ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗАТОР КОНЦЕНТРАЦИИ БАКТЕРИЙ В ВОДНОЙ СРЕДЕ Российский патент 1998 года по МПК C12Q1/06 

Изобретение относится к области бактериологического анализа водных растворов и суспензий и может быть использовано для бактериологического экспресс-анализа воздушной среды, питьевой и сточной воды, а также в качестве датчика концентрации бактерий в системах автоматического контроля и регулирования в микробиологической промышленности.

Известны способы и устройства для определения концентрации бактерий в водных растворах и суспензиях:
(см. патент PCT N 85/04477 МКИ G 01 N 9/00, C 12 M 1/34, а.с. СССР N 1214756 МКИ C 12 Q 1/06, патент США N 4528270 МКИ C 12 Q 1/04, 1/06, а.с. СССР N 1382848 МКИ C 12 Q 1/00, патент ЕПВ N 0244148 МКИ C 12 G 1/06, патент Японии N 0261984 МКИ C 12 Q 1/04, G 01 N, а.с. СССР N 1231077 МКИ C 12 N 1/00. "Изобретения стран мира" 1986 - 1992 гг., прибор "Анализатор микросканирующий-лабораторный АМС-ЛОО1с" производство РФ НПО "ИНЭК" г. Новосибирск 1992 г).

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности является устройство, описанное в а. с. СССР N 1214756 МКИ C 12 Q 1/06 "Изобретения стран мира", N 6, 1986 г.

Устройство для определения концентрации микроорганизмов, содержащее светонепроницаемый кожух, реакционную кювету, дозатор, фотоприемник и усилитель-дискриминатор, подключенный к фотоприемнику, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, оно снабжено синхродатчиком, коммутатором, интеграторами, блоком памяти, блоком управления, таймером и блоком вычислителя, при этом выходы синхродатчика подключены к входу дозатора и к входам таймера и интеграторов, выход усилителя-дискриминатора соединен с информационным входом коммутатора, управляющие входы которого и вход блока управления соединены с выходом таймера, выходы коммутатора соединены с входами интеграторов, выходы последних подключены к информационным входам соответствующих блоков памяти и информационному входу блока вычислителя, выходы блоков памяти соединены с информационным входом блока вычислителя, выходы блока управления связаны с входами интеграторов, блоков памяти и блока вычислителя.

Это устройство содержит реакционную кювету, в которой находится водная среда с бактериями, дозатор, для регулирования подачи в реакционную кювету некоторого количества химических люминесцентных индикаторов, а также фотоприемник, для регистрации интенсивности люминесцентного излучения, которое образуется в результате химической реакции бактериальной среды с дозируемым химическим люминесцентным индикатором, и по линейной зависимости интенсивности люминесценции от количества люминесцирующих бактерий, определяют их концентрацию в водной среде [1, 2].

По определению [1] люминесценция - это свечение вещества возникающее после поглощения им энергии возбуждения, представляет собой избыточное излучение по сравнению с тепловым излучением тела при данной температуре.

В этом устройстве используется люминесценция бактерий - искусственно вызванное свечение бактерий, избыточное излучение по сравнению с естественным тепловым излучением, вызванным дыханием бактерий. Из [1] стр. 306 и [2] стр. 23 известно, что линейная зависимость интенсивностилюминесцен3ции от количества люминесцирующего вещества-бактерий наблюдается до определенной концентрации вещества-бактерий. При дальнейшем увеличении концентрации вещества-бактерий, а также при повышении температуры, изменении pH, наличие примесей (в т.ч. кислорода O₂), наблюдается уменьшение выхода люминесценции - тушение ее, т.е. имеет место отклонение от линейной зависимости, поэтому погрешность определения концентрации бактерий будет достаточно большой.

Технической задачей настоящего изобретения является получение фотоприемником-телевизионной камерой электрического сигнала - видеосигнала строчной развертки от спектра длин волн теплового излучения, вызванного дыханием бактерий, находящихся в кювете с водной средой или в проточной оптической ячейке закрытой светонепроницаемым кожухом, и выделение из видеосигнала и количественный подсчет импульсных электрических сигналов, соответствующих концентрации бактерий кишечной палочки, указанных в ГОСТ 18963-73 п. 4.2.8., темно-красного, розового цвета и прозрачных бактерий, для определения и индикации коли-индекса и коли-титра, а также получение стандартного электрического сигнала пропорционального коли-индексу.

Коли-индекс - количество бактерий кишечной палочки в 1л (1000 мл) воды.

Коли-титр - это наименьший объем воды в милилитрах, в котором еще обнаруживается одна кишечная палочка.

Технический результат выражается в повышении точности измерения.

Это достигается тем, что в экспресс-анализатор концентрации бактерий в водной среде, содержащий светонепроницаемый кожух, оптическую ячейку, фотоприемник и блок памяти, дополнительно введен блок сравнения, не менее одного счетчика бактерий, блок вычисления коли-индекса, блок вычисления коли-титра, цифро-аналоговый преобразователь и блок индикации, в качестве фотоприемника использована телевизионная камера, выход которой соединен с первым входом блока сравнения, другие входы которого соединены с выходами программируемого блока памяти, выходы блока сравнения соединены с входами счетчиков бактерий, выходы которых соединены с входами блока вычисления коли-индекса, первый выход которого соединен с входом цифро-аналогового преобразователя, второй выход с первым входом блока индикации, третий выход с входом блока вычисления коли-титра, выход которого соединен с вторым входом блока индикации, оптическая ячейка выполнена проточной, в виде кюветы, первый, из трех счетчиков бактерий, предназначен для определения количества бактерий кишечной палочки темно-красного цвета, второй предназначен для определения количества бактерий кишечной палочки розового цвета, а третий предназначен для определения количества прозрачных бактерий кишечной палочки.

Экспресс-анализатор (см. фиг. 1) содержит светонепроницаемый кожух 1, кювету или проточную оптическую ячейку 2, телевизионную камеру 3, блок сравнения 4, программируемый блок памяти 5, электрический счетчик 6 количества бактерий кишечной палочки темно-красного цвета, электрический счетчик 7 количества бактерий кишечной палочки розового цвета, электрический счетчик 8 количества прозрачных бактерий кишечной палочки, сумматор-вычислитель коли-индекса 9, вычислитель коли-титра 10, блок индикации 11, цифро0аналоговый преобразователь 12, выходной стандартный электрический сигнал 13.

Из [5] стр. 268 - 271 известно, что в микробиологии под термином "дыхание" бактерий подразумевается биологическое окисление, сопровождающееся выделением энергии. Любой процесс биологического окисления в бактериальной клетке представляет собой модификацию химических реакций одного из следующих типов:
а) прямое окисление, происходящее при участии кислорода;
б) непрямое окисление, происходящее без участия кислорода.

Примером кислородного дыхания может служить процесс окисления глюкозы до воды и углекислого газа C₆H₁₂O₆ + 6O₂ _→ CO₂+ 6H₂O + 688,5 ккал .

Дыхание анаэробов идет без участия кислорода. При этом выделяется гораздо меньше энергии, чем при кислородном дыхании
C₆H₁₂O₆ __→ 2C₂H₅OH + 2CO₂+ 31,2 ккал .

В процессе нитрификации азот аммонийных солей окисляется в азотистокислые соли (нитриты) и в азотнокислые (нитраты). Процесс этот идет в две фазы под влиянием двух типов микроорганизмов. Возбудителем первой фазы являются нитритные бактерии - род Nitrosomonas
2NH₃ + 3O₂ _→ 2HNO₂+ 2H₂O + 158 ккал .

Вторая фаза - окисление нитритов в нитраты осуществляется нитратными бактериями - род Bact. nitrobacter
2HNO₂ + O₂ _→ 2HNO₃+ 43 ккал .

Таким образом при дыхании нитритных бактерий выделяется энергии - 158 ккал/моль, а нитратных - 43 ккал/моль.

Из [2] стр. 23 известно, что связь между длиной волны и энергией химических реакций выражается формулой
.

Поэтому для нитратных бактерий с Δ = 43 ккал/моль длина волны λ = 660 нм, а для нитритных бактерий с Δ = 158 ккал/моль длина волны λ = 180 нм.

На фиг. 2 приведена шкала цветов видимого спектра. Ограниченные штриховыми линиями граничные длины волн условны, в действительности каждый цвет постепенно переходит в следующий. Таким образом каждому цветовому тому соответствует определенная (доминирующая) длина волны λ [3].

На фиг. 3 видно, что каждому цвету (длине волны λ ) соответствует свой уровень видеосигнала U_вс. [3].

На фиг. 4 показано образование видеосигнала строчной развертки от участка изображения анализируемой водной среды. 1, 2 - видеосигнал U_стр. первый и второй строки; 3 - различные виды живых (дышащих) бактерий; T_с - период строчной развертки; 4 - участок изображения анализируемой водной среды.

Для измерения количества дышащих (излучающих тепловую энергию с длинами волн λ₁, λ₂, λ₃ ) бактерий, находящихся на интересующем нас участке анализируемой водной среды, с помощью телевизионной камеры получают видеосигнал строчной развертки U_стр. от этого участка (см. фиг. 4) и непрерывно во времени сравнивают с тестовыми электрическими сигналами U₁, U₂, U₃, которые соответствуют дышащим (излучающим тепловую энергию с длинами волн λ₁, λ₂, λ₃ ) бактериями. Если видеосигнал U_стр. совпадает с одним из тестовых электрических сигналов U₁, U₂, U₃, то на выходе блока сравнения появится импульсный электрический сигнал, который подают на электрические счетчики количества тех или иных бактерий, излучающих соответствующие длины волн λ₁, λ₂, λ₃ .

Таким образом один электрический счетчик считает N₁ = nU₁ - количество бактерий излучающих длину волны λ₁ , другой электрический счетчик считает N₂ = nU₂ - количество бактерий, излучающих длину волны λ₂ , и третий электрический счетчик считает N₃ = nU₃ количество бактерий, излучающих длину волны λ₃ , где n = 0, 1, 2, 3 ... k, а сумматор-вычислитель определяет по формуле
- количество бактерий в единице объема воды.

Предлагаемый экспресс-анализатор (фиг. 1) работает следующим образом.

Фотоприемником - телевизионной камерой 3 преобразовывают спектр длин волн теплового излучения дыхание бактерий, находящихся в кювете или проточной оптической ячейке 2, закрытой светонепроницаемых кожухом 1, в электрический сигнал изображения - видеосигнал строчной развертки U_стр. (фиг.4), который подают на вход блока сравнения 4, на другие входы которого подают тестовые электрические сигналы с выходов программируемого блока памяти 5. В программируемый блок памяти 5 записывают программным методом и хранят тестовые электрические сигналы U₁, U₂, U₃, которые соответствуют тепловому излучению дыхания бактерий кишечной палочки темно-красного цвета с длиной волны λ₁ розового цвета с длиной волны λ₂ и прозрачным бактериям кишечной палочки с длиной волны λ₃ . В блоке сравнения 4 видеосигнал строчной развертки U_стр. непрерывно времени сравнивают с тестовыми электрическими сигналами U₁, U₂, U₃. Если видеосигнал строчной развертки U_стр. и тестовый электрический сигнал U₁ совпадают друг с другом, то с одного из выходов блока сравнения 4 подают импульсный электрический сигнал на вход электрического сигнала 6 количества N₁ = nU₁ бактерий кишечной палочки темно-красного цвета с длиной волны λ₁ если видеосигнал U_стр. совпадает с тестовым электрическим сигналом U₂, то с другого выхода блока сравнения 4 подают импульсный электрический сигнал на вход электрического счетчика 7 количества N₂ = nU₂ бактерий кишечной палочки розового цвета с длиной волны λ₂ и, если видеосигнал U_стр. совпадает с тестовым электрическим сигналом U₃, то с третьего выхода блока сравнения 4 подают импульсный электрический сигнал на вход электрического счетчика 8 количества N₃ = nU₃ прозрачных бактерий кишечной палочки с длиной волны λ₃ . С выходов электрических счетчиков 6, 7, 8, электрические сигналы подают на вход сумматора-вычислителя коли-индекса 9, которым определяют по формуле
- количество бактерий кишечной палочки в 1л (1000 мл) воды, а с одного из его выходов подают электрический сигнал на вход вычислителя коли-титра 10, которым определяют по формуле - наименьший объем воды в миллилитрах, в котором еще обнаруживается одна кишечная палочка. С выхода вычислителя коли-титра 10 электрический сигнал подают на один из входов блока индикации 11, на котором отображают числовое значение коли-титра или коли-индекса, так как на другой вход блока индикации 11 подают электрический сигнал с выхода сумматора-вычислителя коли-индекса 9, с третьего выхода которого электрический сигнал подают на вход цифро-аналогового преобразователя 12, выход которого - стандартный аналоговый электрический сигнал 13 пропорциональный коли-индексу - используют для соединения с устройствами автоматического контроля и регулирования.

Блок сравнения 4, программируемый блоком памяти 5, электрические счетчики 6, 7, 8, сумматор-вычислитель коли-индекса 9, вычислитель коли-титра 10, цифро-аналоговый преобразователь 12, блок индикации 11 - могут быть выполнены на интегральных микросхемах [7] стр. 484 - 522 и цифровых индикаторах типа АЛС324Б или жидкокристаллических индикаторах (ЖКИ).

Литература
1. Химический энциклопедический словарь М. 1983г., стр. 306
2. Фотометрический анализ. Общие сведения и аппаратура Бабко А.К., Полипенко А.Т. М. Химия 1968, стр.23
3. Телевидение Под редакцией П.В. Шмакова, Связь, Москва, 1970, стр. 357 - 358
4. Кондратьев А.Г., Лукин М.И. Техника промышленного телевидения Лениздат, 1970, стр. 483 - 489
5. Возная И.Ф. Химия воды и микробиология Высшая школа, 1967г., с. 268 - 271
6. ГОСТ 18963-73 "Вода питьевая. Методы санитарно-бактериологического анализа"
7. Интегральные микросхемы. Справочник М. Энергоатомиздат. 1985, с. 484 - 522д

Назначение: экспресс-анализатор концентрации бактерий в водной среде относится к области бактериологического анализа водных растворов и суспензий и может быть использован для бактериологического экспресс-анализа воздушной среды, питьевой и сточной воды, а также в качестве датчика концентрации бактерий в системах автоматического контроля и регулирования в микробиологической промышленности. Сущность изобретения: Экспресс-анализатор содержит светонепроницаемый кожух, кювету или проточную оптическую ячейку, фотоприемник - телевизионную камеру, блок сравнения, программируемый блок памяти темно-красного цвета, электрический счетчик количества бактерий кишечной палочки розового цвета, электрический счетчик прозрачных бактерий кишечной палочки, сумматор-вычислитель коли-индекса, вычислитель коли-титра, блок индикации, цифро-аналоговый преобразователь. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Экспресс-анализатор концентрации бактерий в водной среде, содержащий светонепроницаемый кожух, оптическую ячейку, фотоприемник и блок памяти, отличающийся тем, что он дополнительно содержит блок сравнения, не менее одного счетчика бактерий, блок вычисления коли-индекса, блок вычисления коли-титра, цифроаналоговый преобразователь и блок индикации, в качестве фотоприемника использована телевизионная камера, выход которой соединен с первым входом блока сравнения, другие входы которого соединены с выходами программируемого блока памяти, выходы блока сравнения соединены с входами счетчиков бактерий, выходы которых соединены с входами блока вычисления коли-индекса, первый выход которого соединен с входом цифроаналогового преобразователя, второй выход с первым входом блока индикации, третий выход с входом блока вычисления коли-титра, выход которого соединен с вторым входом блока индикации. 2. Экспресс-анализатор по п.1, отличающийся тем, что оптическая ячейка выполнена проточной. 3. Экспресс-анализатор по п.1, отличающийся тем, что оптическая ячейка выполнена в виде кюветы. 4. Экспресс-анализатор по п. 1, отличающийся тем, что он содержит три счетчика бактерий, первый из которых предназначен для определения количества бактерий кишечной палочки темно-красного цвета, второй для определения количества бактерий кишечной палочки розового цвета, а третий для определения количества прозрачных бактерий кишечной палочки.