乳制品細(xì)菌含量電子檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與制作

摘要：生物電化學(xué)檢測(cè)是近些年在農(nóng)業(yè)及相關(guān)食品生產(chǎn)和銷售領(lǐng)域新興起來(lái)的一種用于微生物檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)方法。文中采用電化學(xué)方法檢測(cè)數(shù)據(jù)，給出了一種微生物電子快速檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與制作方法，該系統(tǒng)基于Lab windows/CVI文本編程語(yǔ)言，并利用虛擬儀器應(yīng)用軟件中的庫(kù)函數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)顯示和用戶操作的人機(jī)界面，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、控制、分析及結(jié)果輸出和顯示。

關(guān)鍵詞：生物傳感器;數(shù)據(jù)采集;微電流放大;微生物快速檢測(cè)

0 引言

微生物測(cè)量在食品、臨床醫(yī)學(xué)和環(huán)境檢測(cè)等諸多領(lǐng)域具有非常重要的意義，對(duì)微生物活細(xì)胞的快速檢測(cè)更是一個(gè)令人關(guān)注的課題。國(guó)內(nèi)外的微生物學(xué)家、物理學(xué)家、電子信息和化學(xué)科學(xué)家充分利用微生物的熱學(xué)、光學(xué)、電化學(xué)和生物化學(xué)性質(zhì)，提出了一系列新型的微生物快速檢測(cè)方法。測(cè)量生活飲品的細(xì)菌含量，國(guó)際上公認(rèn)的有標(biāo)準(zhǔn)平板培育法和顯微鏡直接觀察法。但這兩種方法都存在一定的缺點(diǎn)，除了需要熟練的操作技能外，標(biāo)準(zhǔn)平板培育法的培育時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)日，而顯微鏡觀察法則要一直觀測(cè)到細(xì)菌死亡。因此，對(duì)于要求迅速和多體的檢測(cè)對(duì)象，顯然不適宜采用上述兩種方法。

1 已有的檢測(cè)儀器

近兩年來(lái)，國(guó)外一些科技公司相繼研制開發(fā)了食品和奶乳制品微生物快速檢測(cè)的相關(guān)檢測(cè)儀器，并在我國(guó)設(shè)立了代理商。其具有代表性的有美國(guó)Hygiena生產(chǎn)的Pi一102食品細(xì)菌快速測(cè)定儀，該食品細(xì)菌含量快速測(cè)定儀主要利用ATP生物發(fā)光法，配合高靈敏光電倍增管和專用試劑，可在10分鐘內(nèi)對(duì)食品樣品(經(jīng)前處理)中所含微生物總數(shù)做出快速估算，將該檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)與國(guó)家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)，可初步判斷食品樣品中的微生物情況，如是否超標(biāo)。ATP是三磷酸腺苷的簡(jiǎn)稱，是細(xì)胞內(nèi)供能分子。Pi一102食品細(xì)菌快速測(cè)定儀通過(guò)檢測(cè)樣品中的ATP與熒光素酶的發(fā)光反應(yīng)來(lái)得出光單位讀數(shù)，經(jīng)換算即可估算出ATP的總數(shù)水平，然后進(jìn)一步間接判斷樣品中的微生物總數(shù)，以為食品衛(wèi)生監(jiān)督現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)提供參考。該檢測(cè)儀在中國(guó)的銷售價(jià)為7.9萬(wàn)元人民幣。但因ATP生物發(fā)光反應(yīng)受各類因素(溫度、酸堿、稀釋濃度等)影響，結(jié)果與常規(guī)培養(yǎng)所得的CFU (colonvformine unit，菌落形成單位)存在一定偏差，所以該檢測(cè)建議用戶設(shè)定臨界值做參考。

其次，BactoCount IBCDM是美國(guó)BENTLEY公司最新推出的一款半自動(dòng)牛奶細(xì)菌計(jì)數(shù)儀。該儀器是針對(duì)中小型實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的。快速的檢測(cè)結(jié)果是其成為牛奶加工廠或牛奶制品實(shí)驗(yàn)室的工具，從而填補(bǔ)了對(duì)奶源的微生物快速檢測(cè)的空白。該儀器的檢測(cè)步驟和原理首先是培養(yǎng)(樣品準(zhǔn)備)，即在奶樣中加入由凈化緩沖液、水解蛋白酶和熒光標(biāo)記液組成的培養(yǎng)試劑，以溶解奶樣中的體細(xì)胞、穩(wěn)定脂肪球和蛋白、滲透細(xì)菌并沾染DNA。在培養(yǎng)過(guò)程中，熒光標(biāo)記液可以快速滲入到所有雙層核酸的細(xì)菌中。同時(shí)超聲波降解器可對(duì)干擾粒子進(jìn)行化學(xué)降解、瓦解剩余的細(xì)菌菌落并減少背景熒光。該檢測(cè)儀在中國(guó)的銷售價(jià)為72萬(wàn)人民幣。

另外，就是丹麥福斯公司(Foss)的BactoScan FC型系列牛奶細(xì)菌總數(shù)快速分析儀。利用該檢測(cè)系統(tǒng)，用戶可在一分鐘內(nèi)獲得原料奶中的

細(xì)菌總數(shù)量，可為牧場(chǎng)和乳品加工企業(yè)提供快速、可靠的數(shù)據(jù)。依靠這些快速準(zhǔn)確的信息，牧場(chǎng)就可及時(shí)改進(jìn)其衛(wèi)生狀況，提高所售產(chǎn)品的質(zhì)量。特別是乳品加工廠，可用其快速的優(yōu)勢(shì)實(shí)時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)廠的原料進(jìn)行有效檢測(cè)，以將細(xì)菌指標(biāo)不合格的原料奶擋在加工廠之外，從而避免給加工企業(yè)造成損失。而可靠的數(shù)據(jù)又可為牧場(chǎng)和乳品廠按質(zhì)計(jì)價(jià)提供公平全面的分析手段。

目前，F(xiàn)low Cytometry(流氏細(xì)胞計(jì)數(shù)原理/對(duì)流動(dòng)中的細(xì)胞、細(xì)菌或顆粒計(jì)數(shù)和特性認(rèn)定)技術(shù)已被生物化學(xué)和醫(yī)學(xué)科技界廣泛應(yīng)用。其原理是將被測(cè)定的細(xì)胞/顆粒染色并置于懸浮液體之中，然后強(qiáng)迫細(xì)胞/顆粒逐一通過(guò)一個(gè)非常窄小的縫隙/管道。同時(shí)向其發(fā)出特殊光束，使得每一個(gè)被染色后的細(xì)胞/顆粒在通過(guò)測(cè)定點(diǎn)時(shí)也發(fā)出回應(yīng)光束脈沖信號(hào)，然后采用電子技術(shù)再將其脈沖信號(hào)記錄下來(lái)。該檢測(cè)儀在中國(guó)的銷售價(jià)為140萬(wàn)元人民幣。

2 信息采集及放大電路設(shè)計(jì)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的微生物學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、物理和電子信息等學(xué)科的相關(guān)專家在食品的農(nóng)藥殘余、有害化學(xué)成分和有害微生物的檢測(cè)等方面也進(jìn)行了廣泛而深入的研究，發(fā)表了大量的相關(guān)學(xué)術(shù)論文。其具有代表性的微生物檢測(cè)生物電化學(xué)方法是蔡豪斌2000年發(fā)表在《華夏醫(yī)學(xué)》上的文章“微生物活細(xì)胞檢測(cè)生物傳感器的研究”和盧智遠(yuǎn)等2005年發(fā)表在《傳感技術(shù)學(xué)報(bào)》上的文章“一種微生物檢測(cè)的生物電化學(xué)方法研究”，但是在國(guó)內(nèi)尚沒有見到該方面微生物檢測(cè)實(shí)際應(yīng)用的報(bào)導(dǎo)。

在前期研究的基礎(chǔ)上，本文對(duì)于有關(guān)文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了信息采樣與數(shù)據(jù)處理，同時(shí)進(jìn)行了微生物快速檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)制作。表1所列是盧智遠(yuǎn)等人在其文獻(xiàn)中給出的25℃時(shí)的鮮牛奶細(xì)菌含量與傳感器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由表1可見，傳感器輸出的電流和電壓十分微弱，這樣，在信息的模數(shù)轉(zhuǎn)化和信號(hào)處理過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生誤差，故應(yīng)設(shè)計(jì)如圖1所示的具有微電流放大作用的放大電路。該放大電路采用具有高增益、高共模抑制比、失調(diào)小和漂移較低的ICL7650作為運(yùn)算放大器，并考慮了相位補(bǔ)償、電源波動(dòng)及干擾濾除等因素。該放大器具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，閉環(huán)放大倍數(shù)為50。生物電池盒輸出的信號(hào)經(jīng)微電流放大器可以進(jìn)行有效的放大。

該檢測(cè)儀只要通過(guò)點(diǎn)擊圖中的Start按鍵，就可以開始進(jìn)行電流值的數(shù)據(jù)采集，然后經(jīng)過(guò)程序中的函數(shù)運(yùn)算，直接得出牛奶中對(duì)應(yīng)的細(xì)菌數(shù)目。當(dāng)點(diǎn)擊按鍵Stop時(shí)，曲線靜止，對(duì)應(yīng)的電流值及細(xì)菌數(shù)目數(shù)值顯示即為點(diǎn)擊時(shí)的瞬時(shí)值。圖3所示是該檢測(cè)儀的實(shí)物圖。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的生物電池盒與該軟件系統(tǒng)構(gòu)成的微生物檢測(cè)儀，可用Matlab對(duì)多次重復(fù)測(cè)量所得的各條曲線進(jìn)行擬和處理，從而得出傳感器輸出電壓與細(xì)菌含量的最終曲線，并根據(jù)該曲線數(shù)據(jù)編寫程序，即可得到傳感器輸出電壓與乳制品細(xì)菌含量的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。然后再用該測(cè)試儀對(duì)無(wú)菌袋裝鮮牛奶的細(xì)菌含量進(jìn)行測(cè)定，便可驗(yàn)證該電化學(xué)生物傳感器的有效性。該檢測(cè)儀的數(shù)據(jù)檢測(cè)誤差為百分之五，故其相關(guān)的技術(shù)還需要改進(jìn)和提高。但該檢測(cè)儀已極大的提高了微生物檢測(cè)的速度和效率。而且檢測(cè)輸出的數(shù)據(jù)直觀明了，從而改變了細(xì)菌人工計(jì)數(shù)或用顯微鏡觀察統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)的傳統(tǒng)方法。