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Open-set deep learning–enabled single-cell Raman spectroscopy for rapid identification of airborne pathogens in real-world environments

室内生物气溶胶 空中传输 鉴定(生物学) 计算机科学 人工智能 拉曼光谱 2019年冠状病毒病(COVID-19) 生物 传染病(医学专业) 医学 疾病 物理 生态学 光学 病理
作者
L.Q. Zhu,Yunan Yang,Fei Xu,Xinyu Lu,Mingrui Shuai,Zhulin An,Xiaomeng Chen,Hu Li,Francis L. Martin,Peter J. Vikesland,Bin Ren,Zhong‐Qun Tian,Yong‐Guan Zhu,Cui Li
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:11 (2): eadp7991-eadp7991 被引量:18
标识
DOI:10.1126/sciadv.adp7991
摘要

Pathogenic bioaerosols are critical for outbreaks of airborne disease; however, rapidly and accurately identifying pathogens directly from complex air environments remains highly challenging. We present an advanced method that combines open-set deep learning (OSDL) with single-cell Raman spectroscopy to identify pathogens in real-world air containing diverse unknown indigenous bacteria that cannot be fully included in training sets. To test and further enhance identification, we constructed the Raman datasets of aerosolized bacteria. Through optimizing OSDL algorithms and training strategies, Raman-OSDL achieves 93% accuracy for five target airborne pathogens, 84% accuracy for untrained air bacteria, and 36% reduction in false positive rates compared to conventional close-set algorithms. It offers a high detection sensitivity down to 1:1000. When applied to real air containing >4600 bacterial species, our method accurately identifies single or multiple pathogens simultaneously within an hour. This single-cell tool advances rapidly surveilling pathogens in complex environments to prevent infection transmission.
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