乳制品细菌含量电子检测仪的设计与制作

0 引言
    微生物测量在食品、临床医学和环境检测等诸多领域具有非常重要的意义，对微生物活细胞的快速检测更是一个令人关注的课题。国内外的微生物学家、物理学家、电子信息和化学科学家充分利用微生物的热学、光学、电化学和生物化学性质，提出了一系列新型的微生物快速检测方法。测量生活饮品的细菌含量，国际上公认的有标准平板培育法和显微镜直接观察法。但这两种方法都存在一定的缺点，除了需要熟练的操作技能外，标准平板培育法的培育时间长达数日，而显微镜观察法则要一直观测到细菌死亡。因此，对于要求迅速和多体的检测对象，显然不适宜采用上述两种方法。

1 已有的检测仪器
    近两年来，国外一些科技公司相继研制开发了食品和奶乳制品微生物快速检测的相关检测仪器，并在我国设立了代理商。其具有代表性的有美国Hygiena生产的Pi一102食品细菌快速测定仪，该食品细菌含量快速测定仪主要利用ATP生物发光法，配合高灵敏光电倍增管和专用试剂，可在10分钟内对食品样品(经前处理)中所含微生物总数做出快速估算，将该检测结果数据与国家相应标准对应，可初步判断食品样品中的微生物情况，如是否超标。ATP是三磷酸腺苷的简称，是细胞内供能分子。Pi一102食品细菌快速测定仪通过检测样品中的ATP与荧光素酶的发光反应来得出光单位读数，经换算即可估算出ATP的总数水平，然后进一步间接判断样品中的微生物总数，以为食品卫生监督现场检测提供参考。该检测仪在中国的销售价为7．9万元人民币。但因ATP生物发光反应受各类因素(温度、酸碱、稀释浓度等)影响，结果与常规培养所得的CFU (colonvformine unit，菌落形成单位)存在一定偏差，所以该检测建议用户设定临界值做参考。
    其次，BactoCount IBC—M是美国BENTLEY公司最新推出的一款半自动牛奶细菌计数仪。该仪器是针对中小型实验室设计的。快速的检测结果是其成为牛奶加工厂或牛奶制品实验室的工具，从而填补了对奶源的微生物快速检测的空白。该仪器的检测步骤和原理首先是培养(样品准备)，即在奶样中加入由净化缓冲液、水解蛋白酶和荧光标记液组成的培养试剂，以溶解奶样中的体细胞、稳定脂肪球和蛋白、渗透细菌并沾染DNA。在培养过程中，荧光标记液可以快速渗入到所有双层核酸的细菌中。同时超声波降解器可对干扰粒子进行化学降解、瓦解剩余的细菌菌落并减少背景荧光。该检测仪在中国的销售价为72万人民币。
    另外，就是丹麦福斯公司(Foss)的BactoScan FC型系列牛奶细菌总数快速分析仪。利用该检测系统，用户可在一分钟内获得原料奶中的
细菌总数量，可为牧场和乳品加工企业提供快速、可靠的数据。依靠这些快速准确的信息，牧场就可及时改进其卫生状况，提高所售产品的质量。特别是乳品加工厂，可用其快速的优势实时对现场进厂的原料进行有效检测，以将细菌指标不合格的原料奶挡在加工厂之外，从而避免给加工企业造成损失。而可靠的数据又可为牧场和乳品厂按质计价提供公平全面的分析手段。
    目前，Flow Cytometry(流氏细胞计数原理／对流动中的细胞、细菌或颗粒计数和特性认定)技术已被生物化学和医学科技界广泛应用。其原理是将被测定的细胞／颗粒染色并置于悬浮液体之中，然后强迫细胞／颗粒逐一通过一个非常窄小的缝隙／管道。同时向其发出特殊光束，使得每一个被染色后的细胞／颗粒在通过测定点时也发出回应光束脉冲信号，然后采用电子技术再将其脉冲信号记录下来。该检测仪在中国的销售价为140万元人民币。

2 信息采集及放大电路设计
    近年来，国内的微生物学、生物医学、物理和电子信息等学科的相关专家在食品的农药残余、有害化学成分和有害微生物的检测等方面也进行了广泛而深入的研究，发表了大量的相关学术论文。其具有代表性的微生物检测生物电化学方法是蔡豪斌2000年发表在《华夏医学》上的文章“微生物活细胞检测生物传感器的研究”和卢智远等2005年发表在《传感技术学报》上的文章“一种微生物检测的生物电化学方法研究”，但是在国内尚没有见到该方面微生物检测实际应用的报导。
    在前期研究的基础上，本文对于有关文献中的试验数据进行了信息采样与数据处理，同时进行了微生物快速检测仪的设计制作。表1所列是卢智远等人在其文献中给出的25℃时的鲜牛奶细菌含量与传感器的试验数据。

    由表1可见，传感器输出的电流和电压十分微弱，这样，在信息的模数转化和信号处理过程中可能会产生误差，故应设计如图1所示的具有微电流放大作用的放大电路。该放大电路采用具有高增益、高共模抑制比、失调小和漂移较低的ICL7650作为运算放大器，并考虑了相位补偿、电源波动及干扰滤除等因素。该放大器具有高输入阻抗和低输出阻抗，闭环放大倍数为50。生物电池盒输出的信号经微电流放大器可以进行有效的放大。[page]

    该检测仪只要通过点击图中的Start按键，就可以开始进行电流值的数据采集，然后经过程序中的函数运算，直接得出牛奶中对应的细菌数目。当点击按键Stop时，曲线静止，对应的电流值及细菌数目数值显示即为点击时的瞬时值。图3所示是该检测仪的实物图。

4 结束语
    本文介绍的生物电池盒与该软件系统构成的微生物检测仪，可用Matlab对多次重复测量所得的各条曲线进行拟和处理，从而得出传感器输出电压与细菌含量的最终曲线，并根据该曲线数据编写程序，即可得到传感器输出电压与乳制品细菌含量的对应数据。然后再用该测试仪对无菌袋装鲜牛奶的细菌含量进行测定，便可验证该电化学生物传感器的有效性。该检测仪的数据检测误差为百分之五，故其相关的技术还需要改进和提高。但该检测仪已极大的提高了微生物检测的速度和效率。而且检测输出的数据直观明了，从而改变了细菌人工计数或用显微镜观察统计计数的传统方法。