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CN101218507A - 用于快速分析液体样本中的微生物物质的系统 - Google Patents

用于快速分析液体样本中的微生物物质的系统 Download PDF

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CN101218507A
CN101218507A CNA2005800510056A CN200580051005A CN101218507A CN 101218507 A CN101218507 A CN 101218507A CN A2005800510056 A CNA2005800510056 A CN A2005800510056A CN 200580051005 A CN200580051005 A CN 200580051005A CN 101218507 A CN101218507 A CN 101218507A
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spectrophotometer
time
Prior art date
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CNA2005800510056A
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拉维·凯尼佩耶
朗·埃姆巴若
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LAVYINKENIPAYE
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LAVYINKENIPAYE
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Abstract

一种用于快速分析微生物参数的系统，包括：一个用于容纳液体样本的样品容器；一个具有可封闭的腔室的外壳，该腔室被成形为适于接收样品容器；一个安装在外壳内的培养系统，用于培养液体样本中的微生物物质；以及一个安装在外壳内的分光光度计系统，用于在随着时间的过去培养系统培养微生物物质时测量由该液体样本吸收、发射或散射的光。该样品容器填充有待测试并且待与提供可探测参数的试剂相混合的液体样本，并且被放置在装置内。该培养系统加热液体样本并在一预设范围内维持其温度，而分光光度计系统在样品容器内传播光，并监视以及记录光传播通过容器时光的变化。在培养进行时，获得对测试参数的连续的、非侵入式的监视和记录。信号输出的任何显著不一致指示存在可探测参数，而达到显著不一致所花费的时间提供所考查的微生物参数的量化。

Description

用于快速分析液体样本中的微生物物质的系统
技术领域
本发明涉及用于探测液体样本中的微生物物质的存在和计数(enumeration)的方法和装置，具体而言，涉及用于定量分析水样本中的致病性细菌的方法和装置。
背景技术
饮用水和娱乐用水(沙滩处以及其他游泳设施处的水)应该定期被测试，并且该测试结果应可在短时间段内获取，以便保护公众远离有害的以及有传染性的疾病。
目前，多数水样本测试是在远离水设施或场所的实验室环境下进行的。目前用于常规的微生物分析的很多方法和程序是在超过一百年前开发的。在操作和数据收集这两方面，它们都是劳动量大且耗时的程序。这些设施的操作者一般不能在约36到72小时内获取这样的测试的结果。因此，通常直到被污染的水已经被消耗或使用了很长时间以后，水设施的操作人员才能采取行动来校正该被污染的水。
此外，水生疾病的传播依然是一个严重的问题，尽管全世界都在试图控制这个问题。该问题不只限于发展中国家和欠发达国家，而是本质上是全球性的。其主要的一些原因在于：
(1)目前的测试频率还不足以提供预警使得可以采取校正措施来阻止疾病爆发；以及
(2)目前的测试方法费力且耗时，因而阻碍了经常性的测试；
1988年，Edberg S.C等人开发了一种基于化学限定的底物MTF方法(chemically defined subs trate MTF method)的新技术，称作“大肠菌群膜荧光法现场快速定量检测法(Autoanalysis Colilert，AC)：“‘National filed evaluation of a defined substrate methodfor the simultaneous evaluation of total coliforms andEscherichia coli from drinking water：comparison with standardmultiple tube technique’，Appl.Environ.Microbiol.54 1595(1988).”这使得可以在小于2 4小时的时间内以1CFU每100ml的检测限同时探测和识别水中的总大肠菌群以及大肠杆菌(E.coli)。Colilert，一种显色-荧光试剂介质，为特定的养分和酶底物提供用于同时探测总大肠菌群以及大肠杆菌的生色团和荧光团。在1989年，美国EPA批准该方法为一种定性测试饮用水中的总大肠菌群的方式。
显色/荧光试剂在进行微生物测试方面的发展已经打开了通往更好且更快的测试方案的大门。此外，这些产品提供了利用诸如光学光谱学之类的技术进行生物、微生物以及化学分析的附加可能。分光光度分析非常灵敏，因此可以探测到液体样本中存在的浓度非常低的所关心的颜色产生成分(百万分之几)。在视觉上，人类的眼睛只有在上述成分以很高的浓度存在时才可以探测到颜色，因此对培养时间段的要求是在18到72小时这个范围内。当将培养与光度分析结合时，可以大大减少识别或估计水、食物以及环境样本中微生物指示剂的存在所需的时间。
文献中已经引述了分光光度应用在进行液体样本中的微生物分析方面的使用和优点。然而，这些测试是通过以不同时间间隔将部分样本从培养器皿提取到光度计试管中以及使用标准光谱仪进行测量，在培养腔室外部完成的。这不仅耗时，而且还需要有分离的培养器、光谱仪以及需要技术人员来进行测试，并且在有些情况下还需要机器人取样系统。如果在进行分析时没有给予适当的注意，还会有产生交叉污染以及人为误差的潜在风险。
因此，急需改进的用于测试饮用水、娱乐用水以及废水中的微生物物质的方法以及装置，以提供对水设施的更好管理以及保护公众健康以及环境。
发明内容
本发明涉及一种用于快速定量分析诸如水之类的流体样本中的细菌的系统。本发明的一方面是一种包括一个用于容纳测试样本的样品容器以及一个具有分光光度计系统的装置的系统，该分光光度计系统包括一个合适的发光源以及一个与位于所述装置的外壳内的样品容器靠近的探测器。向样品容器中的测试样本中加入一种提供可探测参数(如颜色，荧光等)的试剂。当样本在被培养时，探测器监测来自所述源的穿过样本以及样品容器的光。该探测器连接到测量、处理、记录以及存储信息的分光光度计处理器。该处理器还可以连接到诸如计算机、万用表或任何其他可以测量和记录来自探测器的输出信号的设备之类的合适测量和记录设备。这提供了非侵入式连续培养以及对所考查参数的信号生长(growth)测量。
本发明的另一方面是一种用于快速分析液体样本中的微生物参数的系统。该系统包括：一个用于容纳液体样本的样品容器，该样品容器是由允许光传播的材料制造的；一个限定一个用于保持样品容器的可封闭腔室的外壳；一个安装在外壳内的培养系统，用于培养液体样本中的微生物物质；以及一个安装在外壳内的分光光度计系统，用于在样品容器内传播光以及在随着时间的过去培养系统培养微生物物质时测量由该液体样本吸收、发射或散射的光。
本发明的再一方面是一种用于探测液体样本中的微生物物质的装置。该装置包括：一个具有可封闭的腔室的外壳，该腔室被成形为适于保持一个用于容纳液体样本的透明(clear)塑料容器；一个安装在外壳内的培养装置，用于培养液体样本中的任何微生物物质；以及安装在外壳内的分光光度计装置，用于在随着时间的过去培养装置培养微生物物质时测量由该液体样本吸收、发射或散射的光。
本发明还涉及一种用于快速分析液体样本中的微生物物质的方法，该方法包括以下步骤：
(a)在样品容器中将具有初始数量(population)未知的微生物物质的液体样本与一试剂混合，从而产生一样本/试剂混合物，该试剂提供指示微生物物质的可探测参数；
(b)将样品容器放入一个可封闭的外壳内并且封闭该外壳；
(c)在一温度下在一预选温度范围内将样本/试剂混合物在封闭的外壳内培养一段时间；以及
(d)当在该段时间内培养样本/试剂混合物时，测量可探测参数的变化。
本发明还涉及一种用于快速定量分析液体样本中的微生物物质的方法。该方法包括以下步骤：
(a)将具有初始数量未知的微生物物质的液体样本放入一个样品容器中，该样品容器由允许光传播的材料制成；
(b)通过将液体样本和一试剂相混合产生一样本/试剂混合物，该试剂一曝光就提供一个指示微生物物质的可探测参数；
(c)在一温度下在一预选温度范围内将样本/试剂混合物在一个封闭的外壳内培养一段时间；
(d)通过在样本/试剂混合物内传播一已知强度的光并且测量光的强度随时间的变化，在培养样本/试剂混合物时测量可探测参数的变化；
(e)将光的强度的变化记录为时间的函数；
(f)记录发生显著不一致的时间，在该时间可探测参数发生指数变化；
(g)通过使发生显著不一致的时间与初始数量已知的微生物物质的可探测参数发生指数生长的已知时间相关，来确定初始数量。
附图说明
现在将参考附图，仅以示例的方式描述本发明，其中：
图1是本发明的系统的示意图；
图2是根据主题发明的一个优选实施方案制造的一个装置的透视图；
图3是主题装置的分解透视图，示出了从底座单元脱离的盖和移开的样品容器；
图4是主题装置沿图2中的线4-4的截面图；
图5是主题装置沿图4中的线5-5的截面图；
图6是主题装置沿图4中的线6-6的截面俯视图；
图7是根据本发明的一个替代实施方案制造的一个装置的截面正视图；
图8是图解主题发明的方法的流程图；
图9是图解一典型的生长时间曲线图；
图10是显示关于两种不同的微生物参数的示例性生长曲线的数据图；
图11是示出由本发明的方法生成的结果的数据表；
图12是在主题装置的方法中所用的示例性线性相关曲线；
图13是由主题方法生成的测试报告；
图14a是图解本发明的加热控制算法的流程图；以及
图14b是图解本发明的温度控制和数据收集算法的流程图；
具体实施方式
参考图1，其中图解了一种根据主题发明制造的、利用非侵入式器皿内培养以及探测快速分析微生物参数的系统。该系统10包括一个培养器-探测器装置12、一个用于容纳与试剂20混合的液体样本11的样品容器14以及一个外部数据记录器80。培养器-探测器装置12包括：一个具有探测腔室65的外壳15，该探测腔室被成形成适于接收样品容器14；一个安装在外壳15内用于培养液体样本11中的微生物物质的培养系统60；以及一个安装在外壳15内的分光光度计系统62。该分光光度计系统62在培养系统60培养微生物物质时测量被样品容器14中的液体样本11吸收、发射或散射的光的量。
培养系统60包括加热控制器92，分光光度计系统62包括分光光度计控制器94。电源90向培养系统60和分光光度计系统62供电。优选地，外部数据记录器80包括一个具有微处理器86和存储设备88的计算机85和一个连接到计算机85的诸如打印机82之类的输出设备。
现在参考图2-6，其中图解了培养器-探测器装置12的一个优选实施方案。装置12的外壳15是一个大体圆柱状的外壳，该外壳包括一个底座16、被成形为保持样品容器14的容器固定器(holder)18以及一个可移开的盖50。底座16包括一个被成形为接收盖50的向上延伸的圆柱状边55。底座16容纳有电源90、加热控制器92以及分光光度计控制器94。电源90可以是本领域已知的任何合适的电源，诸如一个位于底座16内的可再充电电池，该可再充电电池具有用于连接到外部120或220伏AC(交流)电源或DC(直流)电源的电源插座99。安装在底座16的外部上的是电源开关13、状态LED(发光二极管)97以及数据端口98。
容器固定器18包括一个底座21以及一个从底座21向上延伸的末端开口的圆柱状壁19。壁19被成形成当样品容器14被放置在外壳15内时环绕样品容器14的下部。壁19包括一对向内延伸的、正对的、大体长方形的凹槽(indent)23。
可移开的盖50被成形为围绕容器固定器18的壁19紧密贴合。优选地，盖50包括一个高热效率的双壁圆柱状壳，该壳具有外壁51、内壁59、封闭的顶端52以及末端开口的底凸缘53。底凸缘53的外表面设有密封条(bead)66，该密封条被成形为装入到底座16的边55的内表面上的沟槽67内。内壁59的内表面包括被成形为密封地接合绕容器固定器18的底座21延伸的环49的突出68。可选地，盖50可以在壁51和59之间配以真空或惰性气体。
当盖50被放置在容器固定器18上时，盖50以及容器固定器18限定一个非常有效的绝热培养-探测腔室65。优选地，使样品固定器18的壁19的内表面变黑，以使腔室65成为一个用于光探测和测量的有效黑箱(暗室)。
装置12的培养系统60包括加热元件24、温度传感器25以及培养控制器92。加热元件24安装在加热指状物57内，该加热指状物向上延伸穿过容器固定器18的底座21中的一个孔。该温度传感器25安装在从容器固定器18的底座21向上延伸的温度指状物56内。该温度传感器25可以包括一个放置在指状物56顶部附近的热敏电阻器26。
加热控制器92通过温度传感器25控制加热元件24的加热以及监控液体样本11的温度。一旦温度达到最适宜的温度，加热控制器92就维持液体样本11内的温度。优选地，加热控制器92包括一个计时器(未示出)，用于测量从开始起的培养时间，以及在预设时间结束时停止加热。
样品容器14包括一个样品盖42以及一个样品瓶44。样品瓶44是大体圆柱状的，具有容纳加热指状物57的底部空腔45以及容纳温度传感器指状物56的底部空腔46。样品瓶44还具有一对正对的、大体长方形的侧凹口(recess)48，该侧凹口被成形成在样品容器14被放置在容器固定器18内时与壁19的凹槽23配准。样品瓶44是由允许光信号传播的材料制成的，并且优选地，是由透明的塑料或其他光学透明材料制成的。
分光光度计系统62是一种用于在随着时间的过去培养微生物物质时测量被液体样本吸收、发射或散射的光的系统。如在图4中最佳显示的，分光光度计系统62优选地包括三个分光光度计：一个包括发光源30a和探测器35a的第一分光光度计、一个包括发光源30b和探测器35b的第二分光光度计以及一个包括发光源30c和探测器35c的第三分光光度计。发光源30a、b、c在样品容器14内沿所选光路传播给定强度的光束。光探测器35a、b、c被放置成探测与光路相关的所选视场内的光束强度的变化，该变化是随着时间的过去培养系统培养微生物物质时光被液体样本11吸收、发射或散射引起的。
优选地，每个光源30a、b、c包括一个特定最大波长的发光二极管(LED)，并且优选地，每个探测器35a、b、c包括一个光电晶体管探测器。光源30a、b、c以及探测器35a、b、c安装在电连接到分光光度计控制器94的印刷电路板33a、b、c上。
发光源30a、30b延伸穿过容器固定器18的底座中的孔70a和70b。以这样的方式放置发光源30a和30b：即使得，从这些源发出的光分别通过孔70a和70b在样品容器14内沿一所选光路向上行进。在发光源30a和30b的情况下，光路分别如箭头1和箭头4所示。容器固定器18还具有用于信号探测器35a和35b的孔75a和75b。探测器35a和35b以这样的方式相对于发光源30a、30b成90度角放置：即使得，探测器窗口面向样品瓶44，以接收向探测器35a和35b传播的任何信号，探测器35a和35b分别具有箭头2和箭头5所示的视场。
容器固定器18还包括分别用于信号发射源30c和信号探测器35c的合适的孔70c和75c。从光源30c发射的光沿水平光路穿过孔70c，以如箭头3所示的传播方向，穿过样品固定器14以及孔75c到达探测器35c。探测器35c被放置成使其视场与光源30c的光路成180度角。
分光光度计控制器94控制分光光度计系统的运行。分光光度计控制器94启用以及停用，并可以脉冲地驱动，信号发射源30a、b、c。分光光度计控制器94还测量和处理由探测器35a、35b和35c生成的输出信号。分光光度计控制器94包括具有一个内置时钟的微处理器95，该内置时钟起数据记录器的作用并将所测的探测器信号值与液体样本11的相应温度和测量时间一起存储到微处理器95内的特定存储位置。分光光度计控制器94可以通过启用一个或多个状态LED 97，或音频信号发出设备(未示出)来指示测试的结束。分光光度计控制器94还通过数据端口98与诸如计算机85之类的外部数据记录设备80、万用表或其他外部信号操纵器通信。
分光光度计控制器94的微处理器95包括存储器，该存储器用于存储执行主题发明的测试方法的软件。该测试方法规定实施测试过程的规范以及所需的条件。通过定制的软件，该方法可以被编程并通过数据端口98被下载到微处理器95的存储器中。该软件还能够擦除控制器94内的所有存储位置。
为了利用本发明的装置12测试液体样本，将液体样本11放置在样本容器14内。液体样本11不限于水，并且可以包括其他液体或其他含有诸如食物颗粒的悬浮物、滤纸和其他固体的液体培养基。然后向样品容器14内的液体样本11添加合适的试剂20。试剂20本质上可以是化学的或生物的，可以提供指示存在或不存在所考查的微生物物质的诸如颜色、荧光、浊度等可探测参数。
颜色、荧光或浊度信号的探测依赖于时间，并且探测时间与在测试开始时存在的细菌的数量有关。因而，通过测量颜色变化所引起的信号或荧光信号以及水样本中的总大肠菌群和大肠杆菌被探测到具有可评估量的时间，可以获得所探测的诸如水样本中的总大肠菌群以及大肠杆菌之类的微生物参数的量化。
使用装置12的分光光度计系统62来测量颜色的探测或荧光信号的探测。在优选实施方案中，分光光度计系统62包括三个分光光度计，它们分别提供对总大肠菌群的色度探测、对大肠杆菌的荧光探测以及通过浊度测定法获得的微生物生长浊度。
分光光度计控制器94的微处理器95的内置时钟提供生长时间，而培养系统60的恒定温度提供微生物生长以及光学重复性。
在本发明的系统10的一个优选实施方案中，分光光度计系统62包括位于单个恒定温度培养器内的三个“生长时间-分光光度计(time-of-growth-spectrophotometer)”，即将指定微生物参数的生长记录为时间的函数的分光光度计。由每个分光光度计完成的分光光度分析的类型取决于该分光光度计的源和探测器的配置和技术要求。源-探测器对30c和35c的180度配置提供色度或浊度分析，而源-探测器对30a、35a和30b、35b的90度配置提供荧光或浊度分析。
优选地，色度计分光光度计的源30c包括最大波长为620nm的LED，并且优选地，探测器35c是在包括620nm在内的整个可见光范围内具有信号响应的光电晶体管探测器。优选地，荧光计分光光度计的源30a是最大波长为380nm的UVLED(紫外线LED)，并且优选地，被策略地与源30b成90度放置的探测器35a是在包括400-500nm的范围的可见光区域内具有信号响应的光电晶体管探测器。浊度计的配置类似于荧光计的配置，只是源30b优选地是最大波长为400nm的LED。
在试剂20在无菌条件下被加入到样本中后，将样品盖42固定到样品瓶44上，并轻轻地摇晃样品容器14，以溶解试剂，形成样本/试剂混合物。为了同时测试水样本中的总大肠菌群以及大肠杆菌，典型的试剂不仅提供最佳的生长养分，而且还提供关于总大肠菌群的颜色变化以及关于大肠杆菌的荧光信号，如果它们以任何数量存在于样本中的话。典型的显色/荧光试剂的例子为：
Merck KGaA-Readycult
IDEXX-Colilert
然后将样品容器14放入容器固定器18内，如图2中最佳示出的。一旦可移开的盖50被放置在底座16上，培养-探测腔室65就提供对微生物生长以及分光光度探测理想的黑箱(暗室)条件。
按下装置12的底座16上的启动按钮13，启用培养循环以及探测过程。可选地，可以利用一个单独的启用按钮，以在培养开始后的一预定时间启用探测过程。
启用探测过程可以包括打开信号发射源30a、b、c以及探测器35a、b、c的电源，脉冲地驱动信号发射以及监视探测器35a、b、c的信号输出。
加热控制器92使液体样本11的温度达到并在一预设温度范围内维持在一个恒定温度。对于水中的大肠菌和大肠杆菌测试，优选的温度是36±1℃。然而，该温度依赖于所用的试剂，并且可以因试剂不同而不同。该温度还取决于测试方法技术要求。例如，可以使用同样的试剂在36℃或41℃测试大肠杆菌。
分光光度计控制器94连续地监视、记录和存储来自探测器35a、b、c的输出信号。在优选实施方案的方法中，分光光度计控制器94还记录和存储每个输出信号的时间和温度。控制器94还可以连接到外部数据记录器80，该外部数据记录器被编程以连续地或以一预定时间间隔记录信号。外部数据记录器80还可以记录每个所测信号的时间以及样本的相应温度，并生成所考查的微生物参数的“依赖于时间的生长信号图”(TDGSP)。
优选地，总大肠菌群的色度TDGSP以及大肠杆菌的荧光TDGSP与由水中的细菌生长引起的增加的浊度的浊度TDGSP同时被记录。
输出信号与初始基线的显著不一致指示存在所考查的参数，而从开始到达到该显著不一致所需的时间提供对测试参数原始量的指示。
微处理器95的时钟提供开始测试的日期和时间、每个所测信号的时间以及相应的温度、测试完成或终止的时间。测试的结束可以通过状态LED 97和/或音频信号来指示，或者可以通过软件程序来控制。
现在参考图7，其中图解了根据本发明的一个替代实施方案制造的一个装置112的示意图。除了几处改动之外，装置112基本类似于图2-6所示的优选实施方案的装置12。
装置112包括样品容器114以及一个外壳115，该外壳包括一个底座116、一个圆柱状容器固定器118以及一个可移开的盖150。容器固定器118具有一个圆柱状底座155以及一个末端开口的圆柱状壁160。容器固定器底座155具有一个向上延伸以容纳温度控制器180的温度控制器指状物156。该温度控制器180可以是一个双金属片开关(bimetal switch)或任何其他合适的可以启用和停用加热元件的装置。
加热元件124安装在样本固定器150的末端开口的圆柱状壁160内。如所示的，加热元件124包括电阻丝125。替代地，加热元件124可以是电阻线圈、电阻箔等。电阻丝的长度由金属丝125的额定电阻温度以及每英尺设计欧姆值规定。
样品容器114包括样品盖142以及样品瓶144。该样品瓶是大体圆柱状的，具有一个被成形为容纳温度控制器指状物156的底部空腔145.
加热控制器192维持样本内的恒定预设温度范围。可选地，它可以包括一个计时器(未示出)，用于测量从开始起的培养时间，以及在预设时间结束时停止加热。
装置112的分光光度计系统类似于优选实施方案的装置12的分光光度计系统。发光源130a沿箭头1的方向发射光，探测器135a探测被发射或散射的沿箭头2的方向行进的光。发光源130b沿箭头4的方向发射光，探测器135b探测被发射或散射的沿箭头5的方向行进的光。发光源130c沿箭头3的方向发射光，探测器135探测沿箭头3的方向行进的光。该分光光度计系统还包括分光光度计控制器194，该分光光度计控制器用于控制光源130a、b、c和探测器35a、b、c以及电源190的运行。
现在参考图8-13，其中图解了本发明的定量分析方法的一个优选实施方案。
本发明的定量分析方法是基于初始数量和随时间的生长数量之间存在联系这一认识。测试的开始(初始数量)与一固定的生长数量之间的时间间隔是初始数量、培养温度以及生长培养基的函数。因此，将培养温度以及生长培养基保持恒定，达到固定的生长数量所需的时间是初始数量的直接函数(direct function)。
诸如Readycult(Merck KgaA)或Colilert(IDEXX)之类的显色/荧光试剂提供这样一种机理，即在本发明中借助于该机理，可通过光度探测过程来监视和测量微生物生长数量(总大肠菌群和大肠杆菌)。由这些有机体产生的特定酶(例如半乳糖苷酶(总大肠菌群)以及葡糖苷酸酶(大肠杆菌特有的))将使养分指示剂新陈代谢以及将生色团或荧光团释放到液体培养基中。在一给定时刻探测培养基中的生色团或荧光团的浓度与该时刻的生长数量成比例，因此由发色成分的浓度增加引起的信号强度变化是对基于时间的生长数量的量度。
数量探测时间(tpop)被定义为达到可探测数量大小所花费的时间，其已经被用于估计细菌生长参数。已经表明，该探测时间与接种物(inoculum)(微生物的初始数量)水平的对数成反比：
tpop∝1/log Xo    {1}
其中Xo＝初始细菌数量。
发生显著不一致的时间(TSD)是所测的超过基线信号的光度信号量是统计上显著的时间。TSD还依赖于样本中的细菌的初始浓度，并且初始细菌总数越高，TSD越短。由于可以使用信号输出的增加来测量数量大小的增加，所以获得信号输出与基线的显著不一致(TSD)所需的时间应该和tpop对应，如果是在生长阶段测量该时间的话。该方法是
tpop＝TSD                    {2}
因此
TSD∝1/log Xo                {3}
在TSD和所考查的微生物的初始数量(Xo)之间的该线性相关曲线方程——LCCE，除了检测存在外，还提供细菌数量的量化信息。
图8是描述主题方法的步骤的流程图。在方框200，在样品容器14中将试剂20与具有初始数量未知的微生物物质的液体样本11混合，从而产生一样本/试剂混合物。试剂20提供指示微生物物质的诸如颜色或荧光之类的可探测参数。在方框202，将样品容器14放入外壳15内并将盖50放置在外壳15上。在方框204，启动培养过程，在一恒定温度下将样本/试剂混合物在封闭的外壳内培养一段时间。
在方框206，启动数据收集，在随着时间的过去培养样本/试剂混合物时测量可探测参数的变化。通过在样品容器14中的样本/试剂混合物内传播一已知强度的光并在培养期间探测光的强度的变化来测量这些变化。
在培养期间，关于时间、温度以及指示光强度变化的光度信号的数据由分光光度计控制器94收集。微生物数量随时间的增加伴随有光度信号的增加。这产生一个实时的微生物生长曲线，诸如图9所示的曲线。在方框208，终止测试，并将收集的数据存储在分光光度计控制器94的微处理器95的存储器内。
在方框210，将上述数据下载到外部数据记录器80中，优选地下载到安装有定制软件的计算机85中。在方框212，计算机80处理数据并以图形格式和表格格式显示结果。图10图解了一典型样本的所有所选参数的生长曲线——该曲线是实时记录的或者从装置12下载的，还图解了培养温度概图。左手边的竖直值表示信号强度(任意数字)。右手边是以℃(摄氏度)为单位的温度。底部的水平刻度表示以小时为单位的时间。图11图解了包括一典型样本的参数信号以及时间和温度的值的数据表。
在方框214，计算机85的软件自动地基于超过由分析师定义的基线信号值的光度信号预设值计算TSD。在方框216，利用内置的预定义线性相关曲线方程计算所考查的微生物参数的初始数量(以一给定样本体积中的集落形成单位(CFU)表示)。为了获取该线性相关曲线方程，使用本发明的方法和标准方法(膜过滤)两者处理一系列分离的具有不同初始微生物数量(如大肠杆菌)的样本。该预定义的线性相关曲线方程(LCCE)通过将从本发明获取的TSD值以及从膜过滤方法获取的相应初始数量值(X0)用坐标标出来生成。图12示出了样本的线性相关曲线。
在方框218，将初始数量值显示在计算机屏幕上，诸如图13中所示的。
因此，本发明的方法提供在培养过程进行时，对一个或多个可探测参数的连续的、非侵入式的监视和记录。输出信号的显著不一致指示存在可探测参数，而达到显著不一致所花费的时间提供对参数的定量分析。
现在参考图14a和14b，其中图解了控制器92和94的加热和温度控制以及数据收集算法。在命令方框300按下电源开关13启动控制器92的程序。
在命令方框305，控制器92和94执行质量检查，以核实培养和探测系统及部件在正常地运行。
在命令方框310，如果逻辑是“是”，控制器92和94将前进到块320。如果逻辑是“否”，这两个控制器将启动合适的LED以发出信号报告“单元故障”。
在命令方框320，控制器92通过加热元件24加热容器14中的样本11并通过温度传感器25以一预定时间间隔监控样本11的温度。
如果在命令方框330处的逻辑是“否”，则控制器92继续加热容器14中的样本11并监控其温度。
如果在命令方框330处的逻辑是“是”，则如温度传感器25所测的样本11的温度已经达到预定温度值。然后，控制器92将设置测试时间零点，并且继续监控容器14中的样本11的温度。控制器92还开始监控时间。
如果在命令方框350处的逻辑是“否”，则控制器95将继续加热样本11并监控其温度。
如果在命令方框350处的逻辑是“是”，则控制器92进入方框355，停止加热容器14中的样本11，并进入命令方框365。
在命令方框365，控制器92开始收集温度数据以及时间数据，而控制器94开始收集信号数据。控制器92还启动温度控制循环1，以在预设范围内维持培养温度。如果在循环1内的方框400处的逻辑是“是”，则该控制器返回到方框355并继续该循环。
如果在方框400处的逻辑是“否”，则该控制器将转到命令方框410，开始加热容器14中的样本11。循环2将一直继续到在方框400处的逻辑变为“是”，并且返回到循环1。
不管是逻辑循环1还是2，两个控制器92和94都将在预设的时间间隔处收集各自的数据，并将数据存储在处理器的存储器中。
在方框370，状态LED 97被更新以指示进行中的测试。
如果在命令方框375处的逻辑是“否”，则控制器92和94将返回到命令方框365，并继续收集数据，从而启动数据收集循环——循环3。如果在命令方框375处的逻辑是“是”，则认为测试完成，控制器92和94停止监视和收集数据，关闭培养和探测系统，在命令方框385进入空闲(待用)模式，等待来自用户或分析师的进一步指示。
相对于标准的膜过滤方法，该主题发明的方法和装置提供了多个优点。该主题方法和装置为快速但简单、可靠、精确地现场测试各种类型的液体样本中的微生物物质作好了准备，这些液体样本包括饮用水和娱乐用水。其他优点包括受浊度的干扰更少，由于动态分析范围大而不需要稀释，通过全自动简化了操作，以及内置的质量控制(QC)为每次测试提供自动QC。
应理解，可以对在此描述的方法和装置的实施方案进行各种改变。虽然优选实施方案的分光光度计系统包括三个分光光度计，但应理解，该装置可以包括不同数目的分光光度计。同样，源-探测器的空间配置可以有显著的改变，而不背离本发明。而且，每个分光光度计可以被配置为用于探测不同的测试参数，并且可以被独立操作或同时操作。
还应理解，发光源不限于LED(如它们可以是激光器或激光二极管)，而且探测器不限于光电晶体管(如它们可以是光电二极管、光敏电阻器、CCD等)。
此外，本发明的方法不限于优选实施方案中的可探测参数，如本方法可以用来探测由样本容器14中的试剂20中的生物或化学成分引起的生物发光或化学发光过程所导致的光发射。这将使得本发明的方法和装置可以用于利用生物发光细菌的毒性研究。
而且，任何或所有分光光度计的发光源和探测器可以被放置在培养-探测腔室65外部但位于装置10内，并且可以通过被策略地放置在腔室65内的光纤用来监视信号生长。
因此，在不脱离本发明的情况下，可以对在此描述和图解的本发明的实施方案进行各种改变，本发明的范围由所附的权利要求书限定。

Claims (28)

1.一种用于快速分析液体样本中的微生物物质的系统，包括：
(a)一个用于容纳液体样本的样品容器，该样品容器是由允许光传播的材料制成的；
(b)一个具有可封闭的腔室的外壳，该腔室被成形成适于保持所述样品容器；
(c)一个安装在外壳内的培养系统，用于培养液体样本中的任何微生物物质；以及
(d)一个安装在外壳内的分光光度计系统，用于在样品容器内传播光以及在随着时间的过去培养系统培养微生物物质时测量由该液体样本吸收、发射或散射的光。
2.根据权利要求1的系统，其中分光光度计系统包括至少一个分光光度计，该分光光度计包括：一个发光源，该发光源被定位成在样品容器内传播光；一个探测器，该探测器被定位成用于探测光在传播通过微生物物质时光量的变化以及用于产生指示该变化的探测器信号；以及一个分光光度计控制器，用于控制发光源和探测器。
3.根据权利要求2的系统，其中分光光度计控制器包括一个微处理器，该微处理器用于处理探测器信号以及用于生成为时间的函数的光变化的记录。
4.根据权利要求2的系统，其中发光源在样品容器内沿第一光路传播具有已知强度的光，探测器探测与第一光路相关的视场内的光的强度的变化。
5.根据权利要求3的系统，其中视场被定位成与第一光路成180°角。
6.根据权利要求3的系统，其中视场被定位成与第一光路成90°角。
7.根据权利要求2的系统，其中发光源包括一个发光二极管，探测器包括一个光电晶体管。
8.根据权利要求1的系统，其中分光光度计系统包括一个第一分光光度计和一个第二分光光度计，其中第一分光光度计包括一个用于在样品容器内传播第一光束的第一发光源和一个用于探测第一光束的变化的第一探测器，第二分光光度计包括一个用于在样品容器内传播第二光束的第二发光源和一个用于探测第二光束的变化的第二探测器。
9.根据权利要求8的系统，其中分光光度计系统包括一个第三分光光度计，该第三分光光度计包括一个用于在样品容器内传播第三光束的第三发光源和一个用于探测第三光束的变化的第三探测器。
10.根据权利要求2的系统，其中外壳包括一个向上延伸的、具有一开口顶端的大体圆柱状的容器固定器，以及一个用于封闭该外壳的可移开的盖，该可移开的盖被成形为环绕容器固定器。
11.根据权利要求10的系统，其中发光源和探测器安装在容器固定器内当样品容器被放置在外壳内时靠近样品容器的位置。
12.根据权利要求10的系统，其中容器固定器包括一向内延伸的凹槽，样品容器包括一侧凹口，该侧凹口被成形成当样品容器被放置在容器固定器中时与该凹槽配准。
13.根据权利要求10的系统，其中容器固定器包括一对正对的凹槽，样品容器包括一对正对的凹口，该对凹口被成形为与该对凹槽配准。
14.根据权利要求1的系统，其中培养系统包括一个加热元件、一个温度传感器以及一个响应温度传感器用于控制加热元件的加热控制器。
15.根据权利要求14的系统，其中温度传感器向上延伸到腔室内，样品容器具有一个底部空腔，该底部空腔被成形为容纳该温度传感器。
16.根据权利要求14的系统，其中加热元件向上延伸到腔室内，样品容器具有一个底部空腔，该底部空腔被成形为容纳该加热元件。
17.一种用于培养和探测液体样本中的微生物物质的装置，包括：
(a)一个具有可封闭的腔室的外壳，该腔室被成形成适于保持一个用于容纳液体样本的透明塑料样品容器；
(b)安装在外壳内的培养装置，用于培养液体样本中的任何微生物物质；
(c)安装在外壳内的分光光度计装置，用于在样品容器内传播光以及在随着时间的过去培养装置培养微生物物质时测量由该液体样本吸收、发射或散射的光。
18.根据权利要求17的装置，其中分光光度计装置包括：一个发光源，用于在样品容器内沿第一光路传播具有已知强度的光束；以及一个探测器，用于探测沿与第一光路相关的第二光路的光的强度的变化。
19.根据权利要求18的装置，其中该外壳包括：一个底座；一个安装在底座上用于保持样品容器的容器固定器，该容器固定器具有一个开口的顶端；以及一个可移开的盖，该盖被成形为封闭该样本固定器的顶端。
20.根据权利要求19的装置，其中培养装置包括一个加热元件、一个温度传感器以及一个耦合到温度传感器用于控制加热元件的加热和温度控制器。
21.一种用于快速分析液体样本中的微生物物质的方法，该方法包括以下步骤：
(a)在样品容器中将具有初始数量未知的微生物物质的液体样本与一试剂混合，从而产生一样本/试剂混合物，该试剂提供指示微生物物质的可探测参数；
(b)将样品容器放入一个可封闭的外壳内并且封闭该外壳；
(c)在一温度下在一预选温度范围内将样本/试剂混合物在封闭的外壳内培养一段时间；以及
(d)当在该段时间内培养样本/试剂混合物时，测量可探测参数的变化。
22.根据权利要求21的方法，还包括将可探测参数的变化记录为时间的函数的步骤。
23.根据权利要求21的方法，其中测量可探测参数的变化的步骤包括在样品容器中的样本/试剂混合物内传播光以及探测光的变化。
24.根据权利要求22的方法，还包括以下步骤：
(a)记录发生显著不一致的时间，在该时间可探测参数发生指数变化；以及
(b)通过使发生显著不一致的时间与初始浓度已知的微生物物质发生指数生长的已知时间相关，来确定初始数量。
25.根据权利要求21的方法，其中预选温度范围为±1℃。
26.根据权利要求21的方法，其中可探测参数选自颜色、荧光以及浊度。
27.根据权利要求21的方法，其中可探测参数包括由试剂中的生物或化学成分导致的生物发光或化学发光。
28.一种用于快速定量分析液体样本中的微生物物质的方法，该方法包括以下步骤：
(a)将具有初始数量未知的微生物物质的液体样本放入一个样品容器中，该样品容器由允许光传播的材料制成；
(b)通过将液体样本和一试剂相混合产生一样本/试剂混合物，该试剂一曝光就提供指示微生物物质的可探测参数；
(c)在一温度下在一预选温度范围内将样本/试剂混合物在一个封闭的外壳内培养一段时间；
(d)通过在样品容器中的样本/试剂混合物内传播光并且探测光的强度的变化，在于该段时间内培养样本/试剂混合物时测量可探测参数的变化；
(e)将光的强度的变化记录为时间的函数；
(f)记录发生显著不一致的时间，在该时间光的强度发生指数变化；
(g)通过使发生显著不一致的时间与初始浓度已知的微生物物质发生指数生长的已知时间相关，来确定初始数量。
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