智舌微生物快速检测系统的设计与构建

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根据世界卫生组织的估计,全球每年发生食源性疾病数十亿。发达国家发生食源性疾病的概率也相当高,平均每年有1/3的人群感染食源性疾病。工业化程度的发达并不能保证食源性疾病爆发危险性的降低,反而由于工业化程度越发达,食品的供应链越难控制,一旦发生食品安全问题,其影响面和波及面会更大。快速、简便、经济、可靠的食品微生物检测技术,是监测、监管、预防、质控和及时诊断等多方面有效实施的保障,是多级检验检疫部门的迫切需求。因此,探求更好的快速检测技术是有关研究人员的长期关注焦点和研究热点。智舌是本课题组研制开发的,以组合脉冲弛豫谱为激发扫描信号,辅以特定传感器阵列,检测待测物质的整体响应信号,结合多元统计分析方法构建的一类新型电子舌,具有检测速度快、样品前处理简单、信息量丰富、易智能化、使用寿命长、成本低廉等优点,在微生物快速检测方面具有很大的潜力。本文以智舌为研究手段,以微生物酵母菌做为检测对象,初步探索智舌在微生物快速检测方面的应用,构建了一套智舌微生物快速检测的方法。本研究的主要内容如下:(1)智舌快速检测微生物实验平台构建设计构建了智舌微生物快速检测的专业检测池,并对检测酵母培养基的电极以及频率段进行了选取。以铂电极、金电极、钯电极、钨电极、钛电极和银电极作为工作电极,每个工作电极在1 Hz,10 Hz和100 Hz三个频率段下进行扫描,对不同培养时间段的培养基分别进行监测,获得的反应被测样品综合信息的大量数据处理采用主成分分析法。结果通过主成分得分效果图显示,并以DI值的大小来进行电极和频率段的选取。对酵母培养基区分效果最佳的电极为钯电极,其三个频率均对酵母培养基有一定的区分效果,其中1 Hz对酵母培养基的区分效果最佳。最后又通过主成分分析法的区分效果对酵母培养基进行了选取,有无机氮提供氮源的培养基有利于智舌对酵母的检测。(2)智舌微生物快速定量检测方法建立智舌微生物快速检测方法的建立,以酵母菌为例,通过智舌检测微生物总功率曲线模型的拟合,检测阈的选取,建立模型到达检测阈的时间(IDT)与原始接种量之间的标准曲线,对微生物培养基原始接种量进行预测,并在十几个小时左右能得到结果。结果显示,智舌检测微生物总功率的生长曲线基本和OD值检测的生长曲线一致,曲线分别经过和Logistic模型、MMF模型、Gompertz模型拟合,选取了最合适的Logistic模型对面包酵母进行拟合,经过拟合之后的生长曲线,有个别点有所偏差,但是总体能体现微生物生长的特性。确定模型之后,再通过选取检测阈M=2.0,做模型到达检测阈的时间(IDT)与原始接种量之间的标准曲线相关系数为0.9788 3833。最后通过已知原始接种量的样品对建立的标准曲线进行验证,模型对3个浓度的预测平均相对误差为8.37%,并且检出时间在十个小时左右。(3)智舌微生物检测系统的应用研究通过前面所建立的方法,分别对酿酒酵母、深红酵母以及大肠杆菌0157:H7进行了检测,结果显示,以前面选取的对面包酵母的检测经验,选取钯电极1 Hz对另外2种酵母进行了检测,效果理想。对酿酒酵母和深红酵母的总功率生长曲线用了MMF模型进行拟合,并确定检测阈为M=2.0所建立的模型到达检测阈时间(IDT)与原始接种量对数(Log(U))之间的标准曲线相关系数分别为0.99和0.97。对已知浓度的预测相对平均误差分别为:6.56%和9.46%。而对大肠杆菌O157:H7的检测由于培养基的改变,所以对电极进行了重新选取,根据DI值的大小,选择金电极10 Hz对大肠杆菌0157:H7的区分效果最好,并用金电极10 Hz检测大肠杆菌的总功率曲线进行了模型的选取,然后又进行了检测阈的选取,经过比较得到检测阈M=3.0,智舌对大肠杆菌O157:H7检测的效果最佳。其模型到达检测阈时间(IDT)与原始接种量对数(Log(U))之间的标准曲线相关系数可以达到0.97。对已知浓度的预测相对平均误差为10.3%。总体的检出时间也都在十个小时左右。智舌系统通过传感器阵列选择与优化,结合总功率计算的方法,对检测微生物生长曲线进行模型拟合,以及检测阈的选取和对原始接种量的预测,探索了智舌系统在微生物快速检测方面的应用方法学,为智舌在此方面的应用提供实验基础与理论依据。
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