用於快速分析液體樣本中的微生物物質的系統的製作方法

2023-09-09 19:41:40

專利名稱：用於快速分析液體樣本中的微生物物質的系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於探測液體樣本中的微生物物質的存在和計數(enumeration)的方法和裝置，具體而言，涉及用於定量分析水樣本 中的致病性細菌的方法和裝置。
背景技術：
飲用水和娛樂用水(沙灘處以及其他遊泳設施處的水)應該定期 被測試，並且該測試結果應可在短時間段內獲取，以便保護乂>眾遠離 有害的以及有傳染性的疾病。目前，多數水樣本測試是在遠離水設施或場所的實驗室環境下進 行的。目前用於常規的微生物分析的很多方法和程序是在超過一百年 前開發的。在操作和數據收集這兩方面，它們都是勞動量大且耗時的 程序。這些設施的操作者一般不能在約36到72小時內獲取這樣的測 試的結果。因此，通常直到被汙染的水已經被消耗或使用了很長時間 以後，水設施的操作人員才能採取行動來校正該被汙染的水。此外，水生疾病的傳播依然是一個嚴重的問題，儘管全世界都在 試圖控制這個問題。該問題不只限於發展中國家和欠發達國家，而是 本質上是全球性的。其主要的一些原因在於(1 )目前的測試頻率還不足以提供預警使得可以採取校正措施來阻止疾病爆發；以及 (2)目前的測試方法費力且耗時，因而阻礙了經常性的測 試；1988年，Edberg S. C等人開發了 一種基於化學限定的底物MTF方 法(chemically defined substrate MTF method)的新技術，稱作 "大腸菌群膜螢光法現場快速定量檢測法(Autoanalysis Colilert， AC): " 'National filed evaluation of a defined substrate method for the simultaneous evaluation of total coliforms and Escherichia coli from drinking water: comparison with standardmultiple tube technique' , Appl. Environ. Microbiol., 54 1595 (1988)."這使得可以在小於24小時的時間內以1CFU每100ml的檢測 限同時探測和識別水中的總大腸菌群以及大腸桿菌(E.coli)。 Colilert , —種顯色-螢光試劑介質，為特定的養分和酶底物提供用 於同時探測總大腸菌群以及大腸桿菌的生色團和螢光團。在1989年， 美國EPA批准該方法為一種定性測試飲用水中的總大腸菌群的方式。 顯色/螢光試劑在進行微生物測試方面的發展已經打開了通往更 好且更快的測試方案的大門。此外，這些產品提供了利用諸如光學光 i普學之類的技術進行生物、微生物以及化學分析的附加可能。分光光 度分析非常靈敏，因此可以探測到液體樣本中存在的濃度非常低的所 關心的顏色產生成分(百萬分之幾)。在視覺上，人類的眼睛只有在 上述成分以很高的濃度存在時才可以探測到顏色，因此對培養時間段 的要求是在18到72小時這個範圍內。當將培養與光度分析結合時， 可以大大減少識別或估計水、食物以及環境樣本中微生物指示劑的存 在所需的時間。方面的使用和優點。然而，這些測試是通過以不同時間間隔將部分樣 本從培養器皿提取到光度計試管中以及使用標準光鐠儀進行測量，在 培養腔室外部完成的。這不僅耗時，而且還需要有分離的培養器、光 譜儀以及需要技術人員來進行測試，並且在有些情況下還需要機器人 取樣系統。如果在進行分析時沒有給予適當的注意，還會有產生交叉 汙染以及人為誤差的潛在風險。因此，急需改進的用於測試飲用水、娛樂用水以及廢水中的微生 物物質的方法以及裝置，以提供對水設施的更好管理以及保護公眾健 康以及環境。發明內容本發明涉及一種用於快速定量分析諸如水之類的流體樣本中的細 菌的系統。本發明的 一方面是一種包括一個用於容納測試樣本的樣品 容器以及一個具有分光光度計系統的裝置的系統，該分光光度計系統 包括一個合適的發光源以及一個與位於所述裝置的外殼內的樣品容器靠近的探測器。向樣品容器中的測試樣本中加入一種提供可探測參數 (如顏色，螢光等)的試劑。當樣本在被培養時，探測器監測來自所 述源的穿過樣本以及樣品容器的光。該探測器連接到測量、處理、記 錄以及存儲信息的分光光度計處理器。該處理器還可以連接到諸如計 算機、萬用表或任何其他可以測量和記錄來自探測器的輸出信號的設 備之類的合適測量和記錄設備。這提供了非侵入式連續培養以及對所考查參數的信號生長(growth)測量。本發明的另 一方面是一種用於快速分析液體樣本中的微生物參數 的系統。該系統包括 一個用於容納液體樣本的樣品容器，該樣品容 器是由允許光傳播的材料製造的； 一個限定一個用於保持樣品容器的 可封閉腔室的外殼； 一個安裝在外殼內的培養系統，用於培養液體樣 本中的微生物物質；以及一個安裝在外殼內的分光光度計系統，用於 在樣品容器內傳播光以及在隨著時間的過去培養系統培養微生物物質 時測量由該液體樣本吸收、發射或散射的光。本發明的再一方面是一種用於探測液體樣本中的微生物物質的裝 置。該裝置包括 一個具有可封閉的腔室的外殼，該腔室被成形為適 於保持一個用於容納液體樣本的透明(clear)塑料容器； 一個安裝在 外殼內的培養裝置，用於培養液體樣本中的任何微生物物質；以及安 裝在外殼內的分光光度計裝置，用於在隨著時間的過去培養裝置培養 微生物物質時測量由該液體樣本吸收、發射或散射的光。本發明還涉及一種用於快速分析液體樣本中的微生物物質的方 法，該方法包括以下步驟(a) 在樣品容器中將具有初始數量(population )未知的微生物物 質的液體樣本與一試劑混合，從而產生一樣本/試劑混合物，該試劑提 供指示微生物物質的可探測參數；(b) 將樣品容器放入一個可封閉的外殼內並且封閉該外殼；(c) 在一溫度下在一預選溫度範圍內將樣本/試劑混合物在封閉的外殼內培養一段時間；以及(d) 當在該段時間內培養樣本/試劑混合物時，測量可探測參數的 變化。本發明還涉及一種用於快速定量分析液體樣本中的微生物物質的方法。該方法包括以下步驟(a) 將具有初始數量未知的微生物物質的液體樣本放入一個樣品 容器中，該樣品容器由允許光傳播的材料製成；(b) 通過將液體樣本和一試劑相混合產生一樣本/試劑混合物，該 試劑一曝光就提供一個指示微生物物質的可探測參數；(c) 在一溫度下在一預選溫度範圍內將樣本/試劑混合物在一個封 閉的外殼內培養一段時間；(d) 通過在樣本/試劑混合物內傳播一 已知強度的光並且測量光的 強度隨時間的變化，在培養樣本/試劑混合物時測量可探測參數的變 化；(e) 將光的強度的變化記錄為時間的函數；(f) 記錄發生顯著不一致的時間，在該時間可探測參數發生指數變化；(g) 通過使發生顯著不一致的時間與初始數量已知的微生物物質 的可探測參數發生指數生長的已知時間相關，來確定初始數量。


現在將參考附圖，僅以示例的方式描述本發明，其中 圖l是本發明的系統的示意圖；圖2是根據主題發明的一個優選實施方案製造的一個裝置的透視圖；圖3是主題裝置的分解透視圖，示出了從底座單元脫離的蓋和移開的樣品容器；圖4是主題裝置沿圖2中的線4-4的截面圖；圖5是主題裝置沿圖4中的線5-5的截面圖；圖6是主題裝置沿圖4中的線6-6的截面俯視圖；圖7是根據本發明的一個替代實施方案製造的一個裝置的截面正視圖；圖8是圖解主題發明的方法的流程圖； 圖9是圖解一典型的生長時間曲線圖；圖IO是顯示關於兩種不同的微生物參數的示例性生長曲線的數據圖；圖ll是示出由本發明的方法生成的結果的數據表；圖12是在主題裝置的方法中所用的示例性線性相關曲線；圖13是由主題方法生成的測試報告；圖14a是圖解本發明的加熱控制算法的流程圖；以及圖14b是圖解本發明的溫度控制和數據收集算法的流程圖；具體實施方式
參考圖1，其中圖解了一種根據主題發明製造的、利用非侵入式 器皿內培養以及探測快速分析微生物參數的系統。該系統10包括一個培養器-探測器裝置12、 一個用於容納與試劑20混合的液體樣本11 的樣品容器14以及一個外部數據記錄器80。培養器-探測器裝置12 包括 一個具有探測腔室65的外殼15，該探測腔室被成形成適於接 收樣品容器14; 一個安裝在外殼15內用於培養液體樣本11中的微生 物物質的培養系統60;以及一個安裝在外殼15內的分光光度計系統 62。該分光光度計系統62在培養系統60培養微生物物質時測量被樣 品容器14中的液體樣本11吸收、發射或散射的光的量。培養系統60包括加熱控制器92，分光光度計系統62包括分光光 度計控制器94。電源90向培養系統60和分光光度計系統62供電。 優選地，外部數據記錄器80包括一個具有微處理器86和存儲設備88 的計算機85和一個連接到計算機85的諸如印表機82之類的輸出設 備。現在參考圖2-6，其中圖解了培養器-探測器裝置12的一個優選 實施方案。裝置12的外殼15是一個大體圓柱狀的外殼，該外殼包括 一個底座16、被成形為保持樣品容器14的容器固定器(holder) 18 以及一個可移開的蓋50。底座16包括一個被成形為接收蓋50的向上 延伸的圓柱狀邊55。底座16容納有電源90、加熱控制器92以及分光 光度計控制器94。電源90可以是本領域已知的任何合適的電源，諸 如一個位於底座16內的可再充電電池，該可再充電電池具有用於連接 到外部120或220伏AC (交流)電源或DC (直流)電源的電源插座 99。安裝在底座16的外部上的是電源開關13、狀態LED(發光二極體)97以及數據埠 98。容器固定器18包括一個底座21以及一個從底座21向上延伸的末 端開口的圓柱狀壁19。壁19被成形成當樣品容器14被放置在外殼15 內時環繞樣品容器14的下部。壁19包括一對向內延伸的、正對的、 大體長方形的凹槽(indent) 23。可移開的蓋50被成形為圍繞容器固定器18的壁19緊密貼合。優 選地，蓋50包括一個高熱效率的雙壁圓柱狀殼，該殼具有外壁51、 內壁59、封閉的頂端52以及末端開口的底凸緣53。底凸緣53的外表 面設有密封條(bead) 66，該密封條被成形為裝入到底座16的邊55 的內表面上的溝槽67內。內壁59的內表面包括被成形為密封地接合 繞容器固定器18的底座21延伸的環49的突出68。可選地，蓋50可 以在壁51和59之間配以真空或惰性氣體。當蓋50被放置在容器固定器18上時，蓋50以及容器固定器18 限定一個非常有效的絕熱培養-探測腔室65。優選地，使樣品固定器 18的壁19的內表面變黑，以使腔室65成為一個用於光探測和測量的 有效黑箱(暗室)。裝置12的培養系統60包括加熱元件24、溫度傳感器25以及培 養控制器92。加熱元件24安裝在加熱指狀物57內，該加熱指狀物向 上延伸穿過容器固定器18的底座21中的一個孔。該溫度傳感器25安 裝在從容器固定器18的底座21向上延伸的溫度指狀物56內。該溫度 傳感器25可以包括一個放置在指狀物56頂部附近的熱敏電阻器26。加熱控制器92通過溫度傳感器25控制加熱元件24的加熱以及監 控液體樣本ll的溫度。 一旦溫度達到最適宜的溫度，加熱控制器92 就維持液體樣本11內的溫度。優選地，加熱控制器92包括一個計時 器(未示出)，用於測量從開始起的培養時間，以及在預設時間結束 時停止加熱。樣品容器14包括一個樣品蓋42以及一個樣品瓶44。樣品瓶44 是大體圓柱狀的，具有容納加熱指狀物57的底部空腔45以及容納溫 度傳感器指狀物56的底部空腔46。樣品瓶44還具有一對正對的、大 體長方形的側凹口 (recess) 48，該側凹口被成形成在樣品容器14 被放置在容器固定器18內時與壁19的凹槽23配準。樣品瓶44是由允許光信號傳播的材料製成的，並且優選地，是由透明的塑料或其他 光學透明材料製成的。分光光度計系統62是一種用於在隨著時間的過去培養微生物物 質時測量被液體樣本吸收、發射或散射的光的系統。如在圖4中最佳 顯示的，分光光度計系統62優選地包括三個分光光度計 一個包括發 光源30a和探測器35a的第一分光光度計、 一個包括發光源30b和探 測器35b的第二分光光度計以及一個包括發光源30c和探測器35c的 第三分光光度計。發光源30a、 b、 c在樣品容器14內沿所選光路傳播 給定強度的光束。光探測器35a、 b、 c被放置成探測與光路相關的所 選視場內的光束強度的變化，該變化是隨著時間的過去培養系統培養 微生物物質時光被液體樣本11吸收、發射或散射引起的。優選地，每個光源30a、 b、 c包括一個特定最大波長的發光二極 管(LED),並且優選地，每個探測器35a、 b、 c包括一個光電電晶體 探測器。光源30a、 b、 c以及探測器35a、 b、 c安裝在電連接到分光 光度計控制器94的印刷電路板33a、 b、 c上。發光源30a、30b延伸穿過容器固定器18的底座中的孔70a和70b。 以這樣的方式放置發光源30a和30b:即使得，從這些源發出的光分 別通過孔70a和70b在樣品容器14內沿一所選光路向上行進。在發光 源30a和30b的情況下，光路分別如箭頭1和箭頭4所示。容器固定 器18還具有用於信號探測器35a和35b的孔75a和75b。探測器35a 和35b以這樣的方式相對於發光源30a、 30b成90度角放置即使得， 探測器窗口面向樣品瓶44，以接收向探測器35a和35b傳播的任何信 號，探測器35a和35b分別具有箭頭2和箭頭5所示的視場。容器固定器18還包括分別用於信號發射源30c和信號探測器35c 的合適的孔70c和75c。從光源30c發射的光沿水平光路穿過孔70c， 以如箭頭3所示的傳播方向，穿過樣品固定器14以及孔75c到達探測 器35c。探測器35c被放置成使其視場與光源30c的光路成180度角。分光光度計控制器94控制分光光度計系統的運行。分光光度計控 制器94啟用以及停用，並可以脈沖地驅動，信號發射源30a、 b、 c。 分光光度計控制器94還測量和處理由探測器35a、 35b和35c生成的 輸出信號。分光光度計控制器94包括具有一個內置時鐘的微處理器95，該內置時鐘起數據記錄器的作用並將所測的探測器信號值與液體 樣本11的相應溫度和測量時間 一起存儲到微處理器95內的特定存儲 位置。分光光度計控制器94可以通過啟用一個或多個狀態LED 97, 或音頻信號發出設備(未示出)來指示測試的結束。分光光度計控制 器94還通過數據埠 98與諸如計算機85之類的外部數據記錄設備 80、萬用表或其他外部信號操縱器通信。分光光度計控制器94的微處理器95包括存儲器，該存儲器用於 存儲執行主題發明的測試方法的軟體。該測試方法規定實施測試過程 的規範以及所需的條件。通過定製的軟體，該方法可以被編程並通過 數據埠 98被下載到微處理器95的存儲器中。該軟體還能夠擦除控 制器94內的所有存儲位置。為了利用本發明的裝置12測試液體樣本，將液體樣本11放置在 樣本容器14內。液體樣本ll不限於水，並且可以包括其他液體或其 他含有諸如食物顆粒的懸浮物、濾紙和其他固體的液體培養基。然後 向樣品容器14內的液體樣本11添加合適的試劑20。試劑20本質上 可以是化學的或生物的，可以提供指示存在或不存在所考查的微生物 物質的諸如顏色、螢光、濁度等可探測參數。顏色、螢光或濁度信號的探測依賴於時間，並且探測時間與在測 試開始時存在的細菌的數量有關。因而，通過測量顏色變化所引起的 信號或螢光信號以及水樣本中的總大腸菌群和大腸桿菌被探測到具有 可評估量的時間，可以獲得所探測的諸如水樣本中的總大腸菌群以及 大腸桿菌之類的微生物參數的量化。使用裝置12的分光光度計系統62來測量顏色的探測或螢光信號 的探測。在優選實施方案中，分光光度計系統62包括三個分光光度計， 它們分別提供對總大腸菌群的色度探測、對大腸桿菌的螢光探測以及 通過濁度測定法獲得的微生物生長濁度。分光光度計控制器94的微處理器95的內置時鐘提供生長時間， 而培養系統60的恆定溫度提供微生物生長以及光學重複性。在本發明的系統10的一個優選實施方案中，分光光度計系統62 包括位於單個恆定溫度培養器內的三個"生長時間-分光光度計 (time-of-growth-spectrophotometer )"，即將指定微生物參數的生長記錄為時間的函數的分光光度計。由每個分光光度計完成的分光 光度分析的類型取決於該分光光度計的源和探測器的配置和技術要求。源-探測器對30c和35c的180度配置提供色度或濁度分析，而 源 -探測器對30a、35a和30b、 35b的90度配置提供螢光或濁度分析。優選地，色度計分光光度計的源30c包括最大波長為620nm的 LED,並且優選地，探測器35c是在包括620nm在內的整個可見光範圍 內具有信號響應的光電電晶體探測器。優選地，螢光計分光光度計的 源30a是最大波長為380nm的UVLED (紫外線LED)，並且優選地，被 策略地與源30b成90度放置的探測器35a是在包括400-500nm的範圍 的可見光區域內具有信號響應的光電電晶體探測器。濁度計的配置類 似於螢光計的配置，只是源30b優選地是最大波長為400nm的LED。在試劑20在無菌條件下被加入到樣本中後，將樣品蓋42固定到樣品瓶44上，並輕輕地搖晃樣品容器14，以溶解試劑，形成樣本/試劑混合物。為了同時測試水樣本中的總大腸菌群以及大腸桿菌，典型的試劑不僅提供最佳的生長養分，而且還提供關於總大腸菌群的顏色變化以及關於大腸桿菌的螢光信號，如果它們以任何數量存在於樣本中的話。典型的顯色/螢光試劑的例子為 Merck KGaA-Readycult IDEXX-Colilert 然後將樣品容器14放入容器固定器18內，如圖2中最佳示出的。 一旦可移開的蓋50被放置在底座16上，培養-探測腔室65就提供對 微生物生長以及分光光度探測理想的黑箱(暗室)條件。按下裝置12的底座16上的啟動按鈕13，啟用培養循環以及探測 過程。可選地，可以利用一個單獨的啟用按鈕，以在培養開始後的一 預定時間啟用探測過程。啟用探測過程可以包括打開信號發射源30a、b、c以及探測器35a、 b、 c的電源，脈衝地驅動信號發射以及監視探測器35a、 b、 c的信號 輸出。加熱控制器92使液體樣本11的溫度達到並在一預設溫度範圍內 維持在一個恆定溫度。對於水中的大腸菌和大腸桿菌測試，優選的溫 度是36士1X:。然而，該溫度依賴於所用的試劑，並且可以因試劑不同而不同。該溫度還取決於測試方法^支術要求。例如，可以使用同樣的試劑在36t:或4rc測試大腸桿菌。分光光度計控制器94連續地監視、記錄和存儲來自探測器35a、 b、 c的輸出信號。在優選實施方案的方法中，分光光度計控制器94 還記錄和存儲每個輸出信號的時間和溫度。控制器94還可以連接到外 部數據記錄器80，該外部數據記錄器被編程以連續地或以一預定時間 間隔記錄信號。外部數據記錄器80還可以記錄每個所測信號的時間以 及樣本的相應溫度，並生成所考查的微生物參數的"依賴於時間的生 長信號圖"(TDGSP)。優選地，總大腸菌群的色度TDGSP以及大腸桿菌的螢光TDGSP與 由水中的細菌生長引起的增加的濁度的濁度TDGSP同時被記錄。輸出信號與初始基線的顯著不一致指示存在所考查的參數，而從 開始到達到該顯著不一致所需的時間提供對測試參數原始量的指示。微處理器95的時鐘提供開始測試的日期和時間、每個所測信號的 時間以及相應的溫度、測試完成或終止的時間。測試的結束可以通過 狀態LED 97和/或音頻信號來指示，或者可以通過軟體程序來控制。現在參考圖7，其中圖解了根據本發明的一個替代實施方案製造 的一個裝置112的示意圖。除了幾處改動之外，裝置112基本類似於 圖2-6所示的優選實施方案的裝置12。裝置112包括樣品容器114以及一個外殼115，該外殼包括一個 底座116、 一個圓柱狀容器固定器118以及一個可移開的蓋150。容器 固定器118具有一個圓柱狀底座155以及一個末端開口的圓柱狀壁 160。容器固定器底座155具有一個向上延伸以容納溫度控制器180 的溫度控制器指狀物156。該溫度控制器180可以是一個雙金屬片開 關(bimetal switch)或^f壬何其他合適的可以啟用和停用加熱元件的裝 置。加熱元件124安裝在樣本固定器150的末端開口的圓柱狀壁160 內。如所示的，加熱元件124包括電阻絲125。替代地，加熱元件124 可以是電阻線圈、電阻箔等。電阻絲的長度由金屬絲125的額定電阻 溫度以及每英尺設計歐姆值規定。樣品容器114包括樣品蓋142以及樣品瓶144。該樣品瓶是大體圓柱狀的，具有一個被成形為容納溫度控制器指狀物156的底部空腔 145.
加熱控制器192維持樣本內的恆定預設溫度範圍。可選地，它可 以包括一個計時器(未示出)，用於測量從開始起的培養時間，以及 在預設時間結束時停止加熱。
裝置112的分光光度計系統類似於優選實施方案的裝置12的分光 光度計系統。發光源130a沿箭頭1的方向發射光，探測器135a探測 被發射或散射的沿箭頭2的方向行進的光。發光源130b沿箭頭4的方 向發射光，探測器135b探測被發射或散射的沿箭頭5的方向行進的光。 發光源130c沿箭頭3的方向發射光，探測器135探測沿箭頭3的方向 行進的光。該分光光度計系統還包括分光光度計控制器194,該分光 光度計控制器用於控制光源130a、 b、 c和探測器35a、 b、 c以及電源 190的運^f亍。
現在參考圖8-13，其中圖解了本發明的定量分析方法的一個優選 實施方案。
本發明的定量分析方法是基於初始數量和隨時間的生長數量之間 存在聯繫這一認識。測試的開始(初始數量)與一固定的生長數量之 間的時間間隔是初始數量、培養溫度以及生長培養基的函數。因此， 將培養溫度以及生長培養基保持恆定，達到固定的生長數量所需的時 間是初始數量的直接函數(direct function)。
諸如Readycult (Merck KgaA)或Colilert (IDEXX)之類的顯 色/螢光試劑提供這樣一種機理，即在本發明中藉助於該機理，可通過 光度探測過程來監視和測量微生物生長數量(總大腸菌群和大腸杆 菌)。由這些有機體產生的特定酶(例如半乳糖苷酶(總大腸菌群) 以及葡糖苷酸酶(大腸桿菌特有的))將使養分指示劑新陳代謝以及 將生色團或螢光團釋放到液體培養基中。在一給定時刻探測培養基中 的生色團或螢光團的濃度與該時刻的生長數量成比例，因此由發色成 分的濃度增加引起的信號強度變化是對基於時間的生長數量的量度。
數量探測時間(tp。p )被定義為達到可探測數量大小所花費的時間， 其已經被用於估計細菌生長參數。已經表明，該探測時間與接種物 (inoculum)(微生物的初始數量)水平的對數成反比tpop oc i/i0g x。 {1} 其中X。-初始細菌數量。發生顯著不一致的時間(TSD)是所測的超過基線信號的光度信號 量是統計上顯著的時間。TSD還依賴於樣本中的細菌的初始濃度，並 且初始細菌總數越高，TSD越短。由於可以使用信號輸出的增加來測 量數量大小的增加，所以獲得信號輸出與基線的顯著不一致(TSD)所 需的時間應該和t,對應，如果是在生長階段測量該時間的話。該方 法是formula see original document page 17 {2}因此formula see original document page 17 {3}在TSD和所考查的微生物的初始數量(X。)之間的該線性相關曲 線方程一_LCCE，除了檢測存在外，還提供細菌數量的量化信息。圖8是描述主題方法的步驟的流程圖。在方框200,在樣品容器 14中將試劑20與具有初始數量未知的微生物物質的液體樣本11混 合，從而產生一樣本/試劑混合物。試劑20提供指示微生物物質的諸 如顏色或螢光之類的可探測參數。在方框202，將樣品容器14放入外 殼15內並將蓋50放置在外殼15上。在方框204，啟動培養過程，在 一恆定溫度下將樣本/試劑混合物在封閉的外殼內培養一段時間。在方框206，啟動數據收集，在隨著時間的過去培養樣本/試劑混 合物時測量可探測參數的變化。通過在樣品容器14中的樣本/試劑混 合物內傳播一已知強度的光並在培養期間探測光的強度的變化來測量 這些變化。在培養期間，關於時間、溫度以及指示光強度變化的光度信號的 數據由分光光度計控制器94收集。微生物數量隨時間的增加伴隨有光 度信號的增加。這產生一個實時的微生物生長曲線，諸如圖9所示的 曲線。在方框208，終止測試，並將收集的數據存儲在分光光度計控 制器94的微處理器95的存儲器內。在方框210，將上述數據下栽到外部數據記錄器80中，優選地下 載到安裝有定製軟體的計算機85中。在方框212，計算機80處理數 據並以圖形格式和表格格式顯示結果。圖10圖解了一典型樣本的所有所選參數的生長曲線一一該曲線是實時記錄的或者從裝置12下栽的， 還圖解了培養溫度概圖。左手邊的豎直值表示信號強度(任意數字)。 右手邊是以。C (攝氏度)為單位的溫度。底部的水平刻度表示以小時 為單位的時間。圖11圖解了包括一典型樣本的參數信號以及時間和溫 度的值的數據表。在方框214,計算機85的軟體自動地基於超過由分析師定義的基 線信號值的光度信號預設值計算TSD。在方框216,利用內置的預定義 線性相關曲線方程計算所考查的微生物參數的初始數量(以一給定樣 本體積中的集落形成單位(CFU)表示)。為了獲取該線性相關曲線方程， 使用本發明的方法和標準方法(膜過濾)兩者處理一系列分離的具有 不同初始微生物數量(如大腸桿菌)的樣本。該預定義的線性相關曲線 方程(LCCE)通過將從本發明獲取的TSD值以及從膜過濾方法獲取的 相應初始數量值(X。)用坐標標出來生成。圖12示出了樣本的線性相 關曲線。在方框218，將初始數量值顯示在計算機屏幕上，諸如圖13中所 示的。因此，本發明的方法提供在培養過程進行時，對一個或多個可探 測參數的連續的、非侵入式的監視和記錄。輸出信號的顯著不一致指 示存在可探測參數，而達到顯著不一致所花費的時間提供對參數的定 量分析。現在參考圖14a和14b，其中圖解了控制器92和94的加熱和溫 度控制以及數據收集算法。在命令方框300按下電源開關13啟動控制 器92的程序。在命令方框305，控制器92和94執行質量檢查，以核實培養和 探測系統及部件在正常地運行。在命令方框310，如果邏輯是"是"，控制器92和94將前進到 塊320。如果邏輯是"否"，這兩個控制器將啟動合適的LED以發出 信號報告"單元故障"。在命令方框320，控制器92通過加熱元件24加熱容器14中的樣 本11並通過溫度傳感器25以一預定時間間隔監控樣本11的溫度。 如果在命令方框330處的邏輯是"否，，，則控制器92繼續加熱容器14中的樣本11並監控其溫度。
如果在命令方框330處的邏輯是"是"，則如溫度傳感器25所測 的樣本11的溫度已經達到預定溫度值。然後，控制器92將設置測試 時間零點，並且繼續監控容器14中的樣本11的溫度。控制器92還開 始監控時間。
如果在命令方框350處的邏輯是"否"，則控制器95將繼續加熱 樣本11並監控其溫度。
如果在命令方框350處的邏輯是"是"，則控制器92進入方框 355，停止加熱容器14中的樣本11，並進入命令方框365。
在命令方框365，控制器92開始收集溫度數據以及時間數據，而 控制器94開始收集信號數據。控制器92還啟動溫度控制循環1,以 在預設範圍內維持培養溫度。如果在循環l內的方框400處的邏輯是 "是，，，則該控制器返回到方框355並繼續該循環。
如果在方框400處的邏輯是"否"，則該控制器將轉到命令方框 410,開始加熱容器14中的樣本11。循環2將一直繼續到在方框400 處的邏輯變為"是"，並且返回到循環l。
不管是邏輯循環1還是2，兩個控制器92和94都將在預設的時 間間隔處收集各自的數據，並將數據存儲在處理器的存儲器中。
在方框370,狀態LED 97被更新以指示進行中的測試。
如果在命令方框375處的邏輯是"否"，則控制器92和94將返 回到命令方框365,並繼續收集數據，從而啟動數據收集循環——循 環3。如果在命令方框375處的邏輯是"是，，，則認為測試完成，控 制器92和94停止監視和收集數據，關閉培養和探測系統，在命令方 框385進入空閒(待用)模式，等待來自用戶或分析師的進一步指示。
相對於標準的膜過濾方法，該主題發明的方法和裝置提供了多個 優點。該主題方法和裝置為快速但簡單、可靠、精確地現場測試各種 類型的液體樣本中的微生物物質作好了準備，這些液體樣本包括飲用 水和娛樂用水。其他優點包括受濁度的幹擾更少，由於動態分析範圍 大而不需要稀釋，通過全自動簡化了操作，以及內置的質量控制(QC) 為每次測試提供自動QC。
應理解，可以對在此描述的方法和裝置的實施方案進行各種改變。雖然優選實施方案的分光光度計系統包括三個分光光度計，但應理解, 該裝置可以包括不同數目的分光光度計。同樣，源-探測器的空間配 置可以有顯著的改變，而不背離本發明。而且，每個分光光度計可以 被配置為用於探測不同的測試參數，並且可以被獨立操作或同時操作。
還應理解，發光源不限於LED (如它們可以是雷射器或雷射二極 管)，而且探測器不限於光電電晶體(如它們可以是光電二極體、光 敏電阻器、CCD等)。
此外，本發明的方法不限於優選實施方案中的可探測參數，如本 方法可以用來探測由樣本容器14中的試劑20中的生物或化學成分引 起的生物發光或化學發光過程所導致的光發射。這將使得本發明的方 法和裝置可以用於利用生物發光細菌的毒性研究。
而且，任何或所有分光光度計的發光源和探測器可以被放置在培 養-探測腔室65外部但位於裝置10內，並且可以通過被策略地放置在 腔室65內的光纖用來監視信號生長。
因此，在不脫離本發明的情況下，可以對在此描述和圖解的本發 明的實施方案進行各種改變，本發明的範圍由所附的權利要求書限定。
權利要求
1.一種用於快速分析液體樣本中的微生物物質的系統，包括(a)一個用於容納液體樣本的樣品容器，該樣品容器是由允許光傳播的材料製成的；(b)一個具有可封閉的腔室的外殼，該腔室被成形成適於保持所述樣品容器；(c)一個安裝在外殼內的培養系統，用於培養液體樣本中的任何微生物物質；以及(d)一個安裝在外殼內的分光光度計系統，用於在樣品容器內傳播光以及在隨著時間的過去培養系統培養微生物物質時測量由該液體樣本吸收、發射或散射的光。
2. 根據權利要求1的系統，其中分光光度計系統包括至少一個分 光光度計，該分光光度計包括 一個發光源，該發光源被定位成在樣 品容器內傳播光； 一個探測器，該探測器被定位成用於探測光在傳播 通過微生物物質時光量的變化以及用於產生指示該變化的探測器信 號；以及一個分光光度計控制器，用於控制發光源和探測器。
3. 根據權利要求2的系統，其中分光光度計控制器包括一個微處 理器，該微處理器用於處理探測器信號以及用於生成為時間的函數的 光變化的記錄。
4. 根據權利要求2的系統，其中發光源在樣品容器內沿第一光路 傳播具有已知強度的光，探測器探測與第一光路相關的視場內的光的 強度的變化。
5. 根據權利要求3的系統，其中視場被定位成與第一光路成180 °角。
6. 根據權利要求3的系統，其中視場被定位成與第一光路成90°角。
7. 根據權利要求2的系統，其中發光源包括一個發光二極體，探 測器包括一個光電電晶體。
8. 根據權利要求1的系統，其中分光光度計系統包括一個第一分 光光度計和一個第二分光光度計，其中第 一分光光度計包括一個用於 在樣品容器內傳播第一光束的第一發光源和一個用於探測第一光束的變化的第 一探測器，第二分光光度計包括一個用於在樣品容器內傳播第二光束的第二發光源和一個用於探測第二光束的變化的第二探測器。
9. 根據權利要求8的系統，其中分光光度計系統包括一個第三分 光光度計，該第三分光光度計包括一個用於在樣品容器內傳播第三光 束的第三發光源和一個用於探測第三光束的變化的第三探測器。
10. 根據權利要求2的系統，其中外殼包括一個向上延伸的、具有 一開口頂端的大體圓柱狀的容器固定器，以及一個用於封閉該外殼的 可移開的蓋，該可移開的蓋被成形為環繞容器固定器。
11. 根據權利要求10的系統，其中發光源和探測器安裝在容器固 定器內當樣品容器被放置在外殼內時靠近樣品容器的位置。
12. 根據權利要求10的系統，其中容器固定器包括一向內延伸的 凹槽，樣品容器包括一側凹口，該側凹口被成形成當樣品容器被放置 在容器固定器中時與該凹槽配準。
13. 根據權利要求10的系統，其中容器固定器包括一對正對的凹 槽，樣品容器包括一對正對的凹口 ，該對凹口被成形為與該對凹槽配 準。
14. 根據權利要求1的系統，其中培養系統包括一個加熱元件、一 個溫度傳感器以及一個響應溫度傳感器用於控制加熱元件的加熱控制 器。
15. 根據權利要求14的系統，其中溫度傳感器向上延伸到腔室內， 樣品容器具有一個底部空腔，該底部空腔被成形為容納該溫度傳感器。
16. 根據權利要求14的系統，其中加熱元件向上延伸到腔室內， 樣品容器具有一個底部空腔，該底部空腔被成形為容納該加熱元件。
17. —種用於培養和探測液體樣本中的微生物物質的裝置，包括(a) —個具有可封閉的腔室的外殼，該腔室被成形成適於保持一 個用於容納液體樣本的透明塑料樣品容器；(b) 安裝在外殼內的培養裝置，用於培養液體樣本中的任何微生物物質；(c) 安裝在外殼內的分光光度計裝置，用於在樣品容器內傳播光以 及在隨著時間的過去培養裝置培養微生物物質時測量由該液體樣本吸收、發射或散射的光。
18. 根據權利要求17的裝置，其中分光光度計裝置包括 一個發 光源，用於在樣品容器內沿第一光路傳播具有已知強度的光束；以及 一個探測器，用於探測沿與第一光路相關的第二光路的光的強度的變 化。
19. 根據權利要求18的裝置，其中該外殼包括 一個底座； 一個 安裝在底座上用於保持樣品容器的容器固定器，該容器固定器具有一 個開口的頂端；以及一個可移開的蓋，該蓋被成形為封閉該樣本固定 器的頂端。
20. 根據權利要求19的裝置，其中培養裝置包括一個加熱元件、 一個溫度傳感器以及一個耦合到溫度傳感器用於控制加熱元件的加熱 和溫度控制器。
21. —種用於快速分析液體樣本中的微生物物質的方法，該方法包 括以下步驟(a) 在樣品容器中將具有初始數量未知的微生物物質的液體樣本 與一試劑混合，從而產生一樣本/試劑混合物，該試劑提供指示微生物 物質的可探測參數；(b) 將樣品容器放入一個可封閉的外殼內並且封閉該外殼；(c) 在一溫度下在一預選溫度範圍內將樣本/試劑混合物在封閉的 外殼內培養一段時間；以及(d) 當在該段時間內培養樣本/試劑混合物時，測量可探測參數的變化。
22. 根據權利要求21的方法，還包括將可探測參數的變化記錄為 時間的函數的步驟。
23. 根據權利要求21的方法，其中測量可探測參數的變化的步驟 包括在樣品容器中的樣本/試劑混合物內傳播光以及探測光的變化。
24. 根據權利要求22的方法，還包括以下步驟(a) 記錄發生顯著不一致的時間，在該時間可探測參數發生指數變 化；以及(b) 通過使發生顯著不一致的時間與初始濃度已知的微生物物質 發生指數生長的已知時間相關，來確定初始數量。
25. 根據權利要求21的方法，其中預選溫度範圍為± 11C 。
26. 根據權利要求21的方法，其中可探測參數選自顏色、焚光以 及濁度。
27. 根據權利要求21的方法，其中可探測參數包括由試劑中的生 物或化學成分導致的生物發光或化學發光。
28. —種用於快速定量分析液體樣本中的微生物物質的方法，該方 法包括以下步驟(a) 將具有初始數量未知的微生物物質的液體樣本放入一個樣品 容器中，該樣品容器由允許光傳播的材料製成；(b) 通過將液體樣本和一試劑相混合產生一樣本/試劑混合物，該 試劑一曝光就提供指示微生物物質的可探測參數；(c) 在一溫度下在一預選溫度範圍內將樣本/試劑混合物在一個封 閉的外殼內培養一段時間；(d) 通過在樣品容器中的樣本/試劑混合物內傳播光並且探測光的 強度的變化，在於該段時間內培養樣本/試劑混合物時測量可探測參數 的變化；(e) 將光的強度的變化記錄為時間的函數；(f) 記錄發生顯著不一致的時間，在該時間光的強度發生指數變化；(g) 通過使發生顯著不一致的時間與初始濃度已知的微生物物質 發生指數生長的已知時間相關，來確定初始數量。
全文摘要
一種用於快速分析微生物參數的系統，包括一個用於容納液體樣本的樣品容器；一個具有可封閉的腔室的外殼，該腔室被成形為適於接收樣品容器；一個安裝在外殼內的培養系統，用於培養液體樣本中的微生物物質；以及一個安裝在外殼內的分光光度計系統，用於在隨著時間的過去培養系統培養微生物物質時測量由該液體樣本吸收、發射或散射的光。該樣品容器填充有待測試並且待與提供可探測參數的試劑相混合的液體樣本，並且被放置在裝置內。該培養系統加熱液體樣本並在一預設範圍內維持其溫度，而分光光度計系統在樣品容器內傳播光，並監視以及記錄光傳播通過容器時光的變化。在培養進行時，獲得對測試參數的連續的、非侵入式的監視和記錄。信號輸出的任何顯著不一致指示存在可探測參數，而達到顯著不一致所花費的時間提供所考查的微生物參數的量化。
文檔編號G01N33/48GK101218507SQ200580051005
公開日2008年7月9日 申請日期2005年5月5日 優先權日2005年5月5日
發明者拉維·凱尼佩耶, 朗·埃姆巴若 申請人:拉維·凱尼佩耶;朗·埃姆巴若