[发明专利]生物量浓度测量装置、方法以及电子芯片元件在测量所述生物量浓度上的使用

说明书

技术领域

本发明涉及使用阻抗改变测量值来测量介质的生物量浓度的装置和方法。本发明还涉及电子芯片元件在测量所述生物量浓度上的使用。

背景技术

生物量是发酵、食品工业和临床诊断领域的重要控制参数，对其活性的适当监控是至关重要的。这些工业领域需要能够区分并量化存在于介质中的微生物的装置。

在工业领域，对诸如饮用水区域中的水溶液的微生物控制要求对每立方厘米10²个菌落形成单位的极低的微生物浓度进行量化，以下将每立方厘米的菌落形成单位称为cfu.cm^-3。

迄今为止，最常见的用于测量较低细菌生物量浓度的方法是那些基于平板培养和PCR技术的方法。平板培养是一种简单且十分可靠的技术，但是过于缓慢(至少需要24小时的培育期)。

电化学阻抗谱(EIS)是一种用于生物量的表征和量化的技术，该技术基于在研究方法中施加可变频率的电势，以及基于针对每一个不同频率对介质中的电流响应所做的测量，其中使用至少两个电极。所述电流响应使得可以获得一个电阻抗，该电阻抗在一个等效于所研究的介质的电学模型的电路中测得。

频率扫描产生如下阻抗谱，在该阻抗谱中，在特定频率处，由溶液中所产生的改变引起的所述阻抗模块的值的降低是通过细菌新陈代谢的产物或通过溶液中的细胞自身实现的。由生物量的存在而产生的阻抗值改变被用于确定介质的生物量浓度。

现有的使用电化学阻抗谱来确定生物量浓度的阻抗分析装置，具有速度缓慢这一缺点，因为其需要较长的测量时间，尤其对于浓度低于10³cfu.cm^-3的情况。另一方面，所述装置还具有在测量低生物量浓度时不可靠这一缺点，因为所进行的测量对于培养生物量时介质中的温度和电导率的变化十分敏感。在较低的浓度下，信噪比很小，因此难以进行正确的测量。

专利ES2143911描述了一种用于测量生物量浓度的方法和设备，其旨在改进现有方法和装置的可靠性和速度，并主要针对低生物量浓度的测量。

上述专利的方法根据高频率和低频率下的阻抗之间的关系评估生物量浓度。在第一选择方案中，直接使用在高频率和低频率时获得的阻抗值，在第二选择方案中，使用通过调整曲线中的频率扫描的阻抗数据而得到的两个值。在所使用的方法中，按惯例接受了一种等效于所述介质的电学模型的电路，该电学模型包括细胞外介质的阻抗、细胞内介质的阻抗，以及细胞膜的电容。

在上述专利中描述的阻抗分析装置包括读取探针，该读取探针被设计为适用于工业生物反应器的两标准联接件——包括介质的温度和电导率传感器和一套电极。每个探针的多个电极都被两两地放置在一个横向长孔的多个纵向边缘上，或者在另一实施方案中，被放置在培养物薄层所放置的平板或支撑物上。在两种情况下，所述电极构造均被设计为一方面通过限定方式限制电场，以便于测量低浓度下的生物量浓度，另一方面，降低生物量中气泡存在的可能性，气泡的存在会影响测量。

但是，在上述专利中描述的装置和方法仍然具有局限性，因为在培养物中细胞外介质的电导率(溶液电导率)发生的适度变化仍会误导对低生物量浓度的测量。

专利ES2183677构成对上述专利的改进，其旨在改进低生物量浓度下的检测方法的可靠性。所提出的改进方法包括测量在两个区域中的介质电阻抗，一个区域不具有生物量，另一个区域具有生物量。使用多组相同的电极在上述两个区域进行测量，以取得关于在不具有生物量的区域中的介质的电导率变化的信息。所获得的信息被用于校正在具有生物量的区域中的介质的生物量浓度的评估结果。

但是，尽管具有所提出的改进，但上述专利的测量方法复杂且低效，因为它在测量低于10⁵cfu.cm^-3的生物量浓度时，仍然存在局限。

发明内容

本发明的目的在于通过开发一种呈现出快速、简便和可靠的优势的用于测量低生物量浓度的装置和方法，来解决上述缺陷。

为实现这一目的，根据第一方面，本发明提供了一种用于测量介质中的生物量浓度的装置，该装置包括用于测量由生物量的存在所产生的电阻抗的改变的器件，以及用于确定阻抗改变的处理和控制器件。所述装置的特征在于所述的测量阻抗的改变的器件包括至少两个电极，该至少两个电极具有合适的构造以允许测量由生物量静电吸附所产生的电极/溶液界面的双电层的电容的改变，并且其特征在于，所述处理和控制器件通过一个将所述电容改变与生物量浓度相关联的标定曲线来确定生物量浓度。