基于高灵敏度光谱技术的微生物生长测量方法研究

Microorganisms occupies a very important position in the ecosystem aspects such as food chain and material circulation for their important functions in biological production, energy flow, material circulation and information transmission. Furthermore, microbial growth curves can be used to measure a variety of indicators of microorganisms such as metabolism, growth trends and etc..Combining the tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) technique with the detection requirements of microbial growth, this project aims to establish the relationship between microbial growth and the concentration of its metabolic products (CO2) and to study on a new method of automatic detection of clinical microorganism growth with non-contact and high sensitivity..The research results of the project will help spectroscopy technique to expand a new application, present the solution that the information of target spectrum can be precisely extracted in the case of pressure variations, and apply interdisciplinary approaches of spectroscopy and microbiological measurement to solve the problems of the microbiological detection, so that it can break the situation that the instruments of microbiological measurement are monopolized by foreign brands in high-end market and realize localization for high-end automatic microbial growth measuring instruments..In this project, the method of microbiological measurement possesses various advantages, such as, low detection-cost, high spectral resolution, high sensitivity, high degree of automation, marker-free and complete time resolution, which has practical significance to achieve rapid diagnosis and the accurate measurement of microbial growth.

微生物生长检测已覆盖国民经济多个领域，在食品安全、医疗诊断、微生物学研究等领域具有重要意义。本项目将可调谐半导体激光光谱技术(TDLAS)结合微生物生长检测需求，研究一种新型的非接触、高灵敏的全自动临床微生物生长的检测方法与技术。通过测量微生物生长过程中的新陈代谢产物CO2，探索微生物生长指标(主要包括：生长速率、生长期、阴阳性判定等)与代谢产物CO2耦合关系，形成一种具有检测成本低、免标识物、时间分辨完整、灵敏度高、自动化程度高等优点的微生物检测技术，为实现高端全自动微生物生长的精确测量和快速诊断的在线检测系统开发以及设备研制提供理论基础和技术支持。解决压力变化情况下的光谱信息精确提取的技术问题，研究结果将有助于拓展光谱技术的新应用；完善微生物生长曲线与代谢产物量的物理模型，对现有的微生物种群数量为自变量的生长曲线模型进行二次建模，研究结果将有助于新的测量手段应用于微生物生长检测。

由于微生物在人类生活中扮演着至关重要的角色，微生物生长检测研究显得尤为重要。无论是国内还是国外，微生物检测一直是手工、半自动、全自动共存的方式。由于灵敏度和自动化程度高，二氧化碳(CO2)产量分析法成为检测微生物生长曲线的主流。近年来CO2含量的测量技术已经趋向成熟，其中以可调谐半导体激光光谱技术(TDLAS)的高灵敏度最为突出，该技术具有灵敏度高、选择性强、响应时间快、实时在线、非侵入、结构简单等特点，因此，该技术在微生物检测应用中日趋受到重视。.本项目通过TDLAS技术实现微生物生长指标的测量应用进行研究，以微生物代谢产物CO2作为目标分子，从HITRAN获取所选谱线的光谱信息，并将所选的谱线用TDLAS技术在压强变化的密闭环境中实现CO2的含量精确测量。在此基础上探索微生物生长指标(主要包括：生长速率、生长期、阴阳性判定等)与代谢产物CO2的耦合关系并对结果进行了分析，形成一种具有检测成本低、免标识物、灵敏度高、自动化程度高等优点的微生物检测新技术。最后将开发的微生物检测新技术应用到全自动微生物生长曲线检测系统，对系统做了集成并将系统与法国梅里埃公司的BacT/ALERT3D仪器进行比较，验证稳定性和可靠性。.通过TDLAS与WMS技术，搭建微生物生长检测系统的实验装置，在探测有效光程约为3cm的情况下，空气中CO2的测量精度达到了50ppm，与此同时在线实时连续测量了不同温度下的培养瓶内上空的CO2，通过CO2的浓度含量反映出微生物的生长曲线，并通过Gompertz、Logistic、Baranyi等模型拟合生长曲线并反演出微生物生长指标，建立了一种以微生物生长平行量(CO2含量)为参量的新模型，提高分析微生物生长指标的精度，此外，本项目还提出一种压力补偿方案解决了在压强变化的密闭环境中使用WMS技术，为精确分析微生物生长指标提供技术理论支撑，从实验的结果看，测量获得的微生物生长指标是符合微生物实际生长规律，确定了TDLAS技术实现微生物生长检测的可行性，研究成果可用于全自动微生物生长检测系统，为推动全自动微生物生长检测系统国产化提供参考。