微生物广泛分布于地球表面各处及各种极端的环境,微生物与微生物之间或与其他生物存在着各式各样的依存关系。在自然界当中,微生物不仅参与了自然界的C、N、S等元素的循环,而且在农业中以菌造肥、以菌防病、以菌催长,在工业中制造皮革、处理废水、降解有机磷和有毒物质,在发酵工程和酶工程上也起着重要的作用。然而少数有害微生物也对人类生活造成危害,主要表现为水体中肠道致病菌和非肠源性的微生物的污染,食品的收获、运输、加工和贮藏过程微生物入侵,以及临床医学中介入性治疗引起的微生物感染造成的危害等。


因此,研究微生物在不同环境的生长有助于了解微生物的属性,从而充分利用微生物的有益作用为人类造福,同时超快诊断有害微生物并设法消除有害微生物给人类带来的危害来提供有益的帮助。目前,微生物生长检测方法可以分为两大类:侵入式测量和非侵入式测量。早期以侵入式测量方式为主,包括:称干重法、菌丝长度测量法、体积测量法、微生物计数法、生理指标法等。但是由于操作者需要学习使用显微镜、梯度稀释菌液、菌液涂布、离心、酸碱滴定、配制溶液等专业技术,并且工作量大,操作耗时长,获取的采样点少,侵入式操作导致的杂菌干扰、培养基含量减少等因素,微生物生长检测结果往往不够精确而且效率低下,所以该类检测方法难以实现快速、精确自动化分析微生物生长。


微生物的生长伴随着一系列与生长量相平行的生理指标也发生变化,其中可用于快速生长测定主要包括:RNA,DNA,P,ATP,乙酰等含量以及产热,黏度,产酸,产二氧化碳气体(用标记葡萄糖做基质),耗氧,透光度等指标。这些物质也是构成当前非侵入式微生物测量方法的基本依据。近年来,可用于分析这些生物指标的微生物传感器陆续被研究者提出,通过反演这些生物指标的变化可以获取微生物的生长状态,也是寻求一种非侵入式、简便、准确、快速、自动化的微生物生长检测方法的主流。二氧化碳作为微生物生长代谢的产物之一,其变化量能实时快速反映微生物的生长情况。


目前,基于二氧化碳的检测方案已经快速应用于微生物生长曲线测量。可调谐半导体激光光谱技术(TDLAS)作为一种响应时间快、高灵敏度、选择性强、高分辨率、结构简单、非侵入式的痕量气体检测技术已经成功的应用于大气检测、工厂一排放等领域,而波长调制技术作为一种可调谐半导体光谱技术,通过对入射的激光波长进行调制来压制背景噪声信号,将检测的灵敏度提高二个数量级,进而探测更低的气体浓度。


本文依据波长调制光谱技术的优点,研究了一种在封闭空间内、有限有机物条件下的微生物生长曲线测量方法,获得了一种非侵入式、响应时间快、高灵敏度、高分辨率等优势的微生物曲线测量方法,并将该微生物生长曲线测量方法应用于不同温度条件下的微生物生长测量,同时对测量曲线进行拟合,获取了微生物在不同培养条件下的生长参量以及微生物生长与环境因素的关系,同时提出了一种波长调制光谱技术测量的压力补偿方案,克服了测量过程中压力变化带来的测量误差,最后将该研究方法应用于血培养检测。


与现有仪器相比较,利用基于波长调制光谱技术的血培养系统测厌氧培养瓶的阳性报警结果与现有仪器结果吻合程度很好,需氧、兼性厌氧培养瓶获得的阳性报警结果仅有1个误差,并且分析造成该结果的原因,检测结果未出现出现假阴性结果,同时检测现有仪器中1个假阳性结果,该方法获得了很好测量结果。本文研究成果将进一步推进TDLAS技术应用于微生物生长检测,为今后的研究做了铺垫,最后对全文进行总结,提出了下一步工作展望。

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