CN115372091A - 可现场部署的多路式取样和监测装置及细菌污染测量方法 - Google Patents

Abstract

一种用于通过感兴趣的类型的细菌来量化流体样本的污染的系统和方法。该系统包括：取样瓶，样本流体被采集到该取样瓶中；试剂，该试剂在感兴趣的细菌存在的情况下提供光学标记，该试剂与样本流体混合；温度控制器设备，该温度控制器设备用于温育样本流体。该系统还包括：光学传感器，该光学传感器用于多次从样本流体获得荧光光学信号和/或吸光度光学信号，该光学传感器使用最少两种波长来测量吸光度光学信号，而该两种波长被选择为使得一种波长比另一种波长对试剂的光学标记敏感；控制器，该控制器被配置为根据在流体样本的温育期间从至少一个光学传感器获得的荧光与时间曲线和/或吸光度与时间曲线的形状来确定样本流体的细菌浓度。

Description

可现场部署的多路式取样和监测装置及细菌污染测量方法

本申请是申请日为2018年3月1日，申请号为2018800150518，发明名称为“可现场部署的多路式取样和监测装置及细菌污染测量方法”的中国发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年3月1日提交的名称为“Field-deployable MultiplexedSampling and Monitoring Device and Bacterial Contamination MeasurementMethod”的美国临时专利申请序列号62/465,232的优先权，其在此通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及一种可现场部署的多路式取样和监测装置，其可以用于在没有交叉污染的情况下并且在不同深度处自主地取样和监测一片流体(abody of fluid，大量流体)。另外，提供了样本制备和分析模块及方法，其允许样本与试剂混合并温育一段时间，同时并行地对样本执行特定于波长的光学测量。

背景技术

在许多领域中，需要人工取样然后进行不同类型的实验室分析，来执行水质参数的监测。对于许多应用而言都是如此，包括饮用水、废水、环境用水、娱乐用水、沿海水和工业过程水监测。这种取样和分析操作既是配备密集又是劳动密集的，需要大量资源和训练有素的人员，既昂贵又耗时。此外，由于不正确的取样监管链，结果可能无法完全代表被收集的样本所处的环境；这可能导致取样采集期间的样本污染，或者导致在运输到实验室期间的温度变化和样本降解过程。化学平衡可能被影响，样本中的活性物质(例如细菌、藻类)可能会演变(繁殖或死亡)并消耗样本的营养物，并且样本与管道和容器材料的相互作用可能导致某些物种吸附到容器或管道壁或者从容器或管道壁释放。为了避免这种样本降解，需要采取附加措施，诸如样本冷藏，或添加不同类型的化学品，诸如固定剂。该要求进一步增加了样本收集和运输的复杂性和后方勤务(logistic，后勤、安排协调)。

通常，需要监测的事件可能在不可预测的时间发生(意外污染和风暴就是这种情况)，或者可能需要样本的时间序列以在事件的整个持续时间内的不同时间提供关于成分的信息(允许记录污染图)。这可能需要快速派遣人员并延长时间长度，相关成本高且后方勤务要求有难度。替代性地，可以使用自动取样装备(自动取样器)，自动取样装备可以通过外部命令、通过传感器(诸如降水传感器或浊度探头)远程触发，或者可以按照预编程的时间表操作。取决于应用，可能需要采集随机采集的样本(其代表在一个位置和一个时刻的取样介质)、复合样本(在一段时间内每隔一定时间间隔采集的多个样本)或者流动-比例复合样本(在一段时间内半连续地、以与在取样点测量的水流速成比例的平均摄入率收集的样本)。在某些应用中需要自适应取样(取样操作的开始由传感器读数触发)。

这种自动取样器应尽可能通用。特别地，它们应该易于安装和取回。它们应该能够在所有气象条件下、在近海岸或远离海岸的表面或不同深度处进行取样，并且不需要外部电源。样本应代表部署取样器的地方的介质。取样机制不应在连续样本之间引入交叉污染，尤其是如果以痕量水平监测污染物是重要的。

在开阔水域中进行取样可能需要使用适当配备的船，这可能引入重要的附加成本。取样和分析操作的复杂性可能造成后方勤务噩梦，有很强的人为错误的可能性。此类操作所固有的人员风险也很重要，尤其是如果在夜间、在开放水域中从浮动平台诸如船或驳船或者在风暴事件期间执行取样。某些类型的污染也可能带来特定风险，诸如爆炸、火灾、化学危险、放射性危险或生物危险。

特定类型的污染诸如海上石油泄漏可能需要在某些事件之前、期间和之后或者在施加污染处理之后在开放水域条件下进行大面积监测。例如，在开始勘探和钻井操作之前(为了建立基线)、在钻井阶段期间(当泄漏风险高时，涉及原油和不同的钻井液或用于处理的化学品)、在完成阶段期间、在井寿命结束时的解除运作操作期间、以及对于在井的整个运行生产阶段的长期监测，可能需要在海上石油平台周围的不同位置和深度处的多个同步样本。

类似地，每当在开放水域中发生意外污染诸如来自油轮或平台的溢油，就需要在溢出物周界周围的不同位置处快速部署监测配备，以评估随时间推移的损害的范围和进展，并评估正在进行的补救操作(诸如来自船或飞机的分散剂处理)的效率。通常，这种监测需要能够评估水柱顶部中烃类的存在，并且能够在执行处理操作之前、整个过程中和之后收集不同位置和深度处的样本。理想地，此类系统应监测一种或多种污染指示物，诸如荧光的存在、pH的变化或其他合适的参数。每当满足某些条件，系统就应该能够自动收集一个或多个样本。每当发生此类污染事件，快速干预都是至关重要的，需要能够简单快速部署和取回并且即使在陆基网络无法到达时也理想地进行无线通信的监测系统。

其他类型的污染诸如天然渗漏可能需要长期监测，并且每当满足某些条件(例如，每当荧光计记录的荧光水平达到指示存在原油的阈值时)就进行取样。

目前使用的自动取样器是不能潜水的，并且它们通常使用从单元延伸到水体的软管以及真空泵或蠕动泵，以便将样本从水体拉到取样器。这种取样器相对难以安装，并且由于泵性能有限以及管中可能发生的空化，因此在最大安装高度上存在限制。所有样本都循环通过相同的取样管，这可能导致严重的交叉污染。因此，需要在装置中对清洁程序进行编程。这种简单的清洁(即吹送空气或反向泵送)可能无法有效地去除某些类型的污染，特别是：可能粘到管道材料上的油膜、可能在管中产生菌落的细菌、可能吸附或以其他方式附着到管道壁或泵壁上的化学品和微量化合物。此外，悬浮的颗粒可能不会以与管中的水相同的速度行进，这可能导致无代表性的取样。这样的取样器不能在不同深度处取样，因此需要使用多个单元用于该目的。最后，如果电源和通信线路不可用，则这样的取样器将需要附加的电池和无线发射器，附加的电池和无线发射器通常不集成在取样器单元中，而是具有一定大小和重量的单独单元，这进一步使安装过程复杂化。安装需要时间和资源，并且在危机情况下无法快速执行。在公海中使用此类仪器需要配备齐全的船，或者有其他类型的可用于海洋的浮动平台可用，这需要大量费用。对于之前描述的许多应用，这些限制可能是费力的。

一些应用(诸如：饮用水质量保证、水产养殖、废水监测、环境监测、娱乐用水监测等)需要对水进行微生物分析以测量病原体诸如肠球菌、粪大肠杆菌、E.Coli和其他细菌或病毒的存在和浓度。此类病原体可能给水的最终用户带来严重的健康风险，并且经常需要测量以符合当地、地区或联邦法律。这些测量对于操作目的也可以证明是有用的，例如，以改善水处理过程，或使进一步污染的风险最小化。

这种微生物分析通常需要在收集的几小时内并且在冷藏条件下将样本从收集场所运输到实验室，以允许样本内的细菌随时间推移的最小演变。然后，测量水中存在的细菌需要执行实验室分析。通常，目前有几种技术用于测量细菌诸如E.Coli或大肠杆菌群，其中最广泛使用的技术与程序的典型持续时间一起总结如下：

·膜过滤(可选)，以及在培养皿中的AGAR培养基上铺板，然后进行温育和菌落计数(需要24-48小时)

·通过细菌培养在包含与细菌代谢产生的某些色原和/或荧光团有关联的特定酶底物的生长培养基中测量酶活性，然后温育并视觉确认吸光度和/或荧光(需要18-24小时，并且用作存在/不存在测试。可以将样本分成多个隔室或孔以提供一些量化分析)

·基于DNA的分析，其涉及不同形式的PCR(量化PCR或数字PCR)(需要12小时)

·基于直接酶活性测量的快速方法，其使用荧光团、有或没有细胞裂解并且没有培养(2-4小时，但与基于PCR或培养的方法不具有相同的对E.Coli的特异性。不是被批准的方法。)

这些技术中的许多技术目前不能直接在现场使用，并且对于批准的方法，结果仅在许多小时后才可用。结合样本收集、运输、制备和测量时间，从样本到报告的持续时间的现实估计为24至36小时。有时，需要执行附加的确认测试，这可能会进一步增加该持续时间。

这种长持续时间不太适合于站的主动管理。此外，定期监测的成本可能很高：单个常规实验室分析可能花费超过50美元，并且如果迫切需要报告，则成本可能增加一个数量级。因此，需要集成在自动测量装备中的快速检测方法，其可以实现与实验室方法相同的特异性，但在仅几个小时内产生结果，每次分析成本较低，并且不需要经过专门配备的实验室和训练有素的人员。此类装置可以用作准确的测量装置，或者用作警报站以给予微生物污染的早期警告。

已经报道了几种快速在线E.coli量化技术(参见例如R.Lopez-Roldan、P.Tusell、S.Courtois和J.L.Cortina，“On-line bacteriological detection in water”TrendsAnal.Chem，vol.44，pp 46-57，2013，其在此通过引用整体并入本文)，并且一些技术已经应用于环境或娱乐用水质量监测(参见例如R.T.Noble和S.B.Weisberg，“A review oftechnologies for rapid detection of bacteria in recreational waters”J.WaterHealth，pp 381-392，2005，其通过引用整体并入本文)。这些技术使用各种分析方法，范围从简单的光散射或直接颜色和/或荧光测量(参见例如Andy Baker、Susan A.Cumberland、Chris Bradley、Chris Buckley、John Bridgeman：“To what extent can portablefluorescence spectroscopy be used in the real-time assessment of microbialwater quality？”Science of the Total Environment 532，pp.14-19(2015)，其在此通过引用整体并入本文)到复杂的分子技术。一些快速方法诸如Reverse-TranscriptionQuantitative PCR(参见例如P.Bergeron、H.Oujati、V.Catalalan Cuenca、J.M.HuguetMestre、S.Courtois，“Rapid monitoring of Escherichia coli and Enterococcusspp.in bathing water using Reverse-Transcroption-quantitative PCR”，Int.J.Environ.Health，vol.214，pp.478-484，2011，其在此通过引用整体并入本文)和酶活性的直接测量(参加例如：J.Baudart、P.Servais、H.de Paoli、A.Henry和P.Lebaron，“Rapid enumeration of Escherichia coli in marine bathing waters:potentialinterference of nontarget bacteria”J.Appl.Microbio.，vol.107，pp 2054-2062，2009；D.Wildeboer、L.Amirat、R.G.Price和R.A.Abuknesha，“Rapid detection ofEscherichia coli in water using a hand-held fluorescence detector”WaterResearch，vol.44，no.8，pp.2621-2628(2010)；C.Briciu-Burghina、B.Heery、F.Regan：“Continuous fluorometric method for measuringβ-glucuronidase activity:comparative analysis of three fluorogenic substrates”，Analyst 140(17)pp.5953-5964(2015)；以及B.Heery、C.Briciu-Burghina、D.Zhang、G.Duffy、D.Brabazon、N.O’Connor和F.Regan，“ColiSense,today's sample today:A rapid on-site detection ofβ-d-Glucuronidase activity in surface water as a surrogate for E.coli”，Talanta，vol.148，pp.75-83，(2016)，其中每个都在此通过引用整体并入本文)可以在短至4小时内提供初始结果，但是需要相对复杂的样本预处理并且技术不容易适用于全自动无人看管操作。更重要的是，这些技术可能通过计数活细胞和死细胞而过高估计细菌负荷，并且可能受到来自其他细菌的干扰(特别是对于不涉及生长步骤的酶测量)。还已经开发了基于荧光原位杂交的更具体的分子生物学方法(参见例如J.Baudart和P.Lebaron，“Rapiddetection of Escherichia coli in waters using fluorescent in situhybridization,direct viable counting and solid phase cytometry”J.Appl.Microbio.，vol.109，no.4，pp.1253-1264，2010，其在此通过引用整体并入本文)，但它们的显著复杂性目前将它们限制于学术实验室使用。涉及特定于感兴趣的细菌的选择性生长培养基并且包含与细菌代谢产生的某些色原和/或荧光团有关联的特定酶底物的限定底物技术(DST)作为一种可靠的检测技术脱颖而出；存在使用DST测定和MPN技术的多种量化方法(一些使用微孔板小型化)(参见例如：US EPA Report：“GuidelinesEstablishing Test Procedures for the Analysis of Pollutants；AnalyticalMethods for Biological Pollutants in Ambient Water；Final Rule”，U.S.FederalRegister 40 CFR Part 136 Vol.68，No.139(2003)；以及“Water quality--Detectionand enumeration of Escherichia coli and coliform bacteria--Part 3:Miniaturized method(Most Probable Number)for the detection and enumeration ofE.coli in surface and waste water”，NF EN ISO 9308-2，“Water quality--Detectionand enumeration of Escherichia coli and coliform bacteria--Part 3:Miniaturized method(Most Probable Number)for the detection and enumeration ofE.coli in surface and waste water”NF EN ISO 9308-3，其中每个都在此通过引用整体并入本文)。一些商业传感器使限定底物技术方法自动化，并基于吸光度和/或荧光出现的时间提供细菌量化，但不适合现场部署(参见例如http://adasaproducts.com/en/ portfolio/aquabio，其通过引用整体并入本文。

如上所示，存在许多用于自动化细菌测量的装置。这些通常基于使前面提到的通用技术中的一些通用技术自动化。然而，仍然存在许多困难，这些困难与此类装置的现场部署有关。例如，此类装置通常不是完全自动化的(在不同阶段需要人为干预)，或者不能由电池供电(在测量点直接需要某种设施)。它们是不能潜水的，并且它们通常不整合样本采集和制备能力(例如，与特定试剂自动混合)，尤其是在监测自然环境时。样本性质诸如悬浮固体和颗粒或者水温的效应可能会不利地影响测量或其最终准确度。去污和清洁的难度还可能使这种仪器的现场操作复杂化。这些装通常缺乏实时发送数据或警报的能力，这限制了它们作为微生物警报站的效用。

能够在比当前自动化细菌测量所需的典型测量时间短的时间尺度上监测事件细菌污染通常是重要的。合流下水道溢流事件期间或者暴风雨期间的快速排放就是这种情况，合流下水道溢流事件或者暴风雨可能会迅速对水道造成严重的细菌污染。当前的装置不允许这种动态监测。

通常需要在没有电源或有线通信基础设施的偏远现场位置执行细菌监测。示例包括监测农场站处(灌溉用水监测)、水产养殖站处、偏远洗浴站处、水体上和浮标上的细菌水质。

就目前的量化细菌测量方法而言，许多依赖于最可能数量(MPN)方法，其中许多孔填充有样本，每个孔充当可以给出存在或不存在响应的单独的“温育箱”或“反应器”。基于记录存在细菌的孔的数量，可以统计地推断出在给定体积的样本中最初存在的细菌的最可能数量。就浓度范围而言，该方法是有限的：过浓的样本将在几乎每个孔中记录存在，这限制了量化能力。因此，为了覆盖可能浓度的完整范围(通常覆盖几个数量级)，可能需要对样本进行多次稀释，并独立测量每种稀释。电镀方法也是如此——如果测量过浓的样本，整个板将被菌落覆盖，无法进行计数和量化。当样本过稀时，存在类似问题，这可能需要通过过滤更大量的样本来浓缩细菌。这种量化系统存在附加问题：聚集成颗粒的细菌菌落被计数为单个细菌。因此，如果待分析的水包含颗粒形式的微生物电荷，则这些方法倾向于系统地低估微生物浓度。第三个问题涉及这样的事实，即只有在等于最大测量时间的温育时间之后才能获得准确的结果。

基于PCR的方法可以高度特定于菌株或感兴趣的细菌类型。然而，复杂的样本制备和处理要求使得该方法对于大多数现场实现而言通常是不切实际的。另一缺点是这些技术还可以从死细胞中检测DNA物质，因此不能在活性和非活性细胞之间进行区分。基于酶活性的快速测量测量主要存在于靶细菌中的某些酶的总活性，但是主要存在于靶细菌中的某些酶不能与存在于其他类型的微生物中或甚至死亡的非活性细胞内的类似酶区分。因此，这样的测量对靶细菌(例如E.Coli)没有特异性要求，这可能导致假阳性——因此，测量仅作为靶细菌(E.Coli)存在的代理，并且取决于当地水微生物基质。此类测试通常需要通过其他互补测量来确认，具有改进的特异性。因此，快速酶活性测量对于警报站可以是可接受的，但是不提供用于对活的靶细菌浓度进行量化的准确传感器。测量需要对酶活性随时间推移的变化的非常灵敏且准确的确定，这通常通过酶活性副产物的荧光来测量。需要高灵敏度的荧光检测器，并且测量可能受样本性质诸如浊度或颜色影响，需要校正；测量还需要样本预处理，这可能难以以完全自动化的方式执行。

任何自动微生物测量站都易于受到来自先前样本的污染。例如，细菌菌落可以在位于仪器内的与先前样本接触过的部件上形成。所有这些工具面临的另一问题，尤其是在自然环境中的部署，是应该被完全消除、中和或控制的废物的产生。

发明内容

本发明的各种实施方式提供了能够以自动方式直接原位执行样本采集操作同时避免上述问题的取样装置。取样装置可以被配置为包括以下特征中的任何或所有特征：

·能潜水和/或能漂浮

·完全独立，并且能够由电池供电，具有长期电力自主性

·稳健，不受恶劣天气或海况影响

·能够远程控制并快速响应取样请求。这种远程控制可以是有线的，或者是无线的，使用例如无线电、光学、蜂窝、卫星或声学通信

·能够被预编程并按计划采集样本

·被配置为对每个独立样本使用不同的流体导管和不同的容器，以免在样本之间不引入交叉污染

·在取样操作之前，不应允许流体与取样导管和容器接触

·被配置为随机采集的样本、复合和/或自适应取样，取决于被配置为对每个样本执行某些过滤或预浓缩操作的应用

·被配置为从不同深度采集样本，包括近表面，并且通常在水柱的上10米

·被配置为记录每个收集样本的GPS坐标和时间戳

·能够向操作员(无线或每当建立电缆连接)传达系统的状态及其操作参数(即电池电压、温度、信号强度等)；从任何传感器获得的测量可以附属于系统；关于正在进行的取样操作的信息；可供取样的容器清单；用于每个样本的监管链数据，诸如容器编号、位置、深度、时间戳等。

·易于安装或部署，并且易于在最少使用外部装备的情况下取回，并且应该能够广播关于易于恢复的GPS位置的信息；系统还可以具有易于识别和取回的信标灯或无线电信标

·被配置为在采集后保持样本处于水温或者在冷藏条件下，以使样本降解最小化

·能够在采集后根据应用通过自动添加固定剂、杀生物剂或其他化学品来保存样本，以避免样本演变。

此外，本发明的各种实施方式提供了允许直接原位快速量化和区别细菌同时具有最小的维护要求的自动微生物测量方法、仪器和系统。为了响应不同应用的各种要求，并消除现有方法和仪器的缺点，仪器可以被配置为满足以下中任何或所有：

·被配置为直接在待分析的一片水域中操作(以充当游泳区、源水监测、水产养殖、农业、灌溉用水监测、雨水监测、废水流出监测的自然环境中的警报站等)、或集成到测量站、工业环境中、处理设施内或饮用水分配网络中

·整合取样功能以及所需的所有样本制备和处理操作(例如与试剂混合、样本保证、体积控制、准确温度控制情况下的温育、过滤等)

·被配置为消除或最小化不同样本之间的交叉污染的任何可能性，诸如例如一种高带电荷样本的残留物污染后续样本并导致不正确的测量。

·废物应被妥善控制，并被包含在装置内，或者被安全消除

·易于维护和净化，以用于非专业技术人员直接在现场进行重新部署，并且理想情况下只需使用一次性(供消耗的)盒式容器(cartridge，盒、容器、盒式存储器、可更换存储器)即可操作

·基于满足以下标准的方法：

ο能够提供介质中所有能存活的靶细菌的量化，包括聚集在颗粒上的细菌，没有来自其他微生物或死细菌的干扰或这种干扰很小

ο能提供仅分散细菌的量化(消除聚集的部分)

·被配置为能够远程地、双向地向用户或操作员的蜂窝电话或者向服务器传送数据

·被配置用于快速测量——严重污染情况下的结果应该尽可能快地可用并无线地传输以启用立即响应和补救措施

·被配置为能够在大范围的细菌浓度(5至6个数量级)上进行量化，而无需连续的样本稀释，

·不需要复杂的样本制备步骤

·被配置为具有高度鲁棒性且不需要超灵敏的光学测定，这可能受到各种不相关的光学样本性质的影响，并且可能难以在完全自主的场传感器中可靠地实施

·被配置为并行地执行多个测量，从而监测快速细菌动态，这可能在合流下水道溢流、意外排放或暴风雨期间发生

·被配置为在真实现场环境中操作，并且能够承受温度和湿度、沉淀、冲击和浸水的变化。

更具体地，根据本发明的实施方式，提供了一种用于处理来自一片流体的样本的系统。该系统包括用于从一片流体采集样本的一个或多个取样瓶。每个取样瓶最初保留预填充流体。每个取样瓶都包括流体入口端口和瓶出口端口。每个取样瓶都具有耦接到流体入口端口的入口止回阀，入口止回阀被配置为当一片流体与取样瓶内的流体之间的压力差达到阈值时允许来自一片流体的流体经由流体入口端口进入取样瓶。该系统还包括至少一个泵，各取样瓶的瓶出口端口经由不同的控制阀选择性地耦接到至少一个泵。至少一个泵在第一配置中被配置为从每个所选取样瓶中去除预填充流体，使得对于每个所选取样瓶，达到压力差阈值并从一片流体采集样本。

根据本发明的相关实施方式，至少一个泵可以包括真空泵和压力泵，并且压力泵起作用以对所选取样瓶进行加压。至少一个泵可以是双向泵。

根据本发明的另一些相关实施方式，至少一个取样瓶可以具有允许预填充流体通过但不允许来自一片流体的流体通过的相关联的泵送过滤器，泵送过滤器定位成使得已经从一片流体进入至少一个取样瓶的任何流体都不会通过与至少一个取样瓶相关联的控制阀。泵送过滤器可以被定位或延伸到取样瓶内，使得来自一片流体的仅预定体积的流体被允许进入取样瓶。预填充流体可以是气体，并且在来自一片流体的预定体积的流体已经进入取样瓶之后，取样瓶中仍保留有一定体积的预填充气体。

根据本发明的又一些相关实施方式，系统还包括用于控制至少一个泵和控制阀的至少一个控制器。每个取样瓶都可以包括使流体入口端口从取样瓶向远侧延伸的取样管，取样管长度被允许在不同瓶之间变化。系统可以包括在部署系统之前被安装以获得样本并在已经获得样本之后被丢弃的一次性部件，一次性部件包括以下项中的至少两种：取样瓶、入口止回阀、泵送过滤器、入口过滤器、管道、冲洗阀、试剂、移动隔板、活塞、袋、隔膜、密封机构、以及用于将一次性部件固定到系统的锁定机构、或其组合。

根据本发明的又一些实施方式，取样瓶中的至少一个取样瓶可以包括装配有冲洗止回阀的冲洗端口，冲洗止回阀被配置为允许样本流体离开瓶。取样瓶中的至少一个取样瓶可以包括将瓶出口端口与流体入口端口分隔开的可移动的隔板、活塞、袋和/或隔膜。取样瓶可以包括在采集样本之前被置于取样瓶内以便一旦采集到样本就与样本流体混合或反应的固定剂、化学试剂、生物试剂、生长培养基、杀生物剂、防腐物质或其组合。系统还可以包括一片流体可以流动通过的导管、管路或歧管，每个取样瓶的流体入口端口连接到所述导管、管路或歧管。

根据本发明的另一些相关实施方式，系统还可以包括温度控制设备，用于控制一个或多个取样瓶中的至少一个取样瓶中的样本流体的温度。温度控制设备可以包括控制器，控制器被配置为：确定将取样瓶中的样本流体的温度升高到期望温度所需的热的总量；并且只要温度控制设备在操作上有能力就在最初尽快地将确定的热的总量注入样本流体中。

根据本发明的又一些相关实施方式，系统还包括用于测量取样瓶中的样本流体的光学性质的至少一个光学传感器，其中，光学传感器包括下述中的至少一种：光源、光学设置装置、光检测器、或其组合。光源可以是白炽光源、卤素灯、气体放电灯、发光二极管、激光二极管或其组合。光学设置装置可以是光学对准硬件、光学波导、光纤、液体波导、光通道、光学滤波器、中性密度滤波器、干涉滤波器、四分之一波片、偏振器、低通光学滤波器、带通光学滤波器、高通光学滤波器、反射镜、单色器、准直器、衍射光栅、光阑、透镜、有源光学部件、无源光学部件或其组合的布置。光检测器可以是光电二极管、光电晶体管、级联效应光电二极管、光电倍增管、光电放大器、CMOS传感器、CCD传感器、光谱仪、热电检测器、辐射热测量计或阵列或其组合。系统还可以包括控制器，控制器被配置为基于至少一个光学传感器的输出确定何时已经获得取样瓶中的样本流体。控制器可以被配置为根据在取样瓶中的样本流体的温育期间从至少一个光学传感器获得的荧光和/或吸光度信号出现时间来确定样本流体的细菌浓度。光学传感器可以被配置为确定至少一种光学性质，诸如样本在特定波长的吸光度、样本在特定波长被激发时的荧光、样本浊度、样本折射率、及其组合。

根据本发明的相关实施方式，用于测量吸光度的光学传感器可以被配置为使用光的多个波长，光的多个波长可以选择性地对样本的特定光学性质敏感。作为示例，第一波长L1可以被选择为对吸收第一波长的光(传感器在着色剂存在下在L1测量到显著吸光度增加)但不吸收第二波长L2的光(传感器在试剂存在下没有显示任何吸光度变化)的某种样本着色剂敏感。处于波长L1和L2的光可以被样本中存在的颗粒散射，并且因此对浊度有相同的响应并且在浊度存在下在L1和L2测量到相同的吸光度增加。对于给定样本通过从在LI测量的吸光度减去在L2测量的吸光度，将减掉并取消与浊度对应的贡献，而与着色剂的存在对应的贡献将存留。因此，通过使用两种适当选择的波长，可以使光学传感器特定于着色剂的存在，但是对浊度不敏感。

根据本发明的又一些相关实施方式，系统可以包括壳体、定位在壳体内的至少一个泵、以及至少一个漂浮元件，使得壳体漂浮在一片流体内。系统可以包括控制器，控制器被配置为启用泵达有限持续时间以便采集已知量的样本。

根据本发明的另一实施方式，提供了一种处理来自一片流体的流体样本的方法。该方法使用至少一个泵和一个或多个取样瓶，每个取样瓶最初容纳有预填充流体并且包括流体入口端口和瓶出口端口。各取样瓶的瓶出口端口经由不同的控制阀选择性地耦接到至少一个泵。每个取样瓶具有耦接到流体入口端口的入口止回阀，入口止回阀被配置为当一片流体和取样瓶内的之间的压力差达到阈值时允许来自一片流体的流体经由流体入口端口进入取样瓶。该方法包括将每个取样瓶的流体入口端口定位在一片流体中。控制一个或多个取样瓶中的至少一个取样瓶的控制阀以将至少一个取样瓶的瓶出口端口耦接到至少一个泵。至少一个泵在第一配置中被配置为从每个所选取样瓶中去除预填充流体，使得将样本从一片流体采集到所选瓶中。

根据本发明的相关实施方式，至少一个泵包括真空泵和压力泵，并且压力泵起作用以对所选取样瓶加压。至少一个泵可以是双向泵。至少一个取样瓶可以具有允许预填充流体通过但不允许来自一片流体的流体通过的相关联的泵送过滤器，泵送过滤器定位成使得已经从一片流体进入至少一个取样瓶的任何流体都不会通过与至少一个取样瓶相关联的控制阀。泵送过滤器可以被定位到或延伸到取样瓶内，使得来自一片流体的仅预定体积的流体被允许进入取样瓶。预填充流体可以是气体，并且在来自一片流体的预定体积的流体已经进入取样瓶之后，取样瓶中仍保留有一定体积的预填充气体。各取样瓶的流体入口端口都可以经由从取样瓶经由管向远侧延伸。该方法可以包括通过控制器控制至少一个泵和控制阀。

根据本发明的另一相关实施方式，在采集样本流体之前，可以提供以下中的至少两种作为一次性部件：取样瓶、入口止回阀、泵送过滤器、入口过滤器、管道、冲洗阀、试剂、移动隔板、活塞、袋、隔膜、密封机构和固定机构。在采集样本流体之后，丢弃一次性部件。

根据本发明的又一些相关实施方式，该方法还可以包括使用移动隔板、袋、活塞和/或柔性隔膜将取样瓶中的至少一个取样瓶的瓶出口端口与流体入口端口分隔开。取样瓶中的至少一个取样瓶可以包括装配有冲洗阀的冲洗端口，该方法还包括对取样瓶中的至少一个取样瓶进行加压，使得流体经由冲洗端口离开取样瓶。该方法可以包括在取样瓶内提供固定剂、化学试剂、生物试剂、生长培养基、杀生物剂、防腐物质或其组合，并将其在采集样本之前置于取样瓶中，以便一旦采集到样本就与样本流体混合或反应。

根据本发明的又一些相关实施方式，一片流体可以流动通过导管、管路或歧管，该方法还包括将每个取样瓶的流体入口端口连接到所述导管、管路或歧管，以便将流体样本从一片流体取到导管中。

根据本发明的另一相关实施方式，该方法可以包括控制一个或多个取样瓶中的至少一个取样瓶中的样本流体的温度。控制器可以确定将取样瓶中的样本流体的温度升高到期望温度所需的热的总量；并且只要温度控制设备在操作上有能力就通过温度控制设备尽快地将所确定的热的总量注入样本流体中。

根据本发明的又一些相关实施方式，该方法可以包括使用光学传感器测量取样瓶中的样本流体的光学性质，其中，光学传感器包括光源、光学设置装置、光检测器、或其组合。光学传感器可以被配置为确定选自由下述组成的组的至少一种光学性质：样本在特定波长的吸光度、样本在特定波长被激发时的荧光、样本浊度、样本折射率、及其组合。控制器可以基于至少一个光学传感器的输出确定何时已经获得取样瓶中的样本流体。

根据本发明的又一些相关实施方式，该方法可以包括通过控制器根据在取样瓶中的样本流体的温育期间从至少一个光学传感器获得的荧光和/或吸光度信号出现时间来确定样本流体的细菌浓度。

根据本发明的又一些相关实施方式，至少一个泵、一个或多个取样瓶、用于至少控制泵的控制器、控制阀或其组合被封围在壳体内。取样瓶可以位于壳体外部，并且其中，当壳体被置于一片流体中时，取样瓶浸没在一片流体中。取样瓶可以至少部分地被封围在壳体内，并且其中，每个取样瓶的流体入口端口经由管延伸到一片流体中。该方法可以包括将壳体完全或部分地浸没在一片流体中。至少一个泵可以耦接到泵排气(exhaust，排出)导管，泵排气导管提供到一片流体外部的流体连通。该方法可以包括将壳体定位在一片流体外部，其中取样瓶浸没在一片流体中，使得每个取样瓶的入口端口处于一片流体中的预定深度。该方法可以包括将至少一个泵和取样瓶定位在壳体内，并且此外，将壳体和取样瓶定位在一片流体外部，其中每个取样瓶的流体入口经由管延伸到一片流体中到达预定深度。一片水域可以是饮用水。

根据本发明的另一实施方式，提供了一种通过感兴趣的类型的细菌量化流体样本污染的方法。该方法包括将样本流体采集到取样瓶中。将样本流体与在感兴趣的细菌存在的情况下提供光学标记的试剂混合。使用光学传感器从样本流体多次测量荧光光学信号和/或吸光度光学信号，其中，使用最少两种波长的光来测量吸光度信号，两种波长被选择为使得一种波长比另一种波长对试剂的光学标记敏感。在测量之前或期间温育样本流体。根据在流体样本的温育期间从至少一个光学传感器获得的荧光与时间曲线和/或吸光度与时间曲线的形状来确定样本流体的细菌浓度。

根据本发明的相关实施方式，上述确定可以包括将荧光和/或吸光度信号出现时间与校准曲线进行比较，校准曲线至少部分地基于先前获得的多个样本流体的信号出现时间与使用另一种参考技术确定的其实际细菌浓度的比较。取样瓶可以包括能够使感兴趣的细菌生长的生长培养基。该系统可以包括另外的多个取样瓶，每个瓶用于测量单个流体样本，该系统能够并行地执行多个测量。它可以是便携式和/或能潜水的，并且被配置为由电池供电并无线地传输数据。

根据本发明的另一实施方式，提供了一种用于通过一感兴趣的类型的细菌对流体样本的污染进行量化的系统。该系统包括样本流体被采集到其中的取样瓶，以及在感兴趣的细菌存在的情况下提供光学标记的试剂，该试剂与样本流体混合。光学传感器多次从样本流体获得荧光光学信号和/或吸光度光学信号，所述光学传感器使用最少两种波长来测量吸光度光学信号，其中，两种波长被选择为使得一种波长比另一种波长对试剂的光学标记敏感。温度控制器设备温育样本流体。控制器被配置为根据在流体样本的温育期间从至少一个光学传感器获得的荧光与时间曲线和/或吸光度与时间曲线的形状来确定样本流体的细菌浓度。

根据本发明的相关实施方式，上述确定可以包括将荧光和/或吸光度信号出现时间与校准曲线进行比较，校准曲线至少部分地基于先前获得的多个样本流体的信号出现时间与使用另一种参考技术确定的其实际细菌浓度的比较。取样瓶可以包括能够使感兴趣的细菌生长的生长培养基。该系统可以包括另外的多个取样瓶，每个瓶用于测量单个流体样本，该系统能够并行地执行多个测量。它可以是便携式和/或能潜水的，并且被配置为由电池供电并无线地传输数据。

根据本发明的另一个实施方式，一种系统和方法包括用于从一片流体获得样本测量的一个或多个样本分析装置。服务器与一个或多个样本分析装置进行双向通信。控制器被配置为基于至少一个条件触发一个或多个样本分析装置以获得样本测量。控制器还被配置为分析样本测量以确定是否满足警报条件，并且如果满足警报条件，则生成用户警报。控制器位于服务器、一个或多个样本分析装置中的至少一个样本分析装置和/或远离服务器的与服务器通信的装置中。

附图说明

通过参考以下参考附图进行的详细描述，将更容易理解实施方式的前述特征，其中：

图1示出了根据本发明的实施方式的在一片流体附近部署的取样装置，在该情况下是液体取样介质，以收集取样介质的表面附近的样本；

图2示出了根据本发明的实施方式的包括两个泵的取样装置；

图3示出了根据本发明的实施方式的在其中整个取样装置被浸没的示例性应用；

图4示出了根据本发明的实施方式的在其中从使感兴趣的流体循环的封闭导管执行取样的示例性应用；

图5示出了根据本发明的实施方式的包括单个双向泵的取样装置；

图6(a)示出了根据本发明的实施方式的取样装置，其中，每个瓶都包括将瓶出口端口与流体入口端口分隔开的活塞。图6(b)示出了根据本发明的实施方式的取样装置，其中不同取样瓶的流体入口端口连接到流体歧管，允许从所述歧管内的流体管线采集每个样本；

图7示出了根据本发明的实施方式的包括第三连接部的取样瓶；

图8示出了根据本发明的实施方式的包括温度控制设备801或与温度控制设备接触的取样瓶；

图9以图形方式示出了根据本发明的实施方式的各种温度控制算法的时间与温度图；

图10示出了根据本发明的实施方式的配备有光学传感器的取样瓶；

图11示出了根据本发明的实施方式的具有传感器环形状的光学传感器的俯视图；

图12是根据本发明的实施方式的示出了光学传感器可以如何用于检测瓶的填充以提供样本保证的曲线图；

图13示出了根据本发明的不同实施方式的在整个温育期间测量的吸光度和荧光值的数据曲线；

图14示出了根据本发明的不同实施方式的在整个温育期间测量的吸光度和荧光值的另一数据曲线；

图15是根据本发明的实施方式的如果将不同细菌浓度的样本执行的多次测量相对于用另一种参考技术测量的原始样本中的实际细菌浓度的对数进行绘制则可以获得线性校准的曲线图；

图16示出了根据本发明的实施方式的被用于使用一次性盒式容器的示例性样本分析装置；

图17示出了根据本发明的实施方式的可以与图16的装置一起使用的一次性盒式容器；

图18示出了根据本发明的实施方式的入口止回阀在一次性盒式容器的瓶内的替代位置；

图19示出了根据本发明的实施方式的正被插入装置生物反应器中的一次性盒式容器1901；

图20示出了根据本发明的实施方式的与装置生物反应器配合的一次性盒式容器，其中密封元件被接合；

图21示出了根据本发明的实施方式的作为一次性盒式容器的一部分的密封配置；

图22示出了描述根据本发明的实施方式的描述被用于使用一次性盒式容器的样本分析装置的使用的示意性流程图；

图23示出了根据本发明的实施方式的用于站点的细菌监测的系统的示意图，该系统包括样本分析装置，并且还包括所述装置可以与之通信的服务器或蜂窝电话、用以可视化和分析由装置传输的数据的装置、以及当来自装置的数据满足某些条件时产生警报的装置。

具体实施方式

在本发明的说明性实施方式中，多路式取样系统和方法使得能够在没有交叉污染的情况下并且根据需要在水柱内的不同深度处自主地原位收集多个未被污染的流体样本。本文所述的多路式取样系统可以被部署用于直接在一片水域(诸如但不限于：湖泊、河流、运河、收集池、池塘和/或沿海水域)中取样或者直接从水通过其进行物理输送的导管(分配网络、水处理设施等)中取样。此外，提出了样本制备和分析模块及方法，其有利地可以允许样本与试剂混合并温育一段时间，同时并行地对样本执行特定于波长的光学测量。光学测量与时间数据曲线可以被解读为例如对采集的样本内包含的特定物种的微生物浓度行进量化。细节描述如下。

多路式取样装置

如在本说明书中所使用的，除非上下文另有要求，否则本文所使用的术语“取样装置”(还可互换地称为：取样器；取样仪器或系统；样本采集仪器、装置或系统)应指能够从下述采集和存储多个物理流体样本的装置：取样介质(例如但不限于，一片流体，诸如但不限于湖泊、水库、水池、池塘、河流、含水层、流出物、沿海水域、全深海水和/或明渠)近表面或深度处；或者管子、管道、封闭通道或任何其他类型的导管。

另外，如本说明书中所使用的，除非上下文另有要求，否则本文所使用的术语“流体”应指液体或气体。

图1示出了根据本发明的实施方式的在一片流体101附近部署的取样装置100，以收集取样介质的表面附近的样本，在该情况下上述一片流体是液体取样介质。下面描述的多路式取样装置100消除了上面描述的现有取样装置的许多缺点和缺陷。

多路式取样装置100包括泵送模块111和多个取样瓶102。泵送模块111可以围绕有壳体120，并且可以包括泵109、泵送歧管107和多个控制阀105(阀1、2、......N)，每个阀105对应于一不同的取样瓶102(瓶1、瓶2等)，因此允许多路进行取样操作的能力。泵109可以具有其连接到泵送歧管107的低压侧(或低压泵连接)。可选地，一个或多个附加保护壳体可以围绕取样装置100的不同部件，以保护它们免受冲击并且免于变得与浮动物诸如海草、藻类、树枝等缠绕在一起，或者提供热绝缘。泵送模块壳体或保护壳体120还可以包括用于物理固定取样装置100的附接点。取样瓶102可以可选地安装在泵送模块壳体120内。

在泵送模块111内可以使用不同类型的泵。具体地，泵送模块111可以是单向的(能够在单个方向上输送流体)，或者是双向的(能够在两个方向上输送流体)。根据本发明的实施方式，泵可以是例如单向真空泵。在这种情况下，泵的未连接到泵送歧管107的端口(例如，在真空泵的情况下为高压泵连接)可以朝向泵送模块壳体的内部开口，或者其可以可选地经由管或导管连接到泵送模块壳体120的外部(如图1所示)。可选的泵排气模块112可以附接到泵排气或对应的管或导管，允许来自泵的空气通过，但阻止流体进入泵109。这种泵排气模块112可以是疏水多孔介质，其由于毛细效应允许气体通过但阻止流体通过，或者它可以是只允许在一个方向上通过(在真空泵的情况下从泵移出，并且对于压力泵移进)的单向止回阀，或者可以由本领域的技术人员已知并且执行基本相似的功能的任何其他装置组成。

本发明的另一实施方式包括在部署之前对取样瓶102加压的可能性。在这种情况下，可以使用能够反向泵送的双向泵，以从泵排气模块泵送空气并进入不同的瓶102中，以便在部署之前对瓶加压。

图2示出了根据本发明的实施方式的取样装置200，其除了单向真空泵205之外还包括用作压力泵的第二单向泵204。在这种情况下，压力泵204和真空泵205可以使用两个阀(主阀)206和207来都连接到泵送歧管220。替代性地，可以使用单个单向的但是能够在一个端口处提供真空(因此用作真空泵)并且在相对端口处提供加压空气(作为压力泵)的泵501，并且可以使用如图5所示的主阀配置来选择哪个泵端口(压力或真空)连接到泵送歧管，并且哪个端口连接到排气管。在这种情况下，当泵需要作为真空泵运行时，图5中的主阀502和505保持打开，而主阀503和504闭合。另一方面，当泵需要作为压力泵运行时，主阀502和505闭合，并且主阀503和504打开。要理解的是，阀的这种配置仅是示例性的，并且本领域的技术人员将认识到可以使用许多不同的阀类型和阀配置来实现类似的功能。例如，可以使用三通阀代替简单的开关阀。类似地，可以使用自锁阀，或者常开或常闭阀。

泵送歧管、泵或者可以由压力泵加压的任何其他部件还可以连接到减压机构，如果压力增加超过预定限度，则减压机构允许加压空气逸出。如果压力以不受控制的方式增加，则这可以提供防爆炸的安全性。在压力泵的最大可实现压力低于危险爆炸限度的情况下，也可以直接由压力泵提供这种保护。

根据本发明的各种实施方式，待取样的流体是液体，并且可以在泵送模块内部使用液体泵。这种液体泵可以是例如蠕动泵、离心泵、涡轮泵或本领域已知的任何其他类型的液体泵。取决于蠕动泵马达的旋转方向，这种泵可以将流体泵出泵送歧管或泵入泵送歧管。在这种情况下，未连接到泵送歧管的泵端口连接到泵送模块的外部。还可以包括如上所述的减压机构，以提供对过压的保护。

上述主阀和控制阀可以使用例如控制器内的控制电子器件(图中未示出)来被操作，诸如以关断或导通真空泵或压力泵与真空歧管的连接。返回参照图1，歧管107可以具有用于N个取样瓶102的多个端口126，每个瓶1......N对应一个端口。在歧管107和各个瓶102之间有N个控制阀105，每个控制阀能够按照控制电子器件指示来操作歧管107和相应瓶102之间的连接的关断或导通。主阀(参见图5，502-505)和控制阀102可以是本领域的技术人员已知的任何类型的阀，诸如但不限于：电磁阀、开关阀、三通阀、气动或液压致动阀、机械阀、膜致动阀、电容式阀、使用流体表面张力效应的阀、MEMS或微流体阀。

控制电子器件可以是泵送模块的一部分，并且意在提供通信、取样控制和/或数据记录能力。控制电子器件，其可以是控制器或控制模块，可以包括但不限于以下元件中的一种或多种：一个或多个电子板；实时时钟；存储器；电池、太阳能面板、外部电源连接器或其他为控制模块供电的装置；一个或多个处理器或微控制器，允许控制主阀和控制阀、记录取样程序、以程控的时间执行所述取样程序、以及外部通信。泵送模块还可以包括外部通信装置，诸如但不限于：串行或并行通信端口；USB端口；有线或无线通信调制解调器和对应的天线。泵送模块可以包含用于与蜂窝电话或另一GSM调制解调器通信的GSM调制解调器，或者可以包含其他类型的无线电通信模块，诸如但不限于Iridium、LoRa或Sigfox，以及对应的天线。其还可以包含GPS单元和对应的天线。

控制电子器件还可以连接到一个或多个外部传感器，并且能够读取由这些传感器测量的值。根据测量的值，控制电子器件可以自动操作泵送模块，以便触发例如通过取样装置对样本的采集。可以在控制电子器件内部实现算法，该算法限定了与当前和过去的传感器读数相关的什么条件导致样本采集操作。传感器可以包括但不限于：用于测量流体液位、流体流率、流体速度或用于检测沉淀的传感器；用于测量取样介质的导电性、pH、盐度、温度或其他物理参数的传感器；用于测量取样介质的化学成分的传感器；用于测量取样介质的荧光、吸光度、颜色、浊度或其他光学性质的传感器；用于检测或测量微生物污染的传感器；以及本领域已知的任何其他类型的传感器和测量装置。

可以从单个中央网关控制多个取样装置，该单个中央网关经由有线或无线协议与装置通信以实现装置控制并协调取样操作，并收集和处理可选的定位和流体传感器数据。

泵送模块111中的控制阀105直接或使用本领域的技术人员已知的任何种类的连接元件诸如管道、管路、通道或微通道或者其他类型的导管或它们的组合附接到它们各自的取样瓶102。这种连接元件可以可选地延伸到瓶中。取样瓶可以包括限定容积的接受器116，以及两个瓶连接部——流体入口端口114和瓶出口端口115。瓶连接部114和115可以直接附接到接受器116，或者附接到单独的取样适配器，单独的取样适配器本身以气密方式附接到瓶。瓶连接部114和115可以置于瓶102的盖子处或附近，靠近瓶102的底部，或者置于相对于瓶102的任何其他位置。接受器116的功能是存储取样的流体，并且它可能有任何不同的形状，不一定像瓶。它可以由任何材料制成，诸如但不限于：玻璃、金属、塑料、陶瓷、复合材料。接受器可以理想地与取样介质在化学上相容，并且不应该化学地或物理地干扰样本中的感兴趣的化合物。

取样瓶102最初填充有预填充流体，预填充流体可以是气体(诸如空气)或液体(诸如水)。说明性地，在瓶102预先填充有气体的实施方式中，每个瓶都可以装配有两个连接部：允许气体被泵出瓶102的瓶出口端口115，以及允许取样的流体进入瓶102的流体入口端口114。泵送模块111中的控制阀105附接到每个瓶的出口端口115。可选地，泵送过滤器106可以安装在控制阀105和瓶102之间，定位在例如但不限于以下位置之一中：控制阀105附近；在阀105和瓶102之间的连接元件上；在瓶102上或瓶102内部，或者在取样适配器上(外部——图1中的瓶N，或者瓶内部——图1中的瓶1)。所述泵送过滤器106意在允许气体(例如，空气)穿过，但是阻止来自一片流体/取样介质101的流体，从而避免流体充盈真空泵109的内部。作为非限制性示例，泵送过滤器106可以包括由于毛细效应而允许气体通过但阻止液体通过的疏水性多孔介质或膜。当泵送过滤器106安装在瓶102内部时，在泵送与取样介质(例如但不限于液体诸如水)接触的情况下，泵送过滤器106的位置可以用于物理地阻止泵送模块111将空气泵出取样瓶，因此能够指示确切的取样体积。这种过滤器106的示例可以是多孔膜，该多孔膜例如由PTFE或任何其他疏水性材料制成并且具有足够小以在经受由真空泵109产生的典型压差时通过毛细效应阻挡待取样的流体通过的孔径。泵送过滤器106还可以延伸到取样瓶113内部，这允许进一步控制取样体积。

图6(a)示出了根据本发明的实施方式的取样装置600，其中，每个瓶102都可以包括将瓶出口端口615与流体入口端口614分离的活塞644。活塞644可以最初置于流体入口端口614附近，使得当取样流体进入腔体时，取样流体与预填充流体650(其可以是气体或液体)完全分离。替代性地，代替活塞644，可以使用其他类型的柔性非渗透性元件，诸如袋或柔性隔膜，其确保将取样流体与最初存在于瓶602中的预填充流体650分离的相同功能。另外，每个瓶102都可以在活塞644的入口侧上预先充填有少量固定剂、杀生物剂或行业内使用的其它此类物质或化学品以保存样本。在部署之前，可以将所述物质或化学品置于瓶102中处于活塞644和流体入口端口614之间。泵601需要适于泵送最初存在于瓶102中的预填充流体650。泵601可以在预填充流体650是气体的情况下为真空泵，或者在预填充流体650是液体的情况下为液体泵。这种泵601可以使用本领域已知的任何泵送技术，诸如但不限于：膜泵、蠕动泵、活塞泵、离心泵、正排量泵等。泵601可以是单向的(被配置为使流体远离瓶移动)，或者双向的(能够使流体在任一方向上移动)。

图6(b)示出了根据本发明的实施方式的取样装置650，其中不同取样瓶102的流体入口端口614连接到流体歧管603，允许从所述歧管603内的流体管线604采集每个样本。说明性地，所有样本可以通过公共入口605进入歧管603。连接到歧管603的最后出口的瓶102可以用于在将流体取样到其他瓶中之前对少量流体进行取样。这允许有效地冲洗流体管线604，并确保在其他瓶中采集的样本不受存在于流体管线604中的滞留流体的污染。

在图6(b)中，不同取样瓶102的流体入口端口614示出为连接到流体歧管603，允许从所述歧管内的流体管线604采集每个样本。所有样本通过公共入口605进入歧管603。连接到歧管603的最后出口的瓶606可以用于在将流体取样到其他瓶中之前对少量流体进行取样。这允许有效地冲洗流体管线604，并确保在其他瓶中采集的样本不受存在于流体管线604中的滞留流体的污染。

图7示出了根据本发明的实施方式的包括第三连接部701的取样瓶102。被称为冲洗端口的第三连接部701可以与流体入口端口614位于活塞644的同一侧，并且其装配有冲洗阀，冲洗阀允许取样流体离开瓶但是防止其在相反的方向上行进。这种冲洗端口701可以包括但不限于止回阀、单向阀、球和弹簧布置、柔性膜、背压调节器，或者可以具有允许执行类似功能的任何其他结构。通过反复操作泵601以便最初通过流体入口端口614将取样流体拉入瓶102中，然后在相反方向上将取样流体通过冲洗端口701排出瓶，可以有效地冲洗取样瓶102内部，从而减少可能的样本污染量并改善其代表性。在这种类型的操作中，优选的是确保离开与泵送模块外部连接的泵端口的流体以及从不同瓶的冲洗端口离开的流体被引导(使用管道、管路或本领域已知的任何其他类型的导管)到其不能与样本介质相互作用或污染样本介质的区域。

在各种实施方式中，每个瓶102的流体入口端口114可以直接或使用取样管道、管路或本领域的技术人员已知的任何其他类型的流体导管连接到入口阀，然后进一步连接到待取样的介质101。一旦阀103上的压力达到一定水平——称为阀的开启压力，这种入口阀103就可以允许流体进入瓶102。这样的入口阀103可以包括但不限于止回阀、单向阀、球和弹簧布置、柔性膜、背压调节器，或者可以具有允许执行类似功能的任何其他结构。入口阀103还可以用作定向或单向止回阀，阻止流体和气体在从瓶向外的方向上行进。入口阀103还可以起到在样本采集之后将样本与取样介质101隔离的作用。将每个瓶连接到对应的入口阀的取样管道可以具有不同的长度，并且可以在待取样的介质中延伸到不同的位置或者不同的深度(如图2和图3所示)。替代性地，取样管道可以接近于水面定位。如已经提到的，流体入口端口114可以连接到管路、管道或者包含待取样的流体或者使待取样的流体循环(参见图4)的任何其他导管。有利地，流体入口端口114和/或对应的入口阀103可以定位成使得包含在所述止回阀103和待取样的流体101的代表性部分之间的死体积的量最小化。

如图2所示，取样瓶102还可以在流体入口端口114和取样介质101之间包括入口过滤器211。这样的过滤器211可以是用于保留超过一定大小的颗粒物质的物理过滤器，或者它可以是取决于诸如但不限于下述性质保留某些化学成分的化学过滤器：极性、结构、疏水性、分子量、某些自由基的存在。这种过滤器211可以包括例如固相萃取过滤器或柱、收集和浓缩放射性材料的过滤器、生物过滤器、吸收剂介质、净化介质、预浓缩装置、气相色谱预浓缩器、疏水过滤器、亲水过滤器、大小排阻过滤器或柱、机械过滤器、筛子、多孔膜、玻璃料、海绵、碳氢化合物过滤器、分离柱、活性炭过滤器或本领域已知的任何其他类型的过滤器或分离装置以及它们的可能的组合。可在瓶取回期间收集过滤器211并进一步分析。

每个瓶102都可以至少部分地预先填充有产品，诸如但不限于：化学试剂、吸收剂介质、杀生物剂、固定剂、生物试剂、培养基或它们的组合；而样本在进入瓶102时与所述产品接触和/或混合。

每个瓶102都可以配备有用于确认瓶填充操作正在被正确执行的传感器。这种传感器可以包括温度探针、导电性探针、电化学传感器、光学传感器、用于检测活塞移动的磁传感器、簧片开关、密度探针、物理测量装置、力测量装置、偏转测量装置、化学测量装置、生物或生化测量装置、或者本领域的技术人员已知并且能够检测瓶中取样流体的存在的任何其他类型的传感器或其组合。

显然，所描述的取样装置避免了其他取样系统中固有的交叉污染问题：通过每个瓶使用独特的流体入口端口和取样管道，每个样本完全独立于先前和随后的样本而被收集，来自每个样本的流体仅与对应取样瓶的部件接触。

在各种实施方式中，取样装置可以与取样介质分离(参见图4和图5)，或者其可以被部分地浸没(参见图1和图2)或完全浸没(参见图3)。在部分或全部浸没的情况下，泵送模块壳体111可以是防水的，以便保护控制电子器件免于无意的水接触。可选的泵排气模块110和112以及可选的通信天线301(参见图3)可以延伸到水位以上的位置。

在完全浸没的情况下，除了防水之外，泵送模块壳体111还需要能够承受在部署取样装置的深度处的流体静压力。这可以通过使用材料和确保足够的机械强度以抵抗由流体静压力施加的机械应力的机械设计或者通过使用压力平衡的方法来实现，由此泵送模块111的内部完全充满压力平衡流体702，如图7所示(诸如，例如但不限于非导电矿物油、硅油、氟化油或类似材料)，其与取样介质处于基本相同的压力。为了负责当装置被部署在深处时的收缩和压缩，可使用可以包括波纹管系统或隔膜或本领域已知的任何其他压力补偿技术的压力补偿模块704来使压力平衡流体的压力与取样介质的压力均衡(参见图7)。一旦这样的压力被均衡，作用在不同机械元件上的力就大大减小，并且减小了对机械强度的需求。这种压力平衡方法通常用于海底和海洋工业中，以减小用于电子模块或马达的压力壳体的大小和重量，并且本领域的技术人员将认识到已知许多技术用于实现压力平衡装置。

除了泵送模块部分要求承受深度处的流体静压力之外，取样瓶102和管在不用于压力平衡配置中时还需要设计成具有足够的机械强度以抵抗由流体静压力施加的机械应力。说明性地，在取样瓶102和管是压力平衡的情况下，它们将在活塞644的泵侧预填充流体(参见图6(a))，而活塞644的入口侧可以预填充去离子水、盐水、固定剂、杀生物剂或它们的任何组合。

如图2所示，泵送模块壳体111或附加保护壳体还可以配备有浮力元件210，浮力元件由比水密度小的材料或复合材料制成，诸如(并且不限于)：闭孔泡沫、复合泡沫砖、充气袋或充气部件、某些塑料或木材。这些浮力元件210应该提供足够的浮力以允许取样装置漂浮在取样介质101中。例如，还可以添加附加重量作为压载物，以使取样装置在浮动时保持在期望的定向上，诸如在直立定向上。存在并且本领域的技术人员已知许多不同的方式来实现浮动装置在一片水域或其他流体中的平衡和定向。

取样装置的部署和操作的示例

下面描述取样装置的几种类型的可能部署和操作。要理解的是，取样装置的以下部署和操作是示例性的，并不意在是限制性的。

在图1中所示的第一应用示例中，装置部署在液体取样介质附近以收集取样介质101表面附近的样本。泵送模块111定位在取样介质外部，而瓶102可以浸没在取样介质101中，使得它们的入口端口114处于期望的取样深度。当请求样本采集时，电子控制模块指示对应于所选取样瓶的控制阀105打开，并启用真空泵109。当泵开始经由歧管107和泵送管108并且还通过可选的泵送过滤器104从瓶中移除空气时，瓶102中的压力开始下降，并且瓶的入口阀103上的对应压差增加。来自泵109的空气通过排气过滤器112排出，排气过滤器可选地通过管110附接到泵。一旦该压力差达到入口阀的开启压力，入口阀103就允许水通过，从而填充接受器102。

总取样体积可以通过启用真空泵109的时间量并且通过由真空泵109在操作期间产生的压降来控制。为了允许更好的泵送控制，控制电子器件还可以连接到压力传感器，压力传感器可以读取真空泵的低压端口处的压力或者替代性地读取真空歧管内部的压力。控制电子器件还可以包括测量执行取样的地方的深度的第二传感器。替代性地，可以借助于外部命令或配置参数将取样深度提供给控制电子器件。

控制电子器件可以短时间启用真空泵109以每次仅采集少量流体。控制电子器件可以基于来自压力传感器的信息、来自深度传感器的信息或已知取样深度的组合来调整启用泵109的时间量，以便准确地控制在每次取样操作时采集的样本量。这可以以时间间隔重复，取样的量每次被添加到取样瓶102以产生复合样本。典型的应用可以是24小时的复合样本的采集。另一应用可以是流动比例样本的采集，而控制电子器件以与流率或流速传感器的读数成比例的频率或速率对小的流体增量进行取样。

在各种实施方式中，控制电子器件可以启用泵109达足够时间以采集部分地或完全地填充接受器的单个随机采集的样本。可以控制泵109的时序，诸如以收集确切的期望的样本体积。

泵送过滤器可以安装在瓶外部(泵送过滤器104)，或者安装在瓶内部(泵送过滤器106)。通过将泵送过滤器106安装在瓶内，可以通过泵送过滤器的位置来控制总取样体积。在启用真空泵时，在一定的泵送时间T之后，瓶中升高的流体液位将达到安装泵送过滤器106所处的液位。一旦充满流体，通过泵送过滤器106的流动将停止，这将有效地停止泵送动作。流体液位可以继续略微上升，直到瓶102中的压力变得不足以克服入口阀的开启压力，此时流入瓶102的流体将停止。无论执行取样的深度如何，该方法都允许控制流体体积。泵送过滤器106可以通过喷嘴或管道113延伸到瓶中，这允许进一步控制取样体积。

在上述情况下，取样深度通常受所使用的入口阀103的开启压力限制：实际上，如果取样介质101的流体静压力与瓶102内部的压力之间的差克服对应入口阀103的开启压力，则取样介质101将进入瓶102并开始填充它直到入口阀103再次关闭。

瓶102还可以位于液体取样介质101的外部，在该情况下，它们的流体入口端口114可以在期望的取样深度处与管道一起连接到取样介质101。这种取样需要将样本从取样介质抽吸通过连接管道并进入到瓶102中；因此，瓶102可以位于液体流体液位上方的高度一方面受到泵性能(其产生足够真空的能力)的限制，另一方面受到可以在不产生空化的情况下拉出的最大流体柱高度的限制。

在第二示例性应用中，通过将每个瓶102的进水口端口114连接到达到期望深度的管道202来完成深度处的取样。说明性地，各个瓶102可以被配置为在不同深度201处取样(图2所示)，或者所有瓶都可以在相同深度处取样。可选的入口过滤器211可以置于瓶102的入口管道上。入口阀103可以置于瓶液位处，或者也可以置于深处。如图2所示，后一种放置限制取样介质101进入取样管道202，直到取样操作开始，从而限制或消除了管道202中包含的不代表取样时刻的取样介质的流体引起的污染。为了确保取样介质101的流体静压力与瓶102内部的压力之间的差不会克服入口阀103的开启压力，可以在部署之前对瓶102加压。这种加压可以使用手动泵、压缩机、加压空气罐(或其他气体)、加压管线、压力调节器或本领域已知的任何其他装置手动执行(例如，通过每个瓶102的入口阀103注入加压空气，所述空气所处的压力与预期取样的位置的流体静压力类似)。在其他实施方式中，并且方便地，除了真空泵205之外，取样装置还可以包括称为“压力泵”的第二泵204，其作用是在部署之前实现所述加压。在这种情况下，真空泵的低压连接和压力泵的高压连接可以使用主阀206、207连接到歧管。泵204和205的排气部也可以通过管道、导管或其他类型的连接装置来连接到泵送壳体的外部，并连接到可选的泵排气模块208和209。压力泵204和真空泵205可以使用相同的排气模块，只要该排气模块允许气体在两个方向上通过(诸如，例如，干燥的疏水膜)。

当需要对给定瓶102加压时，与压力泵204对应的主阀206以及与瓶102对应的控制阀105打开，与真空泵205对应的主阀207关闭，并且操作压力泵204。这将把空气泵入瓶102中，从而增加压力。当然，所有控制阀105可以同时打开，以同时对所有瓶102加压。在一定的泵送时间之后，或者当已经达到预定压力时，关闭阀并停止泵204。要理解的是，为了实现和保持加压，瓶的入口阀103将需要作为止回阀操作，将加压气体保持在瓶102内部。再次要理解的是，压力传感器可以用于测量泵送歧管内部的压力或压力泵的出口处的压力，以便控制施加到瓶上的压力。

图3示出了根据本发明的实施方式的其中整个取样装置300可以被浸没的示例性第三应用。这可能是必需的，例如，如果装置300需要被隐藏在视野之外，或者其需要在深处执行取样并且使用管道可能是不切实际的。在这种情况下，除了上述特征之外，取样装置300可以使其泵排气模块302和303以及天线301延伸到取样介质101的表面，以便允许泵送和通信。必要的管道和天线线缆可以是单独的或者集成在单个线缆中，并且可以延伸到岸上或者附接到可选的浮标。所述浮标还可以通过提供浮力来支撑取样装置的水下重量中的一部分来将取样装置保持在期望的深度处。所述浮标还可以用作用于标记取样装置300的位置的发信号浮标，并且可以配备有灯、无线电信标或发信号通知其位置的其他装置。它还可以配备有GPS天线或用于传达其位置的装置。

图4示出了根据本发明的实施方式的其中需要从使感兴趣的流体循环的封闭导管401诸如但不限于管路、一段管道和/或歧管执行取样的示例性第四应用。导管401可以是例如饮用水管路或工业过程用水管路。在这种情况下，不同瓶的流体入口114通过单独的管道或通过歧管连接到导管401。理想地，入口阀103定位成尽可能接近使感兴趣的流体循环的导管401，以避免入口阀103和导管401之间的滞留流体。入口阀103的开启压力以及瓶102的可选预加压需要被调整成使得在导管401内部的操作压力下，感兴趣的流体不能进入取样瓶102。当需要在特定瓶102中采集样本时，通过控制电子器件打开与真空泵205对应的(可选的)主阀207和与所选瓶201对应的对应控制阀105，并且操作真空泵205。通过降低所选瓶102内的压力，最终入口阀103上的压力差克服入口阀103的开启压力，并且流体开始填充瓶102。

在第五应用示例中，可以使用与图2中所示的取样装置类似的取样装置来实现对受溢油影响的区域中的水柱的取样。这种装置可以在对溢出物应用任何表面活性剂处理之前安装在溢油区域中。它可以是有浮力的，并且可以包含通信天线、GPS定位能力以及发信号灯和/或无线电信标。它还可以包含位于不同深度处的不同类型的传感器，诸如(例如)荧光探针、浊度探针、pH传感器等。取样管可以延伸至不同的深度，以便在取样装置的位置处对水柱的不同部分进行取样。每当被通过通信天线接收的外部命令、被预编程的样本警报触发或者当被来自外部传感器的测量触发时，控制电子器件然后将启动在一个或多个深度处对一个或多个样本的采集。取样装置还可以周期性地或在被经由通信天线询问时传达其GPS位置和/或外部传感器读数。可以通过GSM、3G、4G、LTE或类似的蜂窝电话网络和协议或通过无线电链路诸如LoRa、LoRaWAN、Sigfox或者通过任何其他远程通信手段来实现通信。这些装置可以附接到现有的固定基础设施、现有的浮标，或者它们可以漂流。在完成取样程序后，可以使用装置的已知位置或传输的GPS坐标来定位它们，并且将它们与物理样本一起取回。在整个溢油区域内部署多个这样的装置将允许在整个溢出事件中从初始检测到溢出物起且在整个处理过程中进行数据和物理样本收集。除监测溢出和意外释放之外，此类装置还可以用于监测自然渗漏；以在钻井作业之前收集关于海水质量的基线数据；以监测钻井和套管作业期间的污染；以用于在整个生产阶段进行长期操作监测；以用于在退役阶段期间和之后进行监测。

在另一应用示例中，需要在深处执行取样。例如，这可能是在海洋中的情况。根据本发明的实施方式，可以使用图7中呈现的取样装置700，其中泵601可以是蠕动泵，并且泵送模块壳体111可以以压力平衡配置进行部署。可以通过用与壳体中存在的所有材料和电气或电子部件兼容的压力均衡流体702填充泵送模块壳体111的内部并且提供允许取样介质流体101的压力传输到压力均衡流体702而不允许它与取样流体101混合的可能性的压力均衡机构704来实现压力平衡。这种压力均衡机构可以是但不限于下述中的一种：像活塞的密封移动部件、膜、袋、囊、波纹管、或本领域已知的任何其他类似机构。

最初，取样活塞644位于瓶102的入口端口114附近，并且瓶102的与入口端口114相对的部分预填充有预填充流体，在该示例中，预填充流体可以是水(淡水或海水)。例如，当需要将样本收集在特定瓶102中时，打开对应的控制阀105，蠕动泵被致动以将一定体积的预填充流体从瓶中拉出，这又将活塞644拉入瓶中。同时等量取样流体通过入口端口114取得到瓶102中。

泵601的排气端口需要被定位(或者用管道延伸)成使待取样的介质与最初存在于瓶102中的预填充流体的可能的污染最小化。然后，可以致动蠕动泵601以向瓶102中推动，然后其推动活塞644并将先前取得的取样流体冲洗通过瓶的冲洗端口701。该操作可以重复几个循环以完全冲洗取样瓶的内部并因此确保可能存在于瓶或取样管和阀中的任何污染都被最小化。在多次冲洗循环之后，操作泵601以便最后一次用取样流体填充瓶102，然后停止泵601并关闭控制阀105。该操作模式允许在深处执行取样，并且以这样的方式使得装置的总重量不会改变(如果先前空的容器已经填充有取样流体，则将是这种情况)。这方面对于从浮力驱动的水下滑翔机和自主水下航行器中取样特别重要并且非常适合，其中在整个样本采集过程期间和之后保持航行器的恒定浮力是必要的。

替代性地，入口端口114和活塞644之间的小体积预填充有固定剂或杀生物剂。在期望停止样本内的微生物、化学或藻类演变的一些情况下可能需要这样做。

通过短时间操作泵以便每次以等距时间间隔或以与流率或流速传感器的读数成比例的速率采集明确限定的取样流体体积，可以相应地获得复合样本或流动比例样本。

样本处理和测量

本发明的其他实施方式允许在取样装置内处理和监测所采集的样本，以便测量所采集的样本的某些性质。

试剂混合：通过如上所述的取样装置在取样瓶中采集样本。取样瓶可以预加载试剂，使得在采集样本时，样本与试剂混合。试剂可以是固体形式或液体形式，然而要理解的是，与液体试剂混合可以更快和更有效。试剂可以是固定剂、化学试剂、生物试剂、细胞培养物或生长培养基、或者它们的组合。试剂可以例如包含特定于某种菌株或细菌类型的生长培养基，以及可以通过这种细菌的代谢修改的化学物种。这些修改可能导致样本的可观察到的性质的变化，诸如颜色的变化，荧光外观的变化，浊度发展的变化，pH或导电性的变化，其他样本性质的变化，或它们的组合。取样瓶可以预先加载不同类型的多种试剂的组合。

在一个示例中，试剂可以包含生长培养基，以及化学MUG(4-甲基伞形基-β-D-葡糖苷酸)。大肠埃希氏菌(E.Coli)细菌包含使MUG水解并将其转化为荧光的MUF(4-甲基伞形基)的酶(β-葡糖醛酸酶)。该荧光化合物的存在可以是存在E.Coli细菌的指示。在另一示例中，试剂可以包含生长培养基，以及化学ONPG(邻-硝基苯基-β-半乳糖苷)。大肠杆菌细菌使ONPG水解并将其转化为具有特征性黄色的ONP(邻-硝基苯酚)。该发色化合物的存在通常可以是存在大肠杆菌细菌的指示。在又一示例中，试剂可以包含MUG和ONPG。

温度控制(温育)：图8示出了根据本发明的实施方式的包括温度控制设备801或与温度控制设备801接触的取样瓶。温度控制设备801可以是加热设备、冷却设备，或者可以执行加热和冷却功能。温度控制设备801可以包括位于瓶内部的电阻加热器；它可以是位于瓶附近的微波发生器或红外光源；对流加热器；烤炉或等效物；它可以是包围瓶的加热带或加热套；加热块；Peltier装置；热泵；或者本领域已知的任何其他类型的加热装置，以及它们的组合。温度控制设备801或取样瓶还可以包括测量温度的换能器，诸如电阻温度检测器(RTD)、热电偶、热敏电阻、包含在集成电路中的温度传感器或本领域已知的任何其他类型的温度测量装置。温度控制设备801以及温度换能器可以由控制电子器件操作，控制电子器件然后可以调节由加热设备产生的加热功率量或由冷却设备移除的热的量，以便准确地控制瓶温度。本领域已知用于准确地控制过程参数诸如温度控制设备或取样瓶的温度的不同类型的算法，包括但不限于：开关控制、比例控制、PID控制以及它们的任何组合。包含在装置内的电池或其他电源可以为温度控制设备供电。温度控制设备可以包括热隔离层802或被热隔离层包围，以限制与环境的热交换，从而降低功耗。温度控制设备801可以将不同的温度分布应用于样本。例如，它可以将样本最初加热或冷却至第一温度T₁达持续时间t₁，然后将样本进一步加热或冷却至温度T₂达持续时间t2等。温度控制设备还可以施加受控温度斜坡，而温度以受控速率增加或减少。

要理解的是，每个瓶都可以与单独的温度控制设备接触，或者所有瓶可以与唯一的温度控制设备接触。温度控制设备可以保持在固定温度(常规温度控制)，或者可以施加更复杂的温度分布。在需要电池操作的装置的情况下，可能优选的是使每个瓶有单独的温度控制设备，这允许独立控制瓶的温度。这极大地使所需的功率最小化，因为加热仅应用于需要温度控制的瓶而不是全体瓶。此外，这允许不同的瓶被不同地加热，以便例如将它们保持在不同的温度，或者对每个样本施加不同的温度斜坡。

智能温度控制：在某些应用中，在将样本采集到瓶中之后尽快使样本达到期望的目标温度可能是重要的。图9以图形方式示出了根据本发明的实施方式的各种温度控制算法的时间与温度图。通过使用包括将温度控制设备的温度保持在目标温度的常规温度控制，样本将在相对长的时间中渐近地达到目标温度——曲线902。为了缩短样本达到目标温度所需的时间——曲线901，温度控制设备可以结合智能温度控制算法。

例如，在需要加热样本并且温度控制设备由加热设备组成的实施方式中，智能温度控制算法可以最初注入更大量的热(在取样时间)以便快速使样本达到目标温度，然后保持该温度恒定，而没有温度超调——曲线901。这样的算法可以基于其对下述知识的计算来计算并且然后注入将样本加热到目标温度所需的确切的初始热的量：加热块和瓶的初始温度、要取样的流体的量及其温度和热性质、加热设备和取样瓶的结构中涉及的所有材料的机械和热性质、或此类信息的组合。考虑取样前的取样介质的初始温度T_S以及加热设备和取样瓶组件的初始温度T_H、以及需要达到的期望的目标温度T_T，并且考虑所采集的样本的热容量C_S以及加热设备和取样瓶组件的热容量C_H中，可以推断出需要注入加热块以便将样本、瓶和加热块的温度升高到期望的目标温度T_T的能量E的总量：

E＝C_H×(T_T-T_H)+C_S×(T_T-T_S)。

取决于所使用的加热设备的类型，需要注入的能量E的量可以通过不同的方式产生，并且以不同的方式转换以启用加热器。例如，如果我们考虑由电阻R的电阻加热器组成的加热设备，并且通过将DC电压V施加到加热设备达一量化时间t来注入能量E，则可以从t＝E×R/V²计算时间t。

将热量E快速注入加热设备可能导致加热设备的温度过冲，而不是样本的温度过冲，因为最初注入所需热的确切量，并且热总是从较暖体流动到较冷体，在这种情况下从加热设备到瓶，然后到样本。一旦加热设备的温度再次下降到T_T，在初始注入热量E之后，流体样本、取样瓶和加热设备在温度下平衡，并且可以恢复常规温度控制以保持加热设备温度恒定在T_T值。

本领域的技术人员将认识到，上面介绍的C_H和C_S可以使用常规测热装备来测量，或者可以根据所涉及的不同材料的知识以及它们的重量和比热来计算。例如，如果取样介质是具有比热c_S、密度d和取样总体积V的流体，那么样本的热容量可以计算为C_S＝c_S×d×V。

要理解的是，以上示例仅提供智能温度控制算法的一种可能的实现。还要理解的是，对于因素诸如通过传导、对流和辐射的热损失，对于加热块和取样瓶的不同初始温度，或对于取样瓶和加热设备的不同几何形状的附加校正可以包括在以上公式中以提高其准确性。还要理解的是，虽然以上示例涉及使用加热设备加热样本的情况，但是可以使用相同的智能温度控制算法来使用冷却设备冷却样本，在该情况下，E表示需要通过温度控制设备移除的能量的量。

某些样本性质的测量可能关键取决于样本的温度历史。例如，样本内初始细菌含量的量化可以基于在某些可观察到的效果可能发生之前测量在某一目标温度T_T下所需的温育时间t_I。这种可观察到的效果可以是例如由于酶的反应产生的某些化合物的存在而引起的荧光或吸光度的出现。通过使用常规温度控制，样本的温度将在一时间内渐近地接近目标温度T_T，该时间相对长并且取决于许多参数诸如初始样本温度和取样的总体积。通过实现上面概述的智能温度控制算法，可以有利地更快地并且以良好控制的方式执行从取样介质温度T_S到目标温度T_T的加热，原因在于在取样时间注入或移除了所需热的确切量。这将引起更加可再现的温育时间t_I，其又将引起更准确的量化结果。

例如，对于野生大肠埃希氏菌(E.Coli)细菌菌株，已知在37摄氏度在适当生长培养基中的倍增时间为20至30分钟。因此，在测量温育时间时的20至30分钟的误差可能引入2倍的量化误差。该示例清楚地说明了实现上面概述的智能温度控制算法的重要性，该算法允许更准确和更快速的温度控制。

光学测量：图10示出了根据本发明的实施方式的配备有光学传感器1003的取样瓶。光学传感器1003能够测量样本的不同光学性质，诸如颜色变化、特定波长下的吸光度、浊度、荧光、双折射或本领域已知的任何其他类型的光学测量。这种光学传感器可以通过使用一个或多个光源将光发送到瓶中并使用一个或多个光检测器测量光的强度来测量位于取样瓶中的样本的不同光学性质。光源可以包括白炽光源、卤素灯、气体放电灯、发光二极管、激光二极管或其他类型的激光源以及本领域已知的任何其他类型的光源。光检测器可以包括：光电二极管；光电晶体管；级联效应光电二极管；光放大器；CMOS传感器；CCD传感器；光谱仪；热电检测器；辐射热测定器；以及本领域已知的并且能够测量或量化光强度的任何其他装置，以及这些装置的阵列或矩阵的所有组合。这些光源和光检测器可以直接使用，或者它们可以耦合到光波导、光纤、液体波导、光通道或本领域已知的任何其他种类的光导部件以及它们的任何组合。光源和光检测器可以单独使用，或者耦合到其他类型的光学部件，诸如光学滤波器；中性密度滤波器；干涉滤波器；四分之一波片；偏光器；低通滤波器；带通或高通光学滤波器；反射镜；单色器；准直器；光栅，包括衍射光栅；光阑；透镜；本领域已知的任何其他类型的有源或无源光学装置，以及它们的任何组合。

光学传感器1003可以由计算单元控制或将其值传送到计算单元，计算单元包含用于存储测量值的存储器形式。这种计算单元可以是微处理器、微控制器、台式或膝上型计算机、智能电话、智能手表、平板电脑、单板计算机、或能够记录和处理由光学传感器1003产生的测量值的任何其他类型的装置。

光学传感器可以与温度控制设备一起使用，或者单独使用。在一个实施方式中，如图10所示，光学传感器1003定位在瓶和温度控制设备1001周围，而光源和光检测器与温度控制设备中设置的开口1002(光学窗口)对准，以允许光从光源行进到瓶，跨瓶内收集的样本1004，并到达光检测器。

图11示出了根据本发明的实施方式的具有传感器环1101形状的光学传感器的俯视图。这种光学传感器上的光源1103、1104、1107可以是单色LED，并且光检测器可以是光电二极管1105。用于测量样本在特定波长的吸光度的LED 1103、1104可以放置在与光电二极管1105相对的位置。LED 1103和1104可以被选择成以下述波长运行，上述波长允许检测样本的特定着色，而不受样本由于例如细菌生长而变浑浊的影响。用于激发荧光的LED 1107可以定位成使得来自LED的光到达光电二极管1105附近的瓶，但是处于使得反射光不到达光电二极管1105的角度。LED 1103、1104、1107和光电二极管1105可以与温度控制设备中的开口(光学窗口)对准。光电二极管1105可以配备有光学滤波器1106，光学滤波器阻挡荧光激发波长，同时允许发射的荧光信号以及来自其他LED的光通过。可选地，光学传感器还可以配备有温度传感器1102，以测量不同光学部件的温度或温度控制设备的温度。

光学传感器可以包括与光电二极管1105相对定位的两个LED 1103、1104。一个这样的LED可以发射下述波长的光，上述波长为样本或与样本混合的试剂吸收该波长；而第二LED可以发射下述波长的光，上述波长为样本或试剂不吸收该波长。LED 1103、1104可以定位成使得从LED 1103、1104到光电二极管1105的光遵循类似的光学路径。在这种情况下，由于样本浊度引起的散射将类似地影响来自LED 1103、1104的光，而吸光度将仅影响来自第一LED的光。通过测量来自LED 1103、1104的光，因此可以校正由于样本浊度引起的任何光散射，并因此具有准确的吸光度测量，没有伪影或来自浊度的影响。

光学传感器可以定位在瓶的底部，诸如以通过瓶的底部进行测量。然而，这种测量可能受到来自样本的沉积物的影响，这些沉积物倾向于在底部聚集。在优选的布置中，光学传感器定位在瓶中样本的中间高度处。这允许在不受底部沉积物影响的情况下进行准确的测量。

样本保证：图12是根据本发明的实施方式的示出了光学传感器可以如何用于检测瓶的填充以提供样本保证的曲线图。例如，控制电子器件可以在启动取样之前执行一次光学测量(荧光、吸光度或两者)，然后在触发取样的时刻之后再次执行。两次测量之间的差表示确认瓶的光学性质已经改变，并因此提供了样本被正确采集的证据。图12给出了这种光学样本保证的一个示例，其示出了从荧光传感器获得的信号的时间演变。在采集样本之前测量第一数据点1201，第二点1202和后续点对应于在采集样本1203之后执行的测量。如图12上可以看到的(由椭圆突出显示的区域)，存在光信号的差异，这然后可以用于确认正确的样本采集。

用于量化细菌污染的仪器和方法

在本发明的其他实施方式中，提供了一种用于测量细菌浓度的设备。该设备可以包括但不限于上述种类的并且在图1至图7中以图形方式表示的取样装置。每个取样瓶以及相关的硬件可以可选地是一次性的单次使用的种类。

每个取样瓶都可以包括能够使细菌生长的生长培养基。这种生长培养基可以特定于某些细菌，或者它可以是非特定性培养基，诸如简单的葡萄糖溶液。这种试剂可以预装在每个取样瓶(例如，当瓶是一次性类型时)中或者可以在部署设备之前在维护操作期间被手动地引入每个瓶中。试剂还可以包括可以用作特定细菌的指示物的化学品。例如，试剂可以包括如上所述的MUG或ONPG，以分别检测E.Coli和一般大肠杆菌的存在，或者它可以包括用于检测肠球菌的ONPG2，或者在细菌存在下可以经历可观察到的变化的其他类型的物质。试剂可以包括多种这样的物质的组合。

每个取样瓶都可以与配备有光学传感器的温度控制设备接触。这种温度控制设备能够使样本/生长培养基/试剂混合物在允许感兴趣的细菌生长的温度下温育。可以选择这样的温度以优先允许某些类型细菌的生长，或者替代性地，以抑制其他类型细菌的生长。例如，较高的温育温度可以允许某些类型的大肠杆菌优先发育(特别是粪大肠杆菌)。

由于这种设备执行允许活细菌繁殖的培养或温育步骤，因此细菌浓度的测量不受培养基中存在的死细胞的影响。

光学传感器可以被配置为从采集样本的时刻起并且在整个温育周期期间重复测量样本/生长培养基/试剂混合物的光学性质。用于执行这种测量的典型周期可以是秒、几秒、分钟、几分钟或小时的数量级。这些性质可以包括吸光度、荧光、浊度或其他光学性质。可以还通过计算单元处理光学测量，计算单元还可以将光学测量传送到远程系统，诸如计算机或服务器，以进行可视化和下载。可以通过本领域中已知的任何有线或无线通信手段来执行这种通信。设备或远程服务器可以产生自动警报并将它们发送给操作员。

除了入口止回阀之外，每个取样瓶在其入口处可以具有过滤器。这种过滤器可以具有允许分散的细菌进入取样瓶但阻止附着于颗粒物质的细菌进入取样瓶的孔隙大小。这将允许测量仅完全分散的细菌(如果使用过滤器)，或测量包括附着于颗粒的那些细菌的总细菌(如果不使用过滤器)。孔隙大小将根据所使用的细菌的特征大小进行调整，以确保所有分散的细菌都能通过，但尽可能地限制较大的颗粒。例如，对于从分散的E.Coli中分离颗粒有效的典型过滤器孔隙大小可以在从2μm至5μm的范围内。示例：用于执行E.Coli和总大肠菌测量的方法

在一个实例中，用于测量细菌浓度的设备安装在敏感区域附近，该敏感区域需要针对E.Coli和总大肠杆菌(TC)的存在和量化进行加强的水质监测。这样的区域可以是但不限于：休闲游泳地点、饮用水入口、水产养殖区或废水流出。

可以触发设备以执行细菌测量。这种触发可以是由设备接收的远程命令，或者其可以是落在其正常范围之外的外部传感器测量。如上所述，设备中的取样瓶包含生长培养基、MUG和ONPG的组合。一旦接收到测量触发，设备就将样本采集到取样瓶中的一个取样瓶中。光学地进行光学样本保证测量以确认样本采集。然后，设备开始在37摄氏度的温度下温育样本/生长培养基/试剂混合物，并执行吸光度和荧光的重复光学测量，以检测分别由E.Coli和总大肠杆菌的酶活性产生的MUF和ONP的出现。例如，可以在与ONP的吸光度峰对应的430nm的波长测量吸光度，而荧光可以在385nm的波长(允许激发MUF荧光)被激发并且在通常比400nm长的波长检测荧光。可以在ONP或MUF不吸收的波长例如在610nm处或附近执行附加的吸光度测量。然后可以使用该光学测量来量化和校正效果诸如样本的浊度。

图13示出了根据本发明的各种实施方式的在整个温育期间测量的吸光度和荧光值的数据曲线，如图14一样。这些值可以由计算单元存储在内部存储器中，或者传输到外部服务器，或两者。计算单元或外部服务器可以使用算法处理数据曲线以确定吸光度和荧光信号出现时间。这种数据处理算法可以包括检测数据曲线上的最早点1303、1403，在其之后信号稳定地增加(这些检测点由图13和图14中的竖向线标记，用于吸光度和荧光信号)。在这种检测之前，吸光度和荧光值相对稳定(1301、1401)。在检测点之后，信号迅速增加(1302、1402)。本领域的技术人员可以认识到，可以使用许多不同类型的算法来检测信号出现时间，并且这里给出的示例仅是一种可能性。

由于活细菌不断繁殖，产生的MUF和ONP的量迅速增加。在某一阈值之后，光学传感器可以容易地检测到这些化合物的存在(参见图13和图14)。在这种检测之前所需的培养或温育时间(信号出现时间)取决于样本中存在的活细菌的初始数量，因此信号出现时间和初始细菌(E.Coli和TC)浓度是相关的。特别地，较短的信号出现时间表示初始样本中较高的细菌浓度。图15示出了根据本发明的实施方式的如果将对各种细菌浓度的样本执行的多次测量1501相对于用另一种参考技术测量的原始样本中的实际细菌浓度的对数进行绘制，则可以获得线性校准(黑线1502)。然后可以使用该校准，以通过测量信号出现时间(在E.Coli细菌的情况下为荧光出现时间，如图15中所示)来确定最初存在于样本中的细菌的实际浓度。可以针对不同的水基质获得不同的校准。

上面提出的测量技术的优点是它是特别稳健的，因为它不需要非常准确的光学测量(吸光度或荧光)。由于测量集中于信号出现的时间而不是光学信号的实际值，信号值不必是准确的，只要能正确捕获它们随时间推移的演变即可。这对于实际应用有重要意义：虽然取样瓶从一次测量到下一次测量的位置变化可能会使通过光学传感器测量的总值改变，但曲线的形状和对应的检测时间将保持不变，因此将对所得的细菌量化没有影响。类似地，由不同试剂产生的荧光或吸光度的量可以取决于其他样本参数诸如pH，但是它们的一般时间演变可以不受影响，因此不会对细菌量化产生负面影响。

与其他快速技术相比，这是非常重要的优点，所述其他快速技术的测量可能取决于样本荧光或吸光度的量的精确量化，实际测量值影响所得的细菌量化。对于这样的方法，需要测量和/或控制可能影响光学信号值的所有样本参数，这为在自动仪器中的实现产生了附加的复杂性。

在整个温育周期中接收数据的计算单元或远程服务器可以周期性地应用用于检测信号出现时间的算法，并且当进行检测时，然后它可以使用存储的校准来计算细菌浓度。然后，计算单元或远程服务器可以生成自动警报并借助于电子邮件、SMS、电话呼叫、弹出窗口或可用于通信的任何其他方法将结果传输给操作员。如果尚未根据可用数据进行检测，则计算单元或远程服务器可以基于与当前温育时间对应的量化值来提供上限值。这种上限也可以传送给操作员。

计算单元或远程服务器可以连接到图形屏幕，或者可以通过网络连接(诸如网站)提供图形界面。在这样的图形界面上，操作员可以可视化数据，包括信号曲线和自动检测时间(如图13、图14所示)。此外，在检查数据时，可以允许操作员验证或覆写由计算单元或远程服务器提供的自动检测。图形界面还可以用于向设备发送控制命令，以便启动样本收集和分析，或获得操作数据。

采用一次性盒式容器的装置

还要理解的是，瓶和相关硬件(适配器、入口阀、冲洗阀、管道、泵送过滤器、入口过滤器、试剂、活塞、袋、隔膜的任何组合)中的一些或所有相关硬件可以是在部署之前安装并且在取回样本之后丢弃的单次使用的部件(一次性盒式容器)。这种单次使用的部件的使用可以极大地简化操作取样和/或测量装置的后方勤务。通过将取样瓶提供为一次性盒式容器，在完成测量之后将其丢弃，并更换新盒用于新部署，可以实现以下优点：

-操作员不直接接触可能包含细菌培养物和可能的高浓度的病原体的先前的样本，因此他的安全性得到了改善。

-新盒已经清洁且无污染，因此无需在装置上执行附加的清洁和维护操作。这加快了维护过程，并允许直接在现场快速维修单元。

-盒可以预填充感兴趣的化学或生物试剂，这消除了在装置部署之前将试剂装载到瓶中的步骤。

-通过提供在制造过程期间质量受控的盒，使清洁和准备装置以进行新部署的人为错误的风险最小化。

图16示出了根据本发明的实施方式的利用一次性盒式容器的示例性样本分析装置。示例性装置可以包括附接到装置外壁1601的包含温度控制设备1602和光学传感器1603的生物反应器。可以使用隔热材料1605隔离温度控制设备和装置壁。生物反应器可以经由控制阀1604连接到装置的泵(未示出)。防水和/或气密密封元件1606和1607还可以被包括，并且可以由垫圈、各种截面的O形环或本领域已知的任何其他类型的密封溶液组成。

图17示出了根据本发明的实施方式的可以与图16的装置一起使用的一次性盒式容器。一次性盒式容器可以包括附接到瓶支撑板1704的取样瓶1701。替代性地，两者可制造为一个部件。瓶1701还包括或还附接到处于本发明中先前教导的配置中的任何配置的入口止回阀1705以及泵送过滤器1702。盒式容器还可以包括密封表面1706和1707，其设计成与样本分析装置上的密封件1606和1607配合。图18示出了根据本发明的实施方式的入口止回阀1805在一次性盒式容器的瓶1801内的替代位置。本领域的技术人员将理解，多种配置对于这里描述的不同元件的定位是可能的，并且所教导的示例仅是一些可能的实施方式。

图19示出了根据本发明的实施方式的正被插入到装置生物反应器1902中的一次性盒式容器1901。图20示出了根据本发明的实施方式的与装置生物反应器配合的一次性盒式容器，其中接合有密封元件(2001、2002)。图21示出了根据本发明的实施方式的另一密封配置，其中密封元件2101、2012作为一次性盒式容器的一部分。

图23示意性地示出了用于执行水生站点2301的细菌监测的系统的部件。该系统包括一个或多个样本分析装置2302诸如上述样本分析装置，一个或多个样本分析装置还能够与服务器2305和/或蜂窝电话2306进行无线2303或有线2304双向通信。可以通过计算机网络从用户计算机终端2307访问服务器2305。服务器2305可以可选地能够直接与蜂窝电话2306通信。系统可以被配置为执行过程2308，该过程可以使用由样本分析装置2302提供的数据以及来自其他源诸如(没有任何限制)时钟、单独的传感器、控制中心、蜂窝电话2306或计算机终端2307、用户界面或操作员生成的命令的数据，并且基于接收到的数据，可以等待直到满足触发条件——步骤2309，此时，它可以通过样本分析装置2302中的一个或几个样本分析装置启动取样和测量事件——步骤2310。然后，过程2308将在步骤2311使用和分析从装置2302取回的数据，并检查是否满足警报条件——步骤2312。如果不满足这样的条件，则过程2308返回到步骤2311并继续取回数据和检查。如果满足警报条件，则过程2308生成用户警报——步骤2313，用户警报可以通过蜂窝电话2306、计算机终端2307或通过任何其他通信手段进行传达。然后，过程2308决定是否继续测量——步骤2314。如果需要继续测量，则返回步骤2311并继续取回数据和检查警报条件。如果要停止测量，则过程2308返回到步骤2309。要理解的是，可以直接在装置2302的控制器内、在服务器2305内、在蜂窝电话2306内、在用户计算机终端2307内或者在单独的控制器或计算单元内实现过程2308。此外，可以在硬件、软件或它们的组合中实现过程。

本领域的技术人员将认识到，以上示例仅是使用本文所述发明的许多可能方式中的一些方式。例如，对于除细菌检测之外的其他类型的应用，也可以使用一次性盒式容器。这些应用示例可以是样本收集或执行化学测量。

可以使用本文教导的方法、使用不同类型的选择性试剂、变化的温育温度或用于光学询问的不同波长来测量细菌的其他物种。本文描述的取样装置的任何变型都可以与该细菌测量方法结合使用；允许在多个位置对下述执行类似的细菌测量，诸如：对来自管路、自然环境的表面或自然环境中的不同深度的水，或者甚至对来自海洋或海中的深水的水。

可以全部或部分地以任何常规的计算机编程语言实现本发明的实施方式，例如但不限于所使用的控制器的部分、控制电子器件的部分、温度控制设备的部分和/或任何分析模块的部分。例如，可以以汇编语言、程序编程语言(例如，“C”)或面向对象的编程语言(例如，“C++”、Python)实现优选实施方式。本发明的替代性实施方式可以被实现为预编程的硬件元件、其他相关部件或者被实现为硬件和软件部件的组合。

实施方式可以整体或部分地被实现为与计算机系统(例如，控制器)一起使用的计算机程序产品。这种实现可以包括一系列计算机指令，该一系列计算机指令固定在有形介质诸如计算机可读介质(例如，磁盘、CD-ROM、ROM或固定磁盘)上，或者可以经由调制解调器或其他接口装置诸如通过介质连接到网络的通信适配器传输到计算机系统。介质可以是有形介质(例如，光学或模拟通信线路)或用无线技术(例如，微波、红外或其他传输技术)实现的介质。该一系列计算机指令体现了本文中先前关于该系统描述的功能中的全部或部分功能。本领域的技术人员应该理解，可以以许多编程语言编写这种计算机指令，以用于与许多计算机架构或操作系统一起使用。此外，这些指令可以存储在任何存储器装置诸如半导体、磁性、光学或其他存储器装置中，并且可以使用任何通信技术诸如光学、红外、微波或其他传输技术进行传输。预期这样的计算机程序产品可以作为具有附随的印刷或电子文档(例如，收缩包装软件)、预装有计算机系统(例如，在系统ROM或固定盘上)的可移动介质分发，或者通过网络(例如，因特网或万维网)从服务器或电子公告板分发。当然，本发明的一些实施方式可以被实现为软件(例如，计算机程序产品)和硬件的组合。本发明的其他实施方式还被实现为完全硬件或完全软件(例如，计算机程序产品)。

实现本文先前描述的功能中的全部或部分功能的硬件逻辑(包括用于与可编程逻辑装置一起使用的可编程逻辑)可以使用传统的手动方法来设计，或者可以使用各种工具诸如计算机辅助设计(CAD)、硬件描述语言(例如，VHDL或AHDL)、或PLD编程语言(例如，PALASM、ABEL或CUPL)以电子方式来设计、捕获、模拟或记录。

以上描述的本发明的实施方式仅旨在是示例性的；许多变化和修改对于本领域的技术人员是明显的。所有这些变化和修改旨在落入在本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种用于通过感兴趣的类型的细菌来量化流体样本的污染的系统，所述系统包括：

取样瓶(102)，样本流体被采集到所述取样瓶中；

试剂，所述试剂在感兴趣的细菌存在的情况下提供光学标记，所述试剂与所述样本流体混合；

温度控制器设备(801)，所述温度控制器设备用于温育所述样本流体；

其特征在于，所述系统包括：

光学传感器(1003)，所述光学传感器用于多次从所述样本流体获得荧光光学信号和/或吸光度光学信号，所述光学传感器(1003)使用最少两种波长来测量所述吸光度光学信号，而所述两种波长被选择为使得一种波长比另一种波长对所述试剂的所述光学标记敏感；

控制器，所述控制器被配置为：根据在所述流体样本的温育期间从至少一个光学传感器获得的荧光与时间曲线和/或吸光度与时间曲线的形状，来确定所述样本流体的细菌浓度。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器被配置为：将荧光和/或吸光度信号出现时间与校准曲线进行比较，所述校准曲线至少部分地基于先前获得的多个样本流体的信号出现时间与使用另一种参考技术确定的所述多个样本流体的实际细菌浓度的比较。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述取样瓶(102)包括能够使所述感兴趣的细菌生长的生长培养基。

4.根据权利要求1所述的系统，还包含多个取样瓶(102)，每个取样瓶(102)用于测量单个流体样本，所述系统能够并行地执行多个测量。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统是便携式和/或能潜水的，并且，被配置为由电池供电并无线地传输数据。

6.一种通过感兴趣的类型的细菌对流体样本的污染进行量化的方法，所述方法包括：

将样本流体采集到取样瓶(102)中；

将所述样本流体与在感兴趣的细菌存在的情况下提供光学标记的试剂进行混合；

使用光学传感器(1003)多次测量所述样本流体的荧光光学信号和/或吸光度光学信号，而使用最少两种波长的光来测量吸光度信号，所述两种波长被选择为使得一种波长比另一种波长对所述试剂的所述光学标记敏感；

在所述测量之前或在所述测量期间温育所述样本流体；

根据在所述流体样本的温育期间从至少一个所述光学传感器获得的荧光与时间曲线和/或吸光度与时间曲线的形状，来确定所述样本流体的细菌浓度。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述确定包括：将荧光和/或吸光度信号出现时间与校准曲线进行比较，所述校准曲线至少部分地基于先前获得的多个样本流体的信号出现时间与使用另一种参考技术确定的所述多个样本流体的实际细菌浓度的比较。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述取样瓶(102)包括能够使细菌生长的生长培养基。

9.根据权利要求6所述的方法，还包括：连续地或并行地在单独的瓶中分析多个样本。

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