AT397511B - Vorrichtung zur vollautomatischen erfassung des mikroorganismenwachstums - Google Patents

Description

AT397 511B

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur vollautomatischen Erfassung des Mikroorganismenwachstums, die mehrere Zellen aufweist, in die zur Messung der Impedanz jeweils mehrere Elektroden hineinragen.

Zur Untersuchung der Keimzahl von Mikroorganismenkulturen werden zunehmend vollautomatische, rechnergesteuerte Verfahren eingesetzt, die auf einer elektrischen Impedanzmessung beruhen. Die zu untersuchende Flüssigkeitsprobe befindet sich dabei in einer mit zumindest zwei Elektroden ausgestatteten Meßzelle (siehe z. B. EP-A-233 024). Bei modernen Anlagen wird dabei eine Vielzahl von Zellen gemeinsam durch einen Rechner verwaltet, wobei die Zellen im allgemeinen zyklisch über einen Multiplexer in Abständen von einigen Minuten an eine Impedanzmeßeinrichtung geschaltet werden. Ein Anwachsen der Kultur wird dabei aus einer entsprechenden zeitlichen Veränderung des gemessenen Impedanzwertes erkannt

Die Anzahl der gemeinsam verwaltbaren Zellen ist prinzipiell unbegrenzt. Allerdings ergibt sich bei steigender Zeilenzahl eine entsprechend große Anzahl von Leitungsführungen und auch von Multiplexerkanälen (siehe z. B. US-A-3 890 201; US-A-4 160 205; US-A-4 067 951). Besonders umfangreiche Leitungssysteme ergeben sich bei Verfahren, die nicht nur die Gesamtimpedanz einer Zelle erfassen, sondern die komplexe Gesamtimpedanz Z in die Impedanz des flüssigen Mediums und jene Zg der Meßelektroden zerlegen (siehe AT-B-392 798). Dafür werden bis zu vier Elektroden benötigt was zu extrem umfangreichen und damit auch störanfälligen Multiplexersystemen führen kann. Verfahren, bei denen das Kontaktsystem einen festen Bestandteil der Zelle darstellt haben letztlich auch den Nachteil hoher Fertigungskosten, was vor allem bei Wegwerfzellen von Bedeutung ist.

Hohe Zeilenzahlen können sich einerseits aus der hohen Anzahl von zu untersuchenden Proben ergeben. Sie können aber auch daraus resultieren, daß die - an sich weitgehend unspezifisch arbeitende - Impedanztechnik zur selektiven Keimbestimmung eingesetzt werden soll. Dabei sind Mehrfachansätze in spezifisch zusammengesetzten Kulturflüssigkeiten notwendig.

Eine Methode zur Vermeidung umfangreicher Leitungs- und Kontaktsysteme besteht darin, die mit äußeren blanken Kontaktflächen versehenen Meßzellen in zyklischer Weise einzeln an die Eingangskontakte einer Impedanzmeßeinrichtung heranzuführen. In US-A-4 250 266 wurde dafür eine Vorrichtung beschrieben, bei der die Meßzellen an einem Karussell befestigt sind und durch schrittweise Drehbewegungen an Federkontakte herangeführt werden.

Die oben beschriebene Anordnung weist den Nachteil auf, daß Geometrie, Anordnung und Anzahl der Zellen starr vorgegeben sind. Andererseits ergeben sich aus der äußerst großen Vielfalt von Mikroorganismen sehr unterschiedliche Anforderungen an die optimale Zellgröße bzw. auch an die Anzahl der gleichzeitig anzusetzenden Teilproben. Im Sinne der Flexibilität sind damit möglichst einfach aufgebaute Zellen zu fordern, die bei geringen Herstellungskosten auch als Wegwerfzellen verwendet werden können.

Ein weiteres - aus der Vermeidung des Multiplexers resultierendes - Problem besteht darin, daß die Eingangskontakte der Impedanzmeßeinrichtung durch sämtliche Zellen in elektrischer und mechanischer Weise belastet werden. Den Kontakten kommt damit ein Kontaktwiderstand R zu, der bei den einzelnen KontaktYorgängen unterschiedliche Werte aufweisen wird. Im vorliegenden Anwendungsfall können dabei selbst - an sich - geringfügigste Veränderungen von R zu schwerwiegenden Verunsicherungen des Meßergebnisses führen, weil die Detektion von Mikroorganismen auf innerhalb mehrerer Stunden auftretenden Gesamtveränderungen von Z (oft nur einige Prozent!) beruht. Den in Abständen γοη einigen Minuten erfaßten Teilveränderungen von Z kommen damit nur äußerst kleine Werte zu, die durch Schwankungen von R stark verfälscht werden können.

Die Erfindung zielt nun darauf ab, eine Vorrichtung anzugeben, die sämtliche oben angeführte Nachteile beseitigt Dies heißt, daß umfangreiche Leitungs- und Multiplexersysteme vermieden werden sollen und der Geometrie, Anordnung und Anzahl der Zellen keine wesentlichen Beschränkungen gesetzt werden sollen. Darüber hinaus soll das Eingangskontaktsystem der Impedanzmeßeinrichtung möglichst einfach und zuverlässig ausgeführt sein, wobei auf eine Zerlegung von Z aber nicht verzichtet werden soll. Letztlich soll auch eine Kontroll- und allenfalls auch Korrekturmöglichkeit bezüglich des Kontaktwiderstandes R möglich sein.

Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektroden mit außerhalb der Zellen liegenden Elektrodenkontaktstücken galvanisch verbunden sind und daß die Vorrichtung einen Abtastkopf aufweist, der mittels eines Schlittensystems verschiebbar ist und mit den Elektrodenkontaktstücken elektrisch verbindbar ist. Erfindungsgemäß werden also Zellen eingesetzt, die außen Elektrodenkontaktstücke aufweisen. Es ist vorteilhaft, wenn die Elektrodenkontaktstücke gegenüber der Stift-Querschnittsfläche vergrößert ausgeführt sind. Diese Elektrodenkontaktstücke sind mit den Elektroden galvanisch verbunden und können mit dem Abtastkopf elektrisch verbunden werden. Je nachdem, wohin der Abtastkopf mittels des Schlittensystems bewegt wird, bekommt er mit den Elektroden der verschiedenen Zellen Kontakt, und es können die Meßwerte der Zellen nacheinander ermittelt werden. Es ist dazu keine aufwendige Verdrahtung und kein Multiplexer notwendig. Die Zellen können in prinzipiell beliebiger Art reihen- bzw. spaltenweise zu miteinander mechanisch verbundenen Zellarrays zusammengefaßt werden. -2-

AT397511B

Es ist zweckmäßig, wenn die Elektroden an einem gemeinsamen, von den oben offenen Zellen abhebbaren Elektrodenträger befestigt sind und wenn die Elektrodenkontaktstücke an der den Elektroden gegenüberliegenden Seite des Elektrodenträgers angeordnet sind. In diesem Fall werden also nach oben offene Zellen eingesetzt

Einem Zellarry wird ein - im allgemeinen nach Einbringung der Proben aufgesetzter und zugleich eine Deckelfunktion übernehmender - Elektrodenträger zugeordnet, an dem die Elektroden, vorzugsweise Stiftelektroden, befestigt sind. Diese tauchen in definierter Weise in die einzelnen Zellen ein. An der Oberseite des Elektrodenträgers, also an der den Elektroden gegenüberliegenden Seite, sind mit den Elektroden galvanisch verbundene Elektrodenkontaktstücke zur Kontaktierung frei zugänglich. Diese Elektrodenkontaktstücke können auch einfach durch das Ende der Elektroden gebildet werden. Die beschriebene Konzeption ertaubt die Kombination von billigen Wegwerfzellen mit wiederverwendbaren, autoklavierbaren Elektrodenträgem. Es ist auch einfach möglich, den Elektrodenträger bestimmten chemischen oder physikalischen Behandlungen zu unterwerfen, um seine physikalischen Eigenschaften - im Sinne erhöhter Spezifität - den zu detektierenden Organismen anzupassen. Die Anordnung der Elektrodenkontaktstücke und damit des Abtastkopfes über den Zellen hat außerdem dm Vorteil, daß eine Verunreinigung der Elektrodenkontaktstücke oder des Abtastkopfes durch den Inhalt der Zellen auch ohne zusätzliche Maßnahmen relativ unwahrscheinlich ist.

Bei einer möglichen Ausführungsform werden die Zellarrays auf einer gemeinsamen, ebenen Grundfläche angeordnet. Über den mit Elektrodenträgem versehenen Zellarrays wird erfindungsgemäß ein korordinaten-geführter Abstastkopf angeordnet. Die Steuerung erfolgt durch einen Rechner.

Um eine exakte Kontatkierung auch bei Toleranzen der geometrischen Anordnung sicheizustellen, ist der Abtastkopf vorzugsweise mit einem Sensor zur automatischen Erkennung von vor ihm positionierten Elektrodenkontaktstücken ausgestattet. Dabei können z. B. optische, magnetische oder auch elektrische Sensorsysteme zum Einsatz kommen, wobei im zuletzt genannten Fall auch das Kontaktsystem selbst genutzt werden kann. Der Abtastkopf wird zyklisch über den einzelnen Zellen positioniert, wobei zur Kontaktierung ein Abtastkontaktstück - beispielsweise nach magnetischem Prinzip · zu den Elektrodenkontaktstücken abgesenkt, auf sie aufgepreßt oder auch an sie schleifend herangeführt wird.

Zur zyklischen Abtastung kann beispielsweise ein von zwei rechnergesteuerten Schrittmotoren betriebenes XY-Schlittensystem eingesetzt werden. Zur Beschleunigung der Abtastprozeduren ist als mögliche Variante aber auch eine gleichzeitige Abtastung der Elektroden mehrerer Zellen vorgesehen, wobei im einfachsten Fall immer eine ganze Reihe zugleich kontaktiert wird, sodaß der Abtastkopf in nur eine Richtung bewegt werden muß. In diesem Fall weist der Abtastkopf zur gleichzeitigen Abtastung der Elektroden mehrerer Zellen mehrere Abtastkontaktstücke auf.

Der Abtastkopf weist prinzipiell mehrere, der Elektrodenanzahl einer Zelle entsprechende Abtastkontaktstücke auf. Vorzugsweise weist aber jede Zelle zur Erhöhung der Betriebssicherheit möglichst wenige Elektrodenkontaktstücke auf, wobei beispielsweise jeweils eine Elektrode einer Zelle, an eine gemeinsame Massenleitung angeschlossen ist Im einfachsten Fall besteht das Kontaktieningssystem damit aus einer einzigen Metallspitze, die auf eben ausgeführte Elektrodenkontaktstücke aufgedrückt wird.

Erfindungsgemäß wird aber bevorzugt, daß zur Erkennung von Kontaktfehlem und Durchführung entsprechender Korrekturen das Abtastkontaktstück aus mehreren Teilstücken besteht. Beispielsweise können zwei miteinander galvanisch verbundene Metallspitzen A und B vorgesehen werden. In einem ersten Schritt wird dabei A auf das Elektrodenkonstaktstück abgesenkt und ein Gesamtimpendanzwert Zj = Z + gemessen. Zusätzliches Aufsetzen von B führt auf Z2 = Z + R^//Rg. Ein dritter Meßschritt nach abgesetztem A führt aufZg = Z + Rg. Aus den drei Gleichungen lassen sich die drei Unbekannten Z, und Rß berechnen.

Hier interessiert natürlich hauptsächlich Z. Soll - wie weiter oben erwähnt · die komplexe Gesamtimpedanz Z in die Impedanz Zjyj des flüssigen Mediums und jene Zg der Meßelektroden zerlegt werden, so werden jeder

Zelle - wie bereits erwähnt - bis zu vier Elektroden und damit auch mehrere Abtastkontaktstücke zugeordnet, die ihrerseits jeweils aus mehreren Teilstücken bestehen können.

Anhand der Zeichnungen wird die erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch erläutert; es zeigen; Fig. 1 ein einfaches Beispiel der Gesamtanordnung in einer Explosionsansicht; Fig. 2 eine mögliche Ausführungsform eines Abtastkopfes zur synchronen Abtastung mehrerer Zellen und Fig. 3 ein Beispiel zur geteilten Ausführung eines Abtastkontaktstückes. Dabei sind nicht alle zur Bestimmung des Mikroorganismenwachstums notwendigen Bauelemente dargestellt, sondern nur die für die Erfindung wesentlichen.

Fig. 1 zeigt zwei aus 15 kleinen bzw. sechs größeren, runden (ohne Kulturflüssigkeitsfullung skizzierten) Zellen (1) bestehende Zellarrays (2) bzw. (3). Auf den in einigem Abstand darüber (d. h. nicht aufgesetzt) dargestellten Elektrodenträger (4) bzw. (5) sind im hier angedeuteten einfachsten Fall jeder Zelle zwei Elektroden (6) und (7) zugeordnet. An der Deckfläche der Elektrodenträger sind die linken Ekketroden (6) an eine gemeinsame Massenleitung (8) angeschlossen. Die rechten Elektroden (7) sind galvanisch mit plättchenförmigen Elektrodenkontaktstücken (9) verbunden. Über dem Elektrodenträger (4) ist über der im linken vorderen Eck gelegenen Zelle der Abtastkopf (10) skizziert Im hier gezeigten Fall weist er eine einzige Metallspitze als Abtastkontaktstück (11) auf, wobei letzteres durch ein in den Abtastkopf (10) integriertes Absenksystem ein Elektrodenkontaktstück (9) kontaktiert. Der Abtastkopf (10) wird durch das -3-

Claims (6)

1. AT397 511B XY-Schlittensystem (12) geführt, wobei zwei Schrittmotoren (13) und (14) den Antrieb besorgen. Die Motoren werden vom Rechner (15) angesteuert, der auch die Verarbeitung der von der Impedanz-Meßelektronik (16) gelieferten Meßdaten übernimmt. Fig, 2 zeigt eipen Abtastkopf (17) zur synchronen Abtastung mehrerer, einem Elektrodenträger (18) zugeordneter Zellen. Im skizzierten Fall trägt er drei Abtastkontaktstücke (19), (20) und (21), die eine gleichzeitige Kontaktierung der Elektrodenkontaktstücke (22), (23) und (24) ermöglichen. Fig. 3 zeigt in stark schematisierter Form einen Abtastkopf (25), dessen Abtastkontaktstück geteilt ausgefuhrt ist Es besteht aus galvanisch verbundenen Metallspitzen (26) und (27), die wahlweise gemeinsam oder - wie skizziert - einzeln auf ein darunter positioniertes Elektrodenkontaktstück (28) eines Elektrodenträgers (29) abgesenkt werden können. PATENTANSPRÜCHE 1. Vorrichtung zur vollautomatischen Erfassung des Mikroorganismenwachstums, die mehrere Zellen aufweist, in die zur Messung der Impedanz jeweils mehrere Elektroden hineinragen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (6, 7) mit außerhalb der Zellen liegenden Elektrodenkontaktstücken (9,22,23,24,28) galvanisch verbunden sind und daß die Vorrichtung einen Abtastkopf (10,17,25) aufweist, der mittels eines Schlittensystems (12) verschiebbar ist und mit den Elektrodenkontaktstücken (9,22,23,24, 28) elektrisch verbindbar ist
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (6,7) an einem gemeinsamen, von den oben offenen Zellen abhebbaren Elektrodenträger (4, 5,18, 29) befestigt sind und daß die Elektrodenkontaktstücke (9, 22, 23, 24, 28) an der den Elektroden (6, 7) gegenüberliegenden Seite des Elektrodenträgers (4,5,18,29) angeordnet sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastkopf (10,17,25) mit einem Sensor zur automatischen Erkennung von vor ihm positionierten Elektrodenkontaktstücken (9,22, 23,24,28) ausgestattet ist.
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastkopf (17) zur gleichzeitigen Abtastung der Elektroden mehrerer Zellen mehrere Abtastkontaktstücke (19,20,21) aufweist. (Fig. 2)
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Elektrode (6) einer Zelle (1) an eine gemeinsame Massenleitung (8) angeschlossen ist.
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastkontaktstück aus mehreren Teilstücken (26,27) besteht. (Fig. 3) Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -4-