监测细胞生长和测量食源性致病细菌的物理特征，对于更好地理解这些生物体生存和繁殖的条件至关重要。为了应对这一挑战，我们使用了一种名为Archimedes的商用悬浮微通道谐振器（SMR），测量了活的和死的肠出血性大肠杆菌O157:H7和无害李斯特菌的浮力质量。通过观察活细菌生长过程中细胞浓度和浮力质量值的增加，用Archimedes监测了细胞生长。这些生长数据与使用Bioscreen系统获得的光密度测量结果进行了比较。我们观察到，Archimedes在细胞浓度为10^5至10^8个细胞/毫升时能够进行浮力质量测量，而光密度测量直到浓度达到10^7个细胞/毫升时才观察到生长。还比较了在有无过氧化氢胁迫暴露条件下活细胞和死细胞的浮力质量；活细胞的浮力质量通常大于死细胞。此外，浮力质量测量还用于确定活细胞和死细胞的细胞密度和总质量。发现死的大肠杆菌细胞比活的大肠杆菌细胞具有更大的密度和更小的总质量。相比之下，活的无害李斯特菌细胞和死的无害李斯特菌细胞密度相同，而活细胞的总质量大于死细胞。这些结果有助于进一步开发用于观察低浓度细胞群和测量细胞独特物理特征的现有技术，这些特征可能有助于开发未来的诊断工具。
监测细胞生长和测量细菌细胞的物理特征，不仅对于确定细菌感染的潜力很重要，而且对于更好地理解这些生物体生存和随后繁殖的条件也很重要。这些信息对于设计评估细菌存在甚至其活力状态的新工具也是必要的。尽管有多种技术和方法可用于监测细菌的存在和生长动态，但仍需要进一步开发技术，以在更低浓度下观察细胞群，观察单个细胞，并测量细胞的更多物理特征。
检查细菌细胞生长动态的传统方法是使用分光光度计进行光密度（OD）测量。在所需波长下，可见光通过细胞样品。光由于细胞样品的浊度而发生散射，从而提供一个OD值。随时间生成的OD测量值可用于生成生长曲线，指示细胞生长的不同状态。Bioscreen C是一种自动化系统，用于在100孔板中随时间测量细菌生长。Nerbrink等人使用Bioscreen开发了一个关于单核细胞增生李斯特菌生长的模型，包括细胞环境胁迫因素的影响。然而，使用Bioscreen检测细胞生长所需的最低细胞浓度为1×10^7 CFU/毫升。重要的是要考虑细胞生长动态是否受细胞浓度影响。在食品安全和食品中微生物风险定量以及其他应用的背景下，单细胞测量尤为重要。
为了评估两种常见食源性致病细菌——单核细胞增生李斯特菌和肠出血性大肠杆菌O157:H7的单细胞滞后期，有几篇报告描述了使用Bioscreen监测已知浓度连续稀释细胞的生长。使用生长数据模型，外推单细胞的滞后期。同样，Métris等人通过Bioscreen测量评估了单个无害李斯特菌细胞的滞后期，他们将细胞储备液稀释到每个样品孔中存在1个或2个细胞。这种利用OD测量获取单细胞数据的方法存在相当大的误差；假设泊松分布，多达40%的含细胞孔可能起源于两个或更多细胞。因此，考虑到从连续稀释细胞外推单细胞光密度信息所涉及的误差，开发用于观察低浓度细胞群和单细胞的技术的需求进一步得到了证实。
或者，商用库尔特计数器已被用于监测小细菌细胞群的生长。这些研究是在20世纪70年代进行的，重点是检查低浓度的细胞群，这些细胞群无法通过比浊法或散射比浊法测量检测到。对于这些研究，使用库尔特计数器获得的体积分布也很重要，以便将细胞体积与生长速率进行比较。为了根据粒径检查细菌生长，Bensman等人使用库尔特计数器研究了血清如何影响炭疽芽孢杆菌Sterne株的孢子萌发和营养生长速率。据报道，多库尔特计数器可为尺寸范围在0.4至1600微米的颗粒提供数量、体积和表面积分布。然而，库尔特计数器并不是实时观察细菌细胞生长动态的常用工具。一个限制可能是库尔特计数器分析样品所需的特定离子环境，其中环境变化可能会影响细胞的物理特性和生长。
成像技术也被用于监测微生物浓度和生长。Julou等人提出了一种成像方法，基于通过激光束的颗粒或细胞散射光的波动，以确定每毫升10^3至10^8个细胞的低微生物浓度。Elfwing等人开发了一种流动室显微镜系统，用于监测单个无害李斯特菌细胞和大肠杆菌K-12的生长和分裂。这项工作的重点是评估母细胞分裂前的滞后期，以便对食品进行定量微生物风险评估。其他人使用显微镜直接在琼脂培养基上观察单个细胞的分裂。通过成像测量低细胞浓度和单个细胞，在提高观察细胞生长行为的能力方面向前迈进了一步。然而，在应用这些方法以进一步了解细胞动态（如与细胞浓度相关的生长）方面，仍有更多工作要做。
在考虑可能提供有关细胞生长或表征不同细胞状态的更多见解的细胞独特物理特征时，我们利用悬浮微通道谐振器（SMR）研究了食源性致病细菌的活和死代表生物的物理特征。SMR是一种悬浮在真空腔中的悬臂传感器，可测量单个颗粒的浮力质量。当颗粒流过SMR时，会根据颗粒的质量和位置产生频率偏移。颗粒的质量与悬臂通道尖端引起的频率偏移成正比。单细胞、单纳米颗粒或生物分子的质量已能以亚飞克分辨率确定。通过测量两种不同密度载体溶液中颗粒的频率偏移，可以获得颗粒密度。使用SMR已能以低至10^-4克/毫升的分辨率确定颗粒和细胞群的密度。单细胞的密度已能以10^-3克/毫升的精度确定。
本报告使用了商用SMR Archimedes来获取浮力质量测量值。当配备Micro传感器时，Archimedes在最佳条件下以1飞克（10^-15克）的精度测量颗粒浮力质量，流速使得细胞通过传感器需要75毫秒。我们将Archimedes的细菌生长数据与光密度测量结果进行了比较，以监测肠出血性大肠杆菌O157:H7和无害李斯特菌的生长特征。所呈现的数据显示，与光密度测量相比，Archimedes能在更低的细胞浓度和更短的时间间隔内检测到细胞生长。此外，我们还展示了活的和死的革兰氏阳性和革兰氏阴性大肠杆菌和无害李斯特菌细菌之间的浮力质量差异。浮力质量测量还可用于检查其他特征，包括密度和总细胞质量。我们考虑了如何利用这些物理特征来区分受胁迫的活细菌和死细菌细胞。
总的来说，本文展示的工作演示了如何使用微悬臂梁传感器监测浓度范围在10^5至10^8个细胞/毫升之间的细菌细胞群生长。我们重点介绍了革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌细胞的物理测量，包括总细胞质量和密度，同时考虑了如何利用这些测量来区分活细菌和死细菌细胞。总之，这些结果有助于进一步开发用于观察低浓度细胞群和测量细胞独特物理特征的现有技术，这些特征可能有助于开发未来的诊断工具。
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