbiol. 51 , 35 (2001 ).
70.
Nicholson
W. L.
Setlow
P.
, J. Bacteriol. 172 , 7 (1190).
71.
Bertie
J. E.
, Pure Appl. Chem. 70 , 2039 (1998 ).
72.
Johnson
T. J.
Sams
R. L.
Blake
T. A.
Sharpe
S. W.
Chu
P. M.
, Appl. Opt. 41 , 2831 (2002 ).
73.
Rosencwaig
A.
Gersho
A.
, J. Appl. Phys. 47 , 64 (1976 ).
74.
Seber
G. A. F.
, Multivariate Observations (John Wiley and Sons , New York , 1984 ).
75.
Cheung
H.-Y.
Cui
J.
Sun
S.
, Microbiology 145 , 1043 (1999 ).
76.
Shaver
Y. J.
Nagpal
M. L.
Rudner
R.
Nakamura
L. K.
Fox
K. F.
Fox
A.
, J. Microbiol. Methods 50 , 215 (2002 ).
77.
Heredia-Langner
A.
Foster
N. S.
Thompson
S.
Valentine
N. B.
Amonette
J. E.
, Chemom. Intell. Lab. Syst., paper to be submitted (2003 ).