專利名稱：一種采用納米傳感器的微生物自動培養(yǎng)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用納米傳感器的微生物自 動培養(yǎng)系統(tǒng)。
技術(shù)背景病原微生物侵入血液循環(huán)，并在血液中生長繁殖，產(chǎn)生毒素和其他代謝產(chǎn)物，從而引 起急性或亞急性全身感染，可導(dǎo)致敗血性休克和多臟器衰竭，如得不到及時、正確的診斷 和治療，將危及患者的生命。血培養(yǎng)檢查對于菌血癥、敗血癥和細(xì)菌性心內(nèi)膜炎等血液和 循環(huán)系統(tǒng)感染的診斷具有十分重要的意義。早期的血培養(yǎng)系統(tǒng)主要為手工方法，雖然成本較低，但需要操作人員有一定的經(jīng)驗(yàn)， 耗費(fèi)較多的人力和時間，且使用的培養(yǎng)基往往由各實(shí)驗(yàn)室自配，難以做到標(biāo)準(zhǔn)化和實(shí)施質(zhì) 量控制。自動血培養(yǎng)系統(tǒng)可提高了細(xì)菌和真菌的陽性檢出率，靈敏度高，重復(fù)性好，節(jié)省 人力，縮短檢驗(yàn)周期，自動血培養(yǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)是檢測細(xì)菌和真菌生長時所釋放的二氧化碳 (co2)來作為無菌性體液(包括血液、腦脊液、胸水、腹水和關(guān)節(jié)液等)有無微生物存在的指標(biāo)。檢測系統(tǒng)與恒溫孵育器合二為一，連續(xù)、自動地監(jiān)測培養(yǎng)瓶中C02的產(chǎn)生情況，所測得的信號傳送至電腦進(jìn)行分析。 一旦出現(xiàn)陽性結(jié)果，電腦自動發(fā)出警報，指示陽性瓶 的位置，并自動打印出現(xiàn)陽性的時間等。但目前儀器、設(shè)備和消耗品基本上全部依賴國外， 成本較高，使檢驗(yàn)收費(fèi)也相應(yīng)增加。檢測方法通常使用如下幾種放射標(biāo)記法、C02感受變色法、均質(zhì)熒光法和壓敏法等。放射標(biāo)記法是在細(xì)菌生長時利用碳14標(biāo)記物(14C)為底物生成"C02，并對其含量進(jìn) 行監(jiān)測，換算成數(shù)值(生長指數(shù))，該指數(shù)超過規(guī)定界限時報告陽性生長。該方法可在12h 檢出30%的陽性，24h內(nèi)檢出60% 70%， 48h內(nèi)檢出80% 卯％。比傳統(tǒng)培養(yǎng)技術(shù)快捷、 靈敏。特別是在結(jié)核菌的培養(yǎng)和藥敏所需時間僅為10天，比傳統(tǒng)方法G0 40天)大大 縮短。缺點(diǎn)是放射性廢棄物的處理困難。C02感受顏色變化法主要基于培養(yǎng)瓶底部特殊的Novel C02感受器，當(dāng)培養(yǎng)瓶內(nèi)有微 生物生長，其釋放的C02可經(jīng)水飽和后，產(chǎn)生H+，使pH發(fā)生改變，感受器的顏色也隨之 從深綠色變?yōu)辄S色，LEDs (發(fā)光二極管)發(fā)射光進(jìn)行檢測。該技術(shù)可使85%的陽性標(biāo)本 在48h內(nèi)被檢出。均質(zhì)熒光法的原理是，培養(yǎng)基內(nèi)含有熒光物質(zhì)分子，微生物在生長代謝的過程中產(chǎn)生質(zhì)子(使培養(yǎng)基變酸)、電子(使培養(yǎng)基還原)和各種帶電荷的原子團(tuán)(如在液體培養(yǎng)基 內(nèi)C02變成C03—)。熒光分子接受這些物質(zhì)后，結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而成為無熒光的化合物。用 一獨(dú)特的光學(xué)系統(tǒng)檢測每個培養(yǎng)瓶發(fā)出的熒光，用于判斷其中有無微生物的存在。平均的 陽性標(biāo)本檢出時間為9小時，90%的陽性標(biāo)本可在12小時內(nèi)被檢測，36小時內(nèi)可檢測出 99。/。以上的陽性標(biāo)本。壓敏檢測系統(tǒng)則是檢測培養(yǎng)瓶中C02和02的壓力變化來判斷有無微生物生長。該檢測 系統(tǒng)因靈敏度相對較低而未得到廣泛應(yīng)用。以上幾種探測方式的血培養(yǎng)儀在實(shí)際臨床工作中都出現(xiàn)假陰性的情況，即在儀器不報 警的情況下人工進(jìn)行盲傳，可發(fā)現(xiàn)有細(xì)菌生長的情況，其原因可能是由于細(xì)菌生長緩慢， 釋放的C02量不足以被儀器所檢測到，即檢測靈敏度太低。近年來，微米、納米量級的各種傳感器，特別是生物傳感器和生物圖像傳感器的研究開發(fā)成為熱門課題。納米材料大多具有表面效應(yīng)，表面原子具有較高活性，很容易與其它原子結(jié)合從而改變物理、化學(xué)性質(zhì)；納米結(jié)構(gòu)材料具有的巨大的比表面積，這些非常有利于提高傳感器件的靈敏度和響應(yīng)速度。早期的應(yīng)用大多集中在氣敏探測方面。隨著研究工作的進(jìn)一步深入，納米材料作為濕敏、pH值靈敏的應(yīng)用也得到快速發(fā)展。這些傳感器的共同特點(diǎn)(也即優(yōu)點(diǎn))是體積小，分辨率高，響應(yīng)時間短，所需樣品量少。它們在探測02、N02、 CO、 H2、甲醛和酒精以及甲酸等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，已在閂常生活、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)、反恐防災(zāi)、軍事國防等諸多方面廣泛應(yīng)用。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出一種檢測響應(yīng)速度快、靈敏度高、功耗小的微生物自動培養(yǎng)系統(tǒng)。本發(fā)明設(shè)計的微生物自動培養(yǎng)系統(tǒng)，采用納米傳感器作為后級檢測設(shè)備。所述納米傳 感器由納米薄膜或一維結(jié)構(gòu)納米線(棒)陣列，或金屬氧化物納米線(棒)陣列組成，其 材料為Sb、氧化鋅、Sn02、 Ti02、 0120或111203等，或它們的摻雜物，以探測pH值的變 化引起的電信號來監(jiān)測細(xì)菌培養(yǎng)過程中產(chǎn)生的C02，其具體結(jié)構(gòu)如下本發(fā)明的自動培養(yǎng)系統(tǒng)，由微生物培養(yǎng)瓶、納米傳感器和控制顯示記錄裝置組成，其 結(jié)構(gòu)如圖l所示。其中，微生物培養(yǎng)瓶密封，培養(yǎng)瓶中分為兩個部分， 一部分為細(xì)菌培養(yǎng) 液5，另一部分為處于培養(yǎng)瓶底部的純水或空氣3，兩部分由一層分隔膜4隔離開。這層 分隔膜確保只有C02能通過。培養(yǎng)瓶的底部有探測電極作為納米傳感器，該電極的一端與 外面的控制、顯示、記錄裝置連接， 一端與培養(yǎng)瓶底層的純水或空氣3連通。探測電極采 用對電極結(jié)構(gòu)， 一極為金或石墨等化學(xué)穩(wěn)定的參比電極，另一極為納米薄膜或納米線(棒)陣列，或金屬氧化物納米線(棒)陣列。探測電極可以制備在同一絕緣基片上，也可以是 相互分列的棒狀電極。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。接種標(biāo)本后的培養(yǎng)瓶在自動恒溫、震蕩培養(yǎng)過程中， 當(dāng)有微生物生成時，培養(yǎng)液中將會放出C02氣體，C02氣體透過隔離膜融入底部的純水或空氣中，使其PH值發(fā)生改變，置于純水或空氣一側(cè)的納米傳感器通過檢測表面附有納米 材料的對電極在不同H離子環(huán)境下電位差來自動地連續(xù)監(jiān)測瓶中C02的產(chǎn)生情況，所測得 的信號傳送至電腦分析，繪制顯示出培養(yǎng)瓶中微生物的生長曲線。 一旦超過設(shè)定的閾值， 即判斷為陽性結(jié)果，電腦自動發(fā)出警報，指示陽性瓶的位置，并自動記錄或打印出現(xiàn)陽性 的時間。上述系統(tǒng)的特點(diǎn)主要有a. 納米對電極用于探測C02引起的純水中pH的變化；b. 由于所采用的納米材料的比表面很大，因此探測電極理論上具有更高的檢測靈敏 度和更短的響應(yīng)時間，可作微量、痕量探測。c. 納米電極對直接與探測與控制系統(tǒng)相連，pH的經(jīng)時變化引起的電信號變化被自 動記錄。


圖1為培養(yǎng)瓶設(shè)計示意圖及某一個瓶與系統(tǒng)連接概念圖。 圖2為氧化鋅納米線(棒)陣列電極制備示意圖。 圖3為氧化鋅納米線(棒)陣列SEM照片。 圖4為氧化鋅納米線陣列電極對的pH靈敏特性，圖5為標(biāo)定的Sb納米電極對的C02靈敏特性。圖中標(biāo)號l.控制、顯示、記錄系統(tǒng)2.納米傳感器對電極3.純水或空氣 4.分離 膜5.細(xì)菌培養(yǎng)液6.體液注入操作口， 7.金電極8.溫度計9.水浴鍋10.基片具體實(shí)施方式
下面以氧化鋅納米線制成的納米探測電極為實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。 1.電極對制備在不銹鋼薄片上用溶液法生長氧化鋅納米線(棒)，面積3cm2 。反應(yīng)溶液為lOmnwI/L 的硝酸鋅和5 mmol/L的六亞甲基四胺[Hexamethylenetetramine (99%)]。 反應(yīng)步驟與條件(反應(yīng)裝置如圖2所示)1) 在燒杯中配置上述溶液，用玻璃棒攪拌至完全溶解；2) 水浴鍋溫控設(shè)置為卯'C,當(dāng)水浴鍋溫度為70'C時將燒杯放入；3) 大約十分鐘后當(dāng)燒杯溫度計顯示溫度為85'C時，開始在兩電極之間加1.5 V電壓；4) 維持上述條件反應(yīng)1 h;5) 將樣品取出，迅速用去離子水沖洗表面，去除沉淀和雜質(zhì)；6) 將樣品放入65'C烘箱，風(fēng)干30分鐘，以去除殘余水。圖3為制得的氧化鋅納米線(棒)陣列的SEM照片。以此樣品作為傳感器的探測電 極，對電極釆用金薄膜。 測試采用標(biāo)準(zhǔn)pH緩沖溶液(PH-4， 6.86, 9.2)對進(jìn)行標(biāo)定靈敏特性，結(jié)果如圖4。所制備的 探測電極的pH值的靈敏度約為14mV/PH。模擬微生物培養(yǎng)系統(tǒng)的探測環(huán)境，我們在純水中持續(xù)通入二氧化碳?xì)怏w，探測電極對 純水中PH值改變的時間響應(yīng)如圖5所示，響應(yīng)時間為400秒。以上測試初步證明所以氧 化鋅納米線(棒)作為探測電極的納米傳感器可以用于微生物自動培養(yǎng)系統(tǒng)中的二氧化碳 檢出探測。
權(quán)利要求
1、一種采用納米傳感器的微生物自動培養(yǎng)系統(tǒng)，其特征在于采用納米傳感器作為后級檢測設(shè)備，所述納米傳感器由納米薄膜或一維結(jié)構(gòu)的納米線陣列組成，其材料為Sb、氧化鋅、SnO2、TiO2、Cu2O或In2O3，或這些材料的摻雜物。
2. 、根據(jù)權(quán)利要求1中所述的微生物自動培養(yǎng)系統(tǒng)，其特征在于由微生物培養(yǎng)瓶、納 米傳感器和控制顯示記錄裝置組成；其中，微生物培養(yǎng)瓶密封，培養(yǎng)瓶中分為兩個部分， 一部分為細(xì)菌培養(yǎng)液(5)，另一部分為處于培養(yǎng)瓶底部的純水或空氣(3)，兩部分由一層 分隔膜(4)隔離開，這層分隔膜確保只有C02能通過；培養(yǎng)瓶的底部為探測電極(2)作 為納米傳感器，該電極的一端與外面的控制、顯示、記錄裝置(l)連接，另一端與培養(yǎng) 瓶底層的純水或空氣(3)連通；所述探測電極(2)采用對電極結(jié)構(gòu)， 一極為金或石墨制 作的參比電極，另一極為納米薄膜或一維結(jié)構(gòu)的納米線陣列。
全文摘要
本發(fā)明屬于納米技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用納米傳感器的微生物自動培養(yǎng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括特殊設(shè)計的培養(yǎng)瓶、納米傳感器探測器及控制顯示記錄裝置。培養(yǎng)瓶中有一層分離膜將培養(yǎng)液與純水或空氣隔開，只有CO₂能通過分隔薄膜。接種標(biāo)本后的培養(yǎng)瓶在自動恒溫、震蕩培養(yǎng)的同時，通過檢測由置于純水或空氣一側(cè)的由納米薄膜或納米線(棒)陣列，金屬氧化物納米線(棒)陣列和對電極組成的電極之間的電位差來監(jiān)控瓶中CO₂的產(chǎn)生情況，所測得的信號傳送至電腦分析，一旦超過設(shè)定的閾值，即判斷為陽性結(jié)果，電腦自動發(fā)出警報。該系統(tǒng)可替代目前使用的自動培養(yǎng)系統(tǒng)，而且靈敏度高，操作簡便，并可提高陽性檢出率。
文檔編號C12M1/36GK101307291SQ200810035590
公開日2008年11月19日 申請日期2008年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月3日
發(fā)明者倪語星, 孫大林, 徐華華, 鄭凱波, 陳國榮 申請人:復(fù)旦大學(xué)