[发明专利]高灵敏度实时细菌监测器

说明书

技术领域

本发明涉及宿主溶液中的细菌检测的领域，特别是用于例如在流程工艺制造中对细菌水平进行实时评估中所使用的细菌检测。

背景技术

在名为“用于细菌监测的方法和设备”的国际公开文献No.WO 2014/155381中，描述了一种用于检测细菌和细胞浓度的设备和方法。图1中示出了使用在该公开文献中描述的方法和设备的系统的示意性说明。该系统结合有一种带有有序阵列的一系列孔眼(well)或孔隙的基底20，这些孔眼或孔隙具有与目标的尺寸相符的直径。该基底可以是一种利用宽带白色光源25照射的周期性的大孔硅阵列结构(MPSiAS)，该光源在基底上产生大照射点，从而照射基底的大部分。图1的附图示出了来自光源25并从基底的孔隙区域反射回到单个检测器26的单一射线，该单个检测器26在图1的示例系统中被定位在与光源单元相同的壳体中。将会明白的是，光学照射和检测系统覆盖了基底的所有部分或大部分。将要对其测量细菌含量的宿主分析物24在基本平行于阵列表面的方向中流过基底的表面21，并且宿主分析物中的细菌通过远离流动方向的随机运动进入基底的孔眼。对从整个基底或其相当大的一部分衍射的反射光进行检测26和光谱分析27、28，以便提供孔眼的有效光学深度。快速傅立叶变换分析28、29可被用于该光学分析，并且所反射的干涉光在检测到的有效光学深度处的振幅提供了孔眼的细菌填充因子的量度。通过孔眼的有效光学深度的变化来检测孔眼中的目标成分的进入。可以实时进行该检测，使得可以实现生产线细菌监测。

然而，该公开文献中所描述的设备具有多个运行缺点，由此，在合理的时间内可测量到的细菌的最低浓度受到限制。该设备已被证明能够进行活菌浓度低至约10⁶个细胞/毫升的细菌检测。然而，食品工业和水产业的需求为低至100个细胞/毫升，甚至更低。这可能使该装置在商业上处于不利地位。

在WO 2014/155381中，由于液体样本在大孔硅阵列结构(MPSiAS)的表面上流过且基本平行于该表面流动，因此细菌可进入这些孔隙并且通过使用其运动性将它们自身主动地引导到空隙中而将它们收集在那里。对于平行于阵列的表面的流动方向，在没有任何外部影响(例如食物浓度)的情况下，细菌进入到孔隙中的运动仅通过细菌的自发运动来实现。在细菌改变方向(每约1秒发生一次)之前，已知这种自发运动被利用约为30μ的平均路径随机地引导。这意味着以与阵列的表面相距不止30μ的方式漂浮在溶液中的细菌将具有明显更低的进入孔隙的概率。

细菌进入到孔隙中的比率可通过下列等式计算：

S_进＝∫Q(I)*P(I) (1)

其中，S_进是进入到孔隙中的细菌的比率，

Q(I)是在与阵列的表面相距距离I处的细菌浓度，以及

P(I)是在距离I处的细菌进入孔隙中的概率。

从阵列表面处的I＝0到I＝∞取积分。

例如，如果细菌并未受到将为其提供移动所沿的提议方向的任何外部影响，即其运动是完全随机的，它将在给定方向中移动的概率是1/4π。位于尺寸为2μ×2μ的孔隙上方30μ的细菌进入该孔隙的概率因此会是

P(30μ)＝(2μ/30μ)²/4π (2)

然而，以与细菌进入到孔隙中相同的方式，它们也有机会离开孔隙，无论是通过随机地回流到位于孔隙外侧的液体流中，还是通过主动地将其自身移动出去。

细菌离开的比率通过以下给出：

S_出＝∫Q'(I)*P'(I) (3)

其中，S_出是孔隙排空的比率，

Q'(m)是孔隙中的在与孔隙的顶部相距深度m处的细菌浓度，

P'(m)是在深度m处的细菌离开孔隙的概率。

从阵列平面处的m＝0到m＝D取积分，其中，D为平均孔隙深度。

细菌的填充比率是：

S＝S_进-S_出 (4)

如在WO 2014/155381参考文献中所描述的光信号是介于被包括在光束内的来自所有孔隙的底面的宽带光和来自基底的位于孔隙之间的表面的宽带光的共同反射之间产生的干涉图案。当孔隙开始填充有细菌时，该共同反射图案从正好填充有样本溶液的EOT(n)孔隙的图案(其中，n是光束中所包括的孔隙数量)变化到：

EOT＝EOT'(m)+EOT(n-m) (5)