Publication:
Detection and characterization of common microorganisms found in biotechnology plants using vibrational spectroscopy

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Authors
Carrion Roca, Wilmer
Embargoed Until
Advisor
Hernandez Rivera, Samuel P.
College
College of Arts and Sciences - Sciences
Department
Department of Chemistry
Degree Level
Ph.D.
Publisher
Date
2024-05-03
Abstract
This dissertation reports the spectroscopic investigation of common bacteria encountered in biopharmaceutical industries with spectroscopic definition and specificity using mid-infrared laser spectroscopy. Biopharmaceutical companies must proactively detect and identify bacterial contaminants in the clean-room environment in real-time, specifically in mixtures that will more likely manifest themselves rather than reactive classical methods that require long incubating periods (24-48 hr) and identification. The investigator focused on the identification using faster techniques of detection and characterization of bacteria species commonly recovered in the pharmaceutical clean rooms using different spectroscopic techniques such as quantum cascade laser spectroscopy coupled to a grazing angle probe (QCL-GAP), ATR (Attenuated Reflectance infrared spectroscopy among others. An important material commonly utilized in the pharmaceutical industry, such as stainless steel, was used as support media substrates for the bacterial samples to grow and demonstrate the ability and detectability of the spectroscopic technique used in this project. QCL-GAP spectroscopy was assisted by multivariate analysis (MVA) to assemble a powerful spectroscopic technique with classification, identification, and quantification capability to discriminate microorganisms from the same family. Principal component analysis and partial least squares discriminant analysis differentiated between the bacterial species, using (QCL-GAP) as the reference. Spectral differences in the bacterial membrane were used to determine if these microorganisms were present in the samples analyzed.

En esta disertación reportamos sobre la investigación espectroscópica de bacterias comunes que se encuentran en las industrias biofarmacéuticas con precisión y especificidad utilizando espectroscopia láser de infrarrojo medio. Es de suma importancia para las compañías biofarmacéuticas detectar e identificar contaminantes bacterianos en el ambiente de un cuarto limpio de manera proactiva en tiempo real, específicamente en mezclas que probablemente se manifestarán en lugar de métodos clásicos reactivos que requieren un largo período de incubación (24-48 hora) e identificar. El investigador se centró en la identificación mediante técnicas más rápidas de detección y caracterización de especies de bacterias comúnmente recuperadas en cuartos limpios en farmacéuticas utilizando diferentes técnicas espectroscópicas como la espectroscopia láser de cascada cuántica acoplada a una sonda de ángulo rasante o de rozamiento (QCL-GAP), ATR (reflectancia infrarroja atenuada), entre otros. Un material importante comúnmente utilizado en la industria farmacéutica como es el material de acero inoxidable se utilizó como sustrato de medio de soporte para que las muestras bacterianas crecieran y demostraran la capacidad y detectabilidad de la técnica espectroscópica utilizada en este proyecto. Se asistió a la espectroscopia QCL-GAP mediante análisis multivariado (MVA) para armar una poderosa técnica espectroscópica con recursos de clasificación, identificación y cuantificación para discriminar microorganismos de la misma familia. El análisis de componentes principales y el análisis discriminante de mínimos cuadrados parciales diferenciaron entre las especies bacterianas, utilizando (QCL-GAP) como referencia. Se utilizaron diferencias espectrales en la membrana bacteriana para determinar si estos microorganismos estaban presentes en las muestras analizadas.
Keywords
Microorganisms,
Mid-infrared spectroscopy (MIRS),
Principal components analysis (PCA),
Quantum cascade laser spectroscopy (QCLS),
Substrate
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Cite
Carrion Roca, W. (2024). Detection and characterization of common microorganisms found in biotechnology plants using vibrational spectroscopy [Dissertation]. Retrieved from https://hdl.handle.net/20.500.11801/3707