Импедансная микробиология - Impedance microbiology

Импедансная микробиология это микробиологический метод, используемый для измерения микробного числовая плотность (в основном бактерии но также дрожжи ) образца путем мониторинга электрических параметров среда роста. Способность микробный метаболизм изменить электрическая проводимость ростовой среды был открыт Стюартом[1] и далее изучался другими учеными, такими как Окер-Блом,[2] Парсон[3] и Эллисон[4] в первой половине 20 века. Однако только в конце 1970-х годов благодаря компьютер -управляемые системы, используемые для мониторинга сопротивление, техника раскрыла весь свой потенциал, о чем говорится в работах Fistenberg-Eden & Eden,[5] Ур и Браун[6] и Кэди.[7]

Принцип действия

Рисунок 1: Эквивалентная электрическая схема для моделирования пары электродов, находящихся в прямом контакте с жидкой средой.

Когда пара электроды погружены в питательную среду, система состоит из электродов и электролит можно смоделировать с помощью электрическая цепь рис.1, где Rм и Cм являются сопротивление и емкость объемной среды, а Rя и Cя - сопротивление и емкость границы раздела электрод-электролит.[8] Однако когда частота из синусоидальный тестовый сигнал, подаваемый на электроды, относительно низкий (менее 1 МГц), объемная емкость Cм можно пренебречь, и систему можно смоделировать более простой схемой, состоящей только из сопротивления Rs и емкость Cs последовательно. Сопротивление Rs учитывает электропроводность объемной среды, в то время как емкость Cs возникает из-за емкостного двойного слоя на границе электрод-электролит.[9] Во время фазы роста бактериальный метаболизм превращает незаряженные или слабо заряженные соединения основной массы в сильно заряженные соединения, которые изменяют электрические свойства среды. Это приводит к снижению сопротивления Rs и увеличение емкости Cs.

В методике импедансной микробиологии так работает образец с неизвестной начальной концентрацией бактерий (C0) помещают при температуре, благоприятствующей росту бактерий (в диапазоне от 37 до 42 ° C, если мишенью является мезофильная микробная популяция), и электрические параметры Rs и Cs измеряются через равные промежутки времени в несколько минут с помощью пары электродов, находящихся в прямом контакте с образцом.[нужна цитата ]

Пока концентрация бактерий не опустится ниже критического порога CTH электрические параметры Rs и Cs остаются практически постоянными (при исходных значениях). CTH зависит от различных параметров, таких как геометрия электродов, штамм бактерий, химический состав питательной среды и т. д., но всегда находится в диапазоне 106 до 107 КОЕ / мл.

Когда концентрация бактерий увеличивается выше CTHэлектрические параметры отклоняются от своих исходных значений (обычно в случае бактерий наблюдается уменьшение Rs и увеличение Cs, в случае дрожжей происходит обратное).

Время, необходимое для электрических параметров Rs и Cs отклонение от исходного значения называется временем обнаружения (DT) и является параметром, используемым для оценки начальной неизвестной концентрации бактерий C0.

Рисунок 2: Rs кривая и кривая концентрации бактерий как функция времени

На рис.2 типичная кривая для Rs а также соответствующая концентрация бактерий в зависимости от времени. На рис.3 показан типичный Rs кривые от времени для образцов с различной концентрацией бактерий. Поскольку DT - это время, необходимое для роста концентрации бактерий от начального значения C0 в CTH, сильно загрязненные образцы характеризуются более низкими значениями DT, чем образцы с низкой концентрацией бактерий. Учитывая C1, С2 и C3 концентрация бактерий в трех образцах с C1 > C2 > C3, это DT1 2 3. Данные из литературы показывают, что DT является линейной функцией логарифма C0:[10][11]

где параметры A и B зависят от конкретного типа исследуемых образцов, бактериальных штаммов, типа используемой обогащающей среды и так далее. Эти параметры могут быть рассчитаны путем калибровки системы с использованием набора образцов, концентрация бактерий в которых известна, и расчета линии линейной регрессии, которая будет использоваться для оценки концентрации бактерий на основе измеренного DT.

Рисунок 3: Rs кривые для образцов с различной концентрацией бактерий в зависимости от времени

Импедансная микробиология имеет различные преимущества по сравнению со стандартным методом подсчета на чашках для измерения концентрации бактерий. Он отличается более быстрым временем отклика. В случае мезофильных бактерий время отклика колеблется от 2 до 3 часов для сильно загрязненных образцов (105 - 106 КОЕ / мл) до более 10 часов для образцов с очень низкой концентрацией бактерий (менее 10 КОЕ / мл). Для сравнения, для тех же бактериальных штаммов метод подсчета на чашках характеризуется временем отклика от 48 до 72 часов.[нужна цитата ]

Импедансная микробиология - это метод, который можно легко автоматизировать и реализовать как часть промышленного оборудования или реализовать в виде встроенного портативного датчика, в то время как подсчет планшетов - это ручной метод, который должен выполняться в лаборатории давно обученным персоналом.

Приборы

За последние десятилетия были созданы различные инструменты (лабораторные или коммерческие) для измерения концентрации бактерий с использованием импедансной микробиологии. Один из самых продаваемых и хорошо известных инструментов в отрасли - это бактометр.[12] пользователя Biomerieux. Оригинальный прибор 1984 года имеет мультиинкубаторную систему, способную контролировать до 512 образцов одновременно с возможностью установки 8 различных температур инкубации. Другие инструменты с характеристиками, сопоставимыми с бактометром, - это Malthus от Malthus Instruments Ltd (Бери, Великобритания),[13] RABIT от Don Whitley Scientific (Шипли, Великобритания)[14] и Bac Trac от Sy-Lab (Пуркенсдорф, Австрия).[15]Недавно была предложена портативная встроенная система для измерения концентрации микробов в жидких и полужидких средах с использованием импедансной микробиологии.[16][17] Система состоит из терморегулируемой инкубационной камеры, в которой хранится тестируемый образец, и контроллера для измерения терморегуляции и импеданса.

Приложения

Импедансная микробиология широко использовалась в последние десятилетия для измерения концентрации бактерий и дрожжей в различных типах образцов, в основном для обеспечения качества в пищевой промышленности. Некоторые приложения: определение срока годности пастеризованного молока.[18] и мера общей концентрации бактерий в сыром молоке,[19][20] замороженные овощи,[21] зерновые продукты,[22] мясные продукты[23] и пиво.[24][25] Этот метод также использовался в мониторинге окружающей среды для определения концентрации кишечной палочки в образцах воды, а также других бактериальных патогенов, таких как Кишечная палочка присутствует в водоемах[26],[27][28] в фармацевтической промышленности для проверки эффективности новых антибактериальных средств[29] и тестирование конечных продуктов.

Рекомендации

  1. ^ Стюарт, Г. (1899 г.). «Изменения, вызванные ростом бактерий в молекулярной концентрации и электропроводности питательных сред». Журнал экспериментальной медицины. 4 (2): 235–243. Дои:10.1084 / jem.4.2.235. ЧВК  2118043. PMID  19866908.
  2. ^ Окер-Блом, М. (1912). "Die elektrische Leitfahigkeit im dienste der Bakteriologie". Центрбл Бактериол. 65: 382–389.
  3. ^ Parsons, L.B .; Стерджес, W.S. (1926). «Возможности метода проводимости применительно к изучению бактериального метаболизма». Журнал бактериологии. 11 (3): 177–188. Дои:10.1128 / JB.11.3.177-188.1926. ЧВК  374863. PMID  16559179.
  4. ^ Allison, J.B .; Anderson, J.A .; Коул, W.H. (1938). «Метод электропроводности в исследовании метаболизма бактерий». Журнал бактериологии. 36 (6): 571–586. Дои:10.1128 / JB.36.6.571-586.1938. ЧВК  545411. PMID  16560176.
  5. ^ Fistenberg-Eden, R .; Иден, Г. (1984). Импедансная микробиология. Нью-Йорк: Джон Вили.
  6. ^ Ур, А .; Браун, Д.Ф.Дж. (1975). Мониторинг бактериальной активности путем измерения импеданса. Нью-Йорк: Глава 5 в «Новые подходы к идентификации микроорганизмов» под редакцией К. Хедена и Т. Иллени, John Wiley & Sons. С. 63–71.
  7. ^ Кэди, П. (1978). Прогресс в измерениях импеданса в микробиологии. Спрингфилд: Глава 14 в «Механизации микробиологии» под редакцией Энтони Н. Шарпа и Дэвида С. Кларка, издателя Чарльза С. Томаса. С. 199–239.
  8. ^ Grossi, M .; Lanzoni, M .; Помпеи, А .; Lazzarini, R .; Matteuzzi, D .; Рикко, Б. (июнь 2008 г.). «Определение концентрации микробов в мороженом методом импеданса». Биосенсоры и биоэлектроника. 23 (11): 1616–1623. Дои:10.1016 / j.bios.2008.01.032. PMID  18353628.
  9. ^ Felice, C.J .; Валентинуцци, M.E .; Vercellone, M.I .; Мадрид, R.E. (1992). «Импедансная бактериометрия: вклад среды и интерфейса во время роста бактерий». IEEE Transactions по биомедицинской инженерии. 39 (12): 1310–1313. Дои:10.1109/10.184708. PMID  1487295. S2CID  20555314.
  10. ^ Grossi, M .; Помпеи, А .; Lanzoni, M .; Lazzarini, R .; Matteuzzi, D .; Рикко, Б. (2009). «Общее количество бактерий в мягких замороженных молочных продуктах по импедансной биосенсорной системе». Журнал датчиков IEEE. 9 (10): 1270–1276. Bibcode:2009ISenJ ... 9.1270G. Дои:10.1109 / JSEN.2009.2029816. S2CID  36545815.
  11. ^ Silverman, M.P .; Муньос, Э.Ф. (1979). «Автоматизированный метод электрического импеданса для быстрого подсчета фекальных колиформ в сточных водах очистных сооружений». Прикладная и экологическая микробиология. 37 (3): 521–526. Bibcode:1979STIA ... 7939970S. Дои:10.1128 / AEM.37.3.521-526.1979. ЧВК  243248. PMID  378128.
  12. ^ Priego, R .; Медина, Л.М .; Джордано, Р. (2011). «Бактометрическая система по сравнению с традиционными методами мониторинга популяций бактерий в сальчихоне в процессе созревания». Журнал защиты пищевых продуктов. 74 (1): 145–148. Дои:10.4315 / 0362-028X.JFP-10-244. PMID  21219778.
  13. ^ Jawad, G.M .; Костный мозг, Т .; Одумеру, Я. (1998). «Оценка импедансного микробиологического метода для обнаружения кишечной палочки в пищевых продуктах». Журнал быстрых методов и автоматизации в микробиологии. 6 (4): 297–305. Дои:10.1111 / j.1745-4581.1998.tb00210.x.
  14. ^ "КРОЛИК инструмент".
  15. ^ «Инструмент Bac Trac».
  16. ^ Grossi, M .; Lanzoni, M .; Помпеи, А .; Lazzarini, R .; Matteuzzi, D .; Рикко, Б. (2010). «Встроенная портативная биосенсорная система для определения концентрации бактерий». Биосенсоры и биоэлектроника (Представлена ​​рукопись). 26 (3): 983–990. Дои:10.1016 / j.bios.2010.08.039. PMID  20833014.
  17. ^ Grossi, M .; Lazzarini, R .; Lanzoni, M .; Помпеи, А .; Matteuzzi, D .; Рикко, Б. (2013). «Портативный датчик с одноразовыми электродами для оценки бактериального качества воды» (PDF). Журнал датчиков IEEE. 13 (5): 1775–1781. Bibcode:2013ISenJ..13.1775G. Дои:10.1109 / JSEN.2013.2243142. S2CID  24631451.
  18. ^ Бишоп, J.R .; White, C.H .; Фистенберг-Иден, Р. (1984). «Экспресс-импедиметрический метод определения потенциального срока годности пастеризованного цельного молока». Журнал защиты пищевых продуктов. 47 (6): 471–475. Дои:10.4315 / 0362-028X-47.6.471. PMID  30934476.
  19. ^ Гросси, Марко; Ланцони, Массимо; Помпеи, Анна; Лаццарини, Роберто; Маттеуцци, Диего; Рикко, Бруно (2011). «Портативная биосенсорная система для измерения концентрации бактерий в сыром коровьем молоке» (PDF). 2011 4-й Международный семинар IEEE по достижениям в датчиках и интерфейсах (IWASI). С. 132–137. Дои:10.1109 / IWASI.2011.6004703. ISBN  978-1-4577-0623-3. S2CID  44834186.
  20. ^ Gnan, S .; Luedecke, L.O. (1982). «Измерение импеданса сырого молока в качестве альтернативы стандартному подсчету на чашке». Журнал защиты пищевых продуктов. 45 (1): 4–7. Дои:10.4315 / 0362-028X-45.1.4. PMID  30866349.
  21. ^ Харди, Д .; Kraeger, S.J .; Dufour, S.W .; Кэди, П. (1977). «Быстрое обнаружение микробного загрязнения замороженных овощей с помощью автоматизированных измерений импеданса». Прикладная и экологическая микробиология. 34 (1): 14–17. Дои:10.1128 / AEM.34.1.14-17.1977. ЧВК  242580. PMID  329759.
  22. ^ Соррелс, К. (1981). «Быстрое определение содержания бактерий в зерновых продуктах злаков с помощью автоматизированных измерений импеданса». Журнал защиты пищевых продуктов. 44 (11): 832–834. Дои:10.4315 / 0362-028X-44.11.832. PMID  30856750.
  23. ^ Фистенберг-Иден, Р. (1983). «Быстрая оценка количества микроорганизмов в сыром мясе с помощью измерения импеданса». Пищевые технологии. 37: 64–70.
  24. ^ Помпеи, А .; Grossi, M .; Lanzoni, M .; Perretti, G .; Lazzarini, R .; Riccò, B .; Маттеуцци, Д. (2012). «Возможность определения концентрации лактобацилл в пиве с помощью автоматизированного импедансного метода». Ежеквартальный технический вестник MBAA. 49 (1): 11–18. Дои:10.1094 / TQ-49-1-0315-01.
  25. ^ Эванс, H.A.V. (1982). «Заметка о двух применениях импедиметрии в пивоваренной микробиологии». Журнал прикладной бактериологии. 53 (3): 423–426. Дои:10.1111 / j.1365-2672.1982.tb01291.x.
  26. ^ Каур, Харманджит; Шори, Муниш; Сабхервол, Приянка; Гангули, Ашок (2017). «Аптасенсор, функционализированный на основе мостиковой арматуры и графена для обнаружения патогенных E. coli O78: K80: H11». Биосенсоры и биоэлектроника. 98: 486–493. Дои:10.1016 / j.bios.2017.07.004. PMID  28728009.
  27. ^ Colquhoun, K.O .; Timms, S .; Фрикер, C.R. (1995). «Обнаружение Escherichia Coli в питьевой воде с использованием технологии прямого импеданса». Журнал прикладной микробиологии. 79 (6): 635–639. Дои:10.1111 / j.1365-2672.1995.tb00948.x. PMID  8557618.
  28. ^ Strauss, W.M .; Malaney, G.W .; Таннер, Р. Д. (1984). «Метод импеданса для мониторинга общих колиформ в сточных водах». Folia Microbiologica. 29 (2): 162–169. Дои:10.1007 / bf02872933. PMID  6373524. S2CID  21980065.
  29. ^ Gould, I.M .; Джейсон, A.C .; Милн, К. (1989). «Использование анализатора роста Мальтуса для изучения постантибиотического действия антибиотиков». Журнал антимикробной химиотерапии. 24 (4): 523–531. Дои:10.1093 / jac / 24.4.523. PMID  2515188.