Impedansmikrobiologi

Impedansmikrobiologi är en mikrobiologisk teknik som används för att mäta den mikrobiella antalet densitet (främst bakterier men även jäst ) i ett prov genom att övervaka de elektriska parametrarna för tillväxtmediet . Mikrobiell metabolisms förmåga att förändra tillväxtmediets elektriska ledningsförmåga upptäcktes av Stewart och studerades ytterligare av andra forskare som Oker-Blom, Parson och Allison under första hälften av 1900-talet. Det var dock först i slutet av 1970-talet som, tack vare datorstyrda system som användes för att övervaka impedans , visade tekniken sin fulla potential, vilket diskuteras i verk av Fistenberg-Eden & Eden, Ur & Brown och Cady.

Funktionsprincip

Figur 1: Ekvivalent elektrisk krets för att modellera ett par elektroder i direkt kontakt med ett flytande medium

När ett par elektroder är nedsänkta i tillväxtmediet, kan systemet som består av elektroder och elektrolyt modelleras med den elektriska kretsen i fig. 1, där Rm _och Cm _är resistansen och kapacitansen för bulkmediet, medan R _i och Ci _är resistansen och kapacitansen för elektrod-elektrolytgränssnittet. Men när frekvensen för den sinusformade testsignalen som tillförs elektroderna är relativt låg (lägre än 1 MHz) kan bulkkapacitansen Cm _försummas och systemet kan modelleras med en enklare krets som endast består av ett motstånd Rs _och en kapacitans . C _s i serie. Resistansen Rs _står för den elektriska ledningsförmågan hos bulkmediet medan kapacitansen Cs _beror på det kapacitiva dubbelskiktet vid elektrod-elektrolytgränssnittet. Under tillväxtfasen omvandlar bakteriell metabolism oladdade eller svagt laddade föreningar i bulkmediet till högladdade föreningar som förändrar mediets elektriska egenskaper. Detta resulterar i en minskning av resistansen Rs _och en ökning av kapacitansen _Cs .

₀ I impedansmikrobiologi fungerar tekniken på detta sätt, provet med den initiala okända bakteriekoncentrationen (C ) placeras vid en temperatur som gynnar bakterietillväxt (i området 37 till 42 °C om den mesofila mikrobiella populationen är målet) och de elektriska parametrarna R _s och Cs _mäts med regelbundna tidsintervall på några minuter med hjälp av ett par elektroder i direkt kontakt med provet.

Tills bakteriekoncentrationen är lägre än ett kritiskt tröskelvärde CTH _förblir de elektriska parametrarna Rs _och Cs _väsentligen konstanta (vid sina baslinjevärden). CTH beror på olika parametrar såsom elektrodgeometri, bakteriestam, växtmediets kemiska sammansättning etc., men den ligger alltid i intervallet 10 ₆ ^till 10 ⁷ cfu/ml.

När bakteriekoncentrationen ökar över CTH _avviker de elektriska parametrarna från sina baslinjevärden (vanligtvis i fallet med bakterier sker en minskning av R _s och en ökning av C _s , det motsatta händer i fallet med jästsvampar).

₀ Den tid som krävs för att de elektriska parametrarna Rs _och Cs _ska avvika från deras baslinjevärde hänvisas till som Detect Time (DT) och är parametern som används för att uppskatta den initiala okända bakteriekoncentrationen C .

Figur 2: R _s -kurva och bakteriekoncentrationskurva som funktion av tiden

₀₀ I fig. 2 är en typisk kurva för Rs _såväl som motsvarande bakteriekoncentration avsatt mot tid. Fig. 3 visar typiska Rs _- kurvor mot tid för prover som kännetecknas av olika bakteriekoncentrationer. Eftersom DT är den tid som krävs för att bakteriekoncentrationen ska växa från initialvärdet C till CTH _{kännetecknas} starkt kontaminerade prover av lägre värden på DT än prover med låg bakteriekoncentration. Givet C ₁ , C ₂ och C ₃ bakteriekoncentrationen av tre prover med C ₁ > C ₂ > C ₃ , är det DT ₁ < DT ₂ < DT ₃ . Data från litteratur visar hur DT är en linjär funktion av logaritmen för C :

$DT=A\cdot \log _{10}(C_{0})+B$

där parametrarna A och B är beroende av den speciella typen av prover som testas, bakteriestammarna, typen av anrikningsmedium som används och så vidare. Dessa parametrar kan beräknas genom att kalibrera systemet med hjälp av en uppsättning prover vars bakteriekoncentration är känd och beräkna den linjära regressionslinjen som kommer att användas för att uppskatta bakteriekoncentrationen från den uppmätta DT.

Figur 3: R _s -kurvor för prover som visar olika bakteriekoncentrationer som funktion av tiden

Impedansmikrobiologi har olika fördelar med standardtekniken för plåträkning för att mäta bakteriekoncentration. Den kännetecknas av snabbare svarstid. När det gäller mesofila bakterier sträcker sig svarstiden från 2 – 3 timmar för starkt kontaminerade prover (10 ⁵ - 10 ⁶ cfu/ml) till över 10 timmar för prover med mycket låg bakteriekoncentration (mindre än 10 cfu/ml). Som en jämförelse kännetecknas platträkningstekniken för samma bakteriestammar av svarstider från 48 till 72 timmar.

Impedansmikrobiologi är en metod som enkelt kan automatiseras och implementeras som en del av en industriell maskin eller realiseras som en inbyggd bärbar sensor, medan plåträkning är en manuell metod som måste utföras i ett laboratorium av lång utbildad personal.

Instrumentation

Under de senaste decennierna har olika instrument (antingen laboratoriebyggda eller kommersiellt tillgängliga) för att mäta bakteriekoncentrationer med hjälp av impedansmikrobiologi byggts. Ett av de bäst säljande och väl accepterade instrumenten i branschen är Bactometer från Biomerieux. Det ursprungliga instrumentet från 1984 har ett multi-inkubatorsystem som kan övervaka upp till 512 prover samtidigt med möjligheten att ställa in 8 olika inkubationstemperaturer. Andra instrument med prestanda jämförbara med Bactometern är Malthus av Malthus Instruments Ltd (Bury, Storbritannien), RABIT av Don Whitley Scientific (Shipley, Storbritannien) och Bac Trac av Sy-Lab (Purkensdorf, Österrike). Ett bärbart inbäddat system för mätning av mikrobiell koncentration i flytande och halvflytande media med hjälp av impedansmikrobiologi har nyligen föreslagits. Systemet består av en termoreglerad inkubationskammare där provet som testas lagras och en kontrollenhet för termoreglering och impedansmätningar.

Ansökningar

Impedansmikrobiologi har använts flitigt under de senaste decennierna för att mäta koncentrationen av bakterier och jästsvampar i olika typer av prover, främst för kvalitetssäkring inom livsmedelsindustrin. Vissa tillämpningar är bestämning av hållbarheten för pastöriserad mjölk och måttet på total bakteriekoncentration i råmjölk, frysta grönsaker, spannmålsprodukter, köttprodukter och öl. Tekniken har också använts i miljöövervakning för att detektera koliforma koncentrationer i vattenprover såväl som andra bakteriella patogener som E.coli som finns i vattendrag, inom läkemedelsindustrin för att testa effektiviteten hos nya antibakteriella medel och testning av slutprodukter .