乳制品細菌含量電子檢測儀的設計與制作

摘要：生物電化學檢測是近些年在農(nóng)業(yè)及相關食品生產(chǎn)和銷售領域新興起來的一種用于微生物檢測的實現(xiàn)方法。文中采用電化學方法檢測數(shù)據(jù)，給出了一種微生物電子快速檢測儀的設計與制作方法，該系統(tǒng)基于Lab windows/CVI文本編程語言，并利用虛擬儀器應用軟件中的庫函數(shù)來設計數(shù)據(jù)顯示和用戶操作的人機界面，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、控制、分析及結果輸出和顯示。

關鍵詞：生物傳感器;數(shù)據(jù)采集;微電流放大;微生物快速檢測

0 引言

微生物測量在食品、臨床醫(yī)學和環(huán)境檢測等諸多領域具有非常重要的意義，對微生物活細胞的快速檢測更是一個令人關注的課題。國內(nèi)外的微生物學家、物理學家、電子信息和化學科學家充分利用微生物的熱學、光學、電化學和生物化學性質(zhì)，提出了一系列新型的微生物快速檢測方法。測量生活飲品的細菌含量，國際上公認的有標準平板培育法和顯微鏡直接觀察法。但這兩種方法都存在一定的缺點，除了需要熟練的操作技能外，標準平板培育法的培育時間長達數(shù)日，而顯微鏡觀察法則要一直觀測到細菌死亡。因此，對于要求迅速和多體的檢測對象，顯然不適宜采用上述兩種方法。

1 已有的檢測儀器

近兩年來，國外一些科技公司相繼研制開發(fā)了食品和奶乳制品微生物快速檢測的相關檢測儀器，并在我國設立了代理商。其具有代表性的有美國Hygiena生產(chǎn)的Pi一102食品細菌快速測定儀，該食品細菌含量快速測定儀主要利用ATP生物發(fā)光法，配合高靈敏光電倍增管和專用試劑，可在10分鐘內(nèi)對食品樣品(經(jīng)前處理)中所含微生物總數(shù)做出快速估算，將該檢測結果數(shù)據(jù)與國家相應標準對應，可初步判斷食品樣品中的微生物情況，如是否超標。ATP是三磷酸腺苷的簡稱，是細胞內(nèi)供能分子。Pi一102食品細菌快速測定儀通過檢測樣品中的ATP與熒光素酶的發(fā)光反應來得出光單位讀數(shù)，經(jīng)換算即可估算出ATP的總數(shù)水平，然后進一步間接判斷樣品中的微生物總數(shù)，以為食品衛(wèi)生監(jiān)督現(xiàn)場檢測提供參考。該檢測儀在中國的銷售價為7.9萬元人民幣。但因ATP生物發(fā)光反應受各類因素(溫度、酸堿、稀釋濃度等)影響，結果與常規(guī)培養(yǎng)所得的CFU (colonvformine unit，菌落形成單位)存在一定偏差，所以該檢測建議用戶設定臨界值做參考。

其次，BactoCount IBCDM是美國BENTLEY公司最新推出的一款半自動牛奶細菌計數(shù)儀。該儀器是針對中小型實驗室設計的。快速的檢測結果是其成為牛奶加工廠或牛奶制品實驗室的工具，從而填補了對奶源的微生物快速檢測的空白。該儀器的檢測步驟和原理首先是培養(yǎng)(樣品準備)，即在奶樣中加入由凈化緩沖液、水解蛋白酶和熒光標記液組成的培養(yǎng)試劑，以溶解奶樣中的體細胞、穩(wěn)定脂肪球和蛋白、滲透細菌并沾染DNA。在培養(yǎng)過程中，熒光標記液可以快速滲入到所有雙層核酸的細菌中。同時超聲波降解器可對干擾粒子進行化學降解、瓦解剩余的細菌菌落并減少背景熒光。該檢測儀在中國的銷售價為72萬人民幣。

另外，就是丹麥福斯公司(Foss)的BactoScan FC型系列牛奶細菌總數(shù)快速分析儀。利用該檢測系統(tǒng)，用戶可在一分鐘內(nèi)獲得原料奶中的

細菌總數(shù)量，可為牧場和乳品加工企業(yè)提供快速、可靠的數(shù)據(jù)。依靠這些快速準確的信息，牧場就可及時改進其衛(wèi)生狀況，提高所售產(chǎn)品的質(zhì)量。特別是乳品加工廠，可用其快速的優(yōu)勢實時對現(xiàn)場進廠的原料進行有效檢測，以將細菌指標不合格的原料奶擋在加工廠之外，從而避免給加工企業(yè)造成損失。而可靠的數(shù)據(jù)又可為牧場和乳品廠按質(zhì)計價提供公平全面的分析手段。

目前，F(xiàn)low Cytometry(流氏細胞計數(shù)原理/對流動中的細胞、細菌或顆粒計數(shù)和特性認定)技術已被生物化學和醫(yī)學科技界廣泛應用。其原理是將被測定的細胞/顆粒染色并置于懸浮液體之中，然后強迫細胞/顆粒逐一通過一個非常窄小的縫隙/管道。同時向其發(fā)出特殊光束，使得每一個被染色后的細胞/顆粒在通過測定點時也發(fā)出回應光束脈沖信號，然后采用電子技術再將其脈沖信號記錄下來。該檢測儀在中國的銷售價為140萬元人民幣。

2 信息采集及放大電路設計

近年來，國內(nèi)的微生物學、生物醫(yī)學、物理和電子信息等學科的相關專家在食品的農(nóng)藥殘余、有害化學成分和有害微生物的檢測等方面也進行了廣泛而深入的研究，發(fā)表了大量的相關學術論文。其具有代表性的微生物檢測生物電化學方法是蔡豪斌2000年發(fā)表在《華夏醫(yī)學》上的文章“微生物活細胞檢測生物傳感器的研究”和盧智遠等2005年發(fā)表在《傳感技術學報》上的文章“一種微生物檢測的生物電化學方法研究”，但是在國內(nèi)尚沒有見到該方面微生物檢測實際應用的報導。

在前期研究的基礎上，本文對于有關文獻中的試驗數(shù)據(jù)進行了信息采樣與數(shù)據(jù)處理，同時進行了微生物快速檢測儀的設計制作。表1所列是盧智遠等人在其文獻中給出的25℃時的鮮牛奶細菌含量與傳感器的試驗數(shù)據(jù)。

由表1可見，傳感器輸出的電流和電壓十分微弱，這樣，在信息的模數(shù)轉化和信號處理過程中可能會產(chǎn)生誤差，故應設計如圖1所示的具有微電流放大作用的放大電路。該放大電路采用具有高增益、高共模抑制比、失調(diào)小和漂移較低的ICL7650作為運算放大器，并考慮了相位補償、電源波動及干擾濾除等因素。該放大器具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，閉環(huán)放大倍數(shù)為50。生物電池盒輸出的信號經(jīng)微電流放大器可以進行有效的放大。

該檢測儀只要通過點擊圖中的Start按鍵，就可以開始進行電流值的數(shù)據(jù)采集，然后經(jīng)過程序中的函數(shù)運算，直接得出牛奶中對應的細菌數(shù)目。當點擊按鍵Stop時，曲線靜止，對應的電流值及細菌數(shù)目數(shù)值顯示即為點擊時的瞬時值。圖3所示是該檢測儀的實物圖。

4 結束語

本文介紹的生物電池盒與該軟件系統(tǒng)構成的微生物檢測儀，可用Matlab對多次重復測量所得的各條曲線進行擬和處理，從而得出傳感器輸出電壓與細菌含量的最終曲線，并根據(jù)該曲線數(shù)據(jù)編寫程序，即可得到傳感器輸出電壓與乳制品細菌含量的對應數(shù)據(jù)。然后再用該測試儀對無菌袋裝鮮牛奶的細菌含量進行測定，便可驗證該電化學生物傳感器的有效性。該檢測儀的數(shù)據(jù)檢測誤差為百分之五，故其相關的技術還需要改進和提高。但該檢測儀已極大的提高了微生物檢測的速度和效率。而且檢測輸出的數(shù)據(jù)直觀明了，從而改變了細菌人工計數(shù)或用顯微鏡觀察統(tǒng)計計數(shù)的傳統(tǒng)方法。