DE2132970C3 - Identifikation einer Bakterie - Google Patents

Identifikation einer Bakterie

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DE2132970C3 DE19712132970 DE2132970A DE2132970C3 DE 2132970 C3 DE2132970 C3 DE 2132970C3 DE 19712132970 DE19712132970 DE 19712132970 DE 2132970 A DE2132970 A DE 2132970A DE 2132970 C3 DE2132970 C3 DE 2132970C3
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Description

h)
wählten Wellenlängen, ausgehend von einer Zelle, in welcher die Entwicklung einer Reaktion Null ist, daß
weiterhin eine Subtraktionsschaltung (18 oder 28) vorgesehen ist, welche mit dem ersten und dem zweiten logarithmischen Konverter verbunden ist, welche gleichzeitig für jeden der Meßwege die entsprechenden logarithmischen Signale empfangend ist, welche durch den ersten und den zweiten Konverter geliefert sind und ein Signal liefernd ist, welches für die optische Dichte des Inhalts der Zelle für jede betrachtete Wellenlänge repräsentativ ist, daß
weiterhin eine Summationsschaltung (25) vorgesehen ist, welche die Summe der zwei Signale bildend ist, die nacheinander durch die Subtraktionseinrichtung für die zwei Meßwege geliefert sind und daß
i) eine Vergleichsschaltung (26) vorhanden ist, welche mit der Subtraktionsschaltung und mit der Summationsschaltung verbunden ist, welche das eine der zwei Signale empfangend ist, die durch die Subtraktionsschaltung geliefert sind und die Summe der Signale der Summiereinrichtung und das Vergleichssignal an eine in ein digitales, für die Entwicklung der Reaktion repräsentatives Signal umwandelnde Kodierschaltung liefernd ist. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Subtraktionsschaltung (28) aus einem Operationsverstärker (18) gebildet ist, dessen Eingangskreis (27, 29) einen umschaltbaren Verstärkungsfaktor aufweist, welcher von einem ersten vorgegebenen Wert auf einen zweiten vorgegebenen Wert gemäß dem verwendeten Meßweg umschaltbar ist.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifikation einer Bakterie nach dem Anspruch 1 und eine für dieses Verfahren geeignete Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 2 und 3.
Bekannte Vorrichtungen dieser Gattung besitzen die Form von transparenten Platten und bestehen aus einer Vielzahl von Zellen, welche die rasche und automatische Injektion, entweder einzeln oder gruppenweise, von Bakteriensuspensionen in geringer Menge gestatten und so ausgebildet sind, daß die Bakterien gleichzeitig unter aeroben und unter anaeroben Bedingungen entwickelt werden können.
Es werden Farbreagenzien zugegeben oder diese sind bereits von Anfang an in den Zellen vorhanden. Während der Wärmebehandlung der Bakteriensuspension kann die Entwicklung der Bakterien den Farbumschlag eines Farbreagens, das Auftreten einer Farbe oder einer Trübung verursachen.
Die Intensität der entwickelten Reaktion in jeder Zelle wird durch ein Photometer gemessen. Die Dichte des Inhalts der Zelle wird bestimmt durch Vergleich des Signals, welches auf einem ersten Meßweg erhalten wurde, auf welchem eine Zelle angeordnet !,deren Inhalt analysiert werden soll, mit einem auf einem zweiten Meßweg erhaltenen Signal, auf welchem eine Zelle angeordnet ist, die eine Vergleichs-
probe mit bekannten Eigenschaften enthält. Dabei sind die Intensitäten des Lichtbündels an den Eingängen der Meßwege, d. h. in Lichtfortpflanzungsrichtung vor den Zellen, entweder gleich oder sie stehen in einem vorgegebenen Verhältnis. Die Messung kann durch einen Vergleich der beiden Signale durchgeführt werden, die gleichzeitig am Ausgang jedes der Meßwege vorliegen, d. h. in Lichtfortpflanzungsrichtung hinter den Zellen, indem die Dämpfung der Lichtintensität gemessen wird, die dem einen Lichtbündel zugefügt werden muß, damit die beiden Bündel am Ausgang der beiden Meßwege die gleiche Intensität besitzen. Man erhält damit durch Vergleich mit der optischen Dichte der Vergleichsprobe die optische Dichte des Inhalts der zu analysierenden Zelle. Diese Messung kann mehrere Male im Zeitablauf wiederholt werden, so daß man eine Kurve der Veränderung der optischen Dichte des Zellinhalts erhält, die für die Entwicklung der in der Zelle entwickelten Reaktion charakteristisch ist.
Solche Meßergebnisse sind jedoch nur dann als genau anzusehen, wenn die optischen Wege und die optischen Eigenschaften der Wände der beiden Zellen, nämlich der Zelle, welche die Vergleichsprobe enthält, und der Zelle, welche die zu analysierende Probe enthält, identisch sind.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, welches die Identifikation einer Bakterie rasch und genau ohne Störung durch etwa unterschiedliche Eigenschaften der verwendeten Zellen erlaubt.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren benutzt demnach nur die an der zu analysierenden Zelle erhaltenen Meßwerte und vermeidet damit Verfälschungen, die durch abweichende optische Eigenschaften der einzelnen Zellen entstehen können.
Eine für die Ausführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung ergibt sich aus Anspruch 2; eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zur weiteren Vergrößerung der Meßsicherheit und Vereinfachung der Bedienung ist durch Anspruch 3 gegeben.
Ar. Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nachfolgend das Identifikationsverfahren anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer automatischen Identifikationsvorrichtung für Bakterien.
Fig. 2 graphische Darstellungen der mit der Vorrichtung nach Fig. 1 erhaltenen Meßwerte,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Identifikationsvorrichtung, und
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Meßwerte, die mit der Vorrichtung nach Fig. 3 erhalten werden.
Die in Fig. 1 dargestellte Idemifikationsvorrichtung enthält eine Lichtquelle 1 und ein optisches System 2, das das von der Lichtquelle aasgesandte Lichtbündel in ein am Ausgang des optischem Systems 2 im wesentlichen paraM'r'es Lichtbündel umwandelt, dessen Durchmesser beispielsweise in der Größenordnung von S mm liegt.
Die Identifikationsvorrichtung enthält eine Vielzahl von Meßwegen. Das Spektrum des Lichtbündels ist für einen der Wege jeweils nach Fig. 1 durch ein Interferenzfilter 5 festgelegt, das zwischen den Linsen (z. B. Linse 3) des optischen Systems 2 und der Ausgangspupille 4 des optischem Systems angeordnet ist.
Es können beispielsweise in der Vorrichtung 12 Meßwege vorgesehen sein, die durch zehn Interferenzfilter, die zehn MeBwegen entsprechen, festgelegt sind und durch ein graues und ein schwarzes Glas, ■5 die zwei zusätzliche Meßwege ergeben. Diese zehn Filter, das graue und das schwarze Glas sind zweckmäßig mit gleichen Abständen auf dem Umfang eines Drehringes angeordnet. Der Drehring ist kodiert, so daß eine Bestimmung des augenblicklich verwendeten
in Meßweges zu jedem Zeitpunkt möglich ist.
Die mit Zellen, in denen jeweils eine Bakteriensuspension und gefärbte oder sich färbende Reagenssubstanzen enthalten ist, versehene Platte ist so angeordnet, daß die Mittenebene jeder Zelle, z. B. der Zelle 7,
ι j Schritt für Schritt durch entsprechende Steuerung der Verschiebung der Platte in der Ebene der Austrittspupille des optischen Systems 2 liegt. Ein zweites optisches System, in Fig. 1 durch die Linse 8 dargestellt, bildet die Austrittspupille des ersten optischen Sy-
-'(> stems 2 auf der Aufnahmefläche eines Detektors 10 ab. Dieser Detektor 10 ist ein Photovervielfacher und liefert ein Signal S1. Der Index / bezeichnet einen Meßweg j, der aus den zwölf möglichen Meßwegen ausgewählt ist. Damit ergibt sich
wobei T1 in dem Spektralbereich, der dem jeweiligen Meßweg ι entspricht, der im wesentlichen konstante Übertragungs- oder Durchlässigkeitskoeffizient der Zelle und ihres Inhalts ist und S] für den Meßweg i eine Photometerkonstante darstellt, die eine Funktion der durch die Lichtquelle ausgesandten Spektralenergie ist und durch die Übertragung des optischen Systems und des Filters und den Verstärkungsfaktor des Photovervielfachers bestimmt wird.
Dieses durch den Photovervielfacher 10 gelieferte Signal S1 wird einem ersten Verstärker 11 zugeführt, dessen Verstärkungsfaktor durch Veränderung des Gegenkopplungswiderstandes 12 in bezug auf den Widerstand des Eingangskreises des Verstärkers veränderbar ist. Für den gerade betrachteten Meßweg i ist der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 11 so auf einen Wert g, eingeregelt, daß man in einem Punkt der erhaltbaren Variationskurve eine optische Dichte Null erhält.
Das Signal g( · S1 liegt an einem logarithmischen Konverter 15 an, der mit einem Inverter 17 verbunden ist.
Ein zweiter logarithmischer Konverter 16 erhält ein konstantes Signal S0, das zu Beginn der Messung bestimmt wird und der Eigendurchlässigkeit einer Zelle entspricht. Dieses Signal wird dadurch ermittelt, daß in den Weg des Meßlichtbündels die mit destilliertem Wasser oder mit einer Bakteriensuspension ohne Reagens gefüllte Zelle gestellt wird. Die Signale log g(S- und log S0 werden nach Fig. 1 einem als Subtraktionsschaltung wirkenden Operationsverstärker 18 zugeführt. Dieser liefert ein Signal, das für die optische Dichte des Inhalts der Zelle beim jeweiligen Meßweg / repräsentativ ist.
Die Regelung des Verstärkungsfaktors g, des Verstärkers 11 wird so gesteuert, daß im Variatonsbereich des Hm Ausgang des Operationsverstärkers 18 erscheinenden Signals ein Wert Null erreichbar ist, so daß die Veränderungen über der Zeit im Ausgangssignal des Operationsverstärkers 18 den Änderungen der optischen Dichte der Lösung in der Zelle 7 von einem Ursprungswert aus entsprechen.
In der Praxis wird der Verstärkungsfaktor gi so geregelt, daß das Signal g ■ St am Ausgang des Verstärkers 11 folgenden Wert annimmt:
& ·
TOi
7\
1 = & ■ S' Tsi, wobei gt ■ S's ■ TQi = S0, wobei der Eigendurchlässigkeitskoeffizient der Zelle, der Durchlässigkeitskoeffizient der in der Zelle enthaltenen Lösung und
S0 das konstante, am logarithmischen Konverter 16 anliegende Signal ist;
dabei ist dieses Signal S0 repräsentativ für die Eigendurchlässigkeit der Zelle.
Damit ist der Verstärkungsfaktor gj so geregelt, daß sich über der Zeit am Ausgang des Operationsverstärkers 18 die Veränderung der optischen Dichte des Inhalts der Zelle ergibt, und zwar von einem Wert Null aus, bei dem die Entwicklung der Reaktion gleich Null ist.
Diese Regelung des Verstärkungsfaktors g; ergibt eine Verschiebung der Arbeitskurve, die die Veränderung der gemessenen optischen Dichte bezeichnet. Eine solche Verschiebung ist in Fig. 2 dargestellt.
In Fig. 2 sind mit C1 und C2 zwei Veränderungskurven der optischen Dichte d dargestellt, wie sie am Ausgang des Operationsverstärkers 18 erscheinen.
Diese Kurven entsprechen jeweils zwei verschiedenen Meßwegen; dabei ergeben die zwei gewählten Interferenzfilter optische Lichtbündel mit zwei verschiedenen Wellenlängen, die für zwei Reagens-Färbungen repräsentativ sind und die Messungen der Entwicklung der Reaktion in Anwesenheit des sich färbenden Reagens gestatten. Die beiden am Ausgang des Photovervielfachers 10 jeweils für die zwei Meßwege erscheinenden Signale sind für die relativen Konzentrationen dieser beiden Komponenten des sich färbenden Reagens repräsentativ.
Wenn beispielsweise als Indikatorfarbe Phenolrot gewählt ist, werden folgende Wellenlängen für die Messung der Entwicklung der Reaktion ausgewählt: 0,420 um, entsprechend dem Umschlag der Lösung nach Gelb, und 0,555 um, entsprechend dem Umschlag der Lösung nach Rot.
Die erhaltenen Meßkurven C1 und C2 sind als Funktion der Variationen eines Paramters ρ dargestellt, der für die Entwicklung der Reaktion charakteristisch ist. Es kann sich beispielsweise um den pH-Wert handeln. Die Kurven C1 und C2 werden aus zwei Kurven C1 und C2 abgeleitet, die durch die Veränderung der Signale am Ausgang des Inverters (Analogwandlers) 17 gegeben sind. Dabei sind die Kurven so verschobenworden, daß beim Parameterwert p, eine Entwicklung der Reaktion »Total« angenommen wird und daß beim Paramter d2 eine Entwicklung der Reaktion »Null« angenommen wird.
Bei einer (nicht dargestellten) Abwandlung können die Kurven C1 und C2 so verschoben sein, daß bei einem bestimmten Wert des Parameters ρ jede der Kurven einen bestimmten Punkt durchläuft, beispielsweise kann dort ein Schnittpunkt der beiden Kurven liegen.
Die erhaltenen Kurven C, und C2 stellen jeweils bei der betrachteten Wellenlänge die Veränderungen der optischen Dichte des Zelleninhalts dar, ausgehend von einem Ursprung, in welchem die optische Dichte mit Null angenommen ist.
Der Operationsverstärker 18 ist über einen in zwei Stellungen 20 und 21 steuerbaren Umschalter mit zwei Analogspeichern 23 und 24 verbunden. In der in Fig. 1 durchgezogen dargestellten Schalterstellung 20 wird das am Ausgang des Operationsverstärkers 18 für den Meßweg i = 1 erscheinende Signal d] in den Speicher 23 eingegeben, während das Signal d2, ' das am Ausgang des Operationsverstärkers 18 für einen Meßweg i = 2 erscheint, in den Speicher 24 eingegeben wird. Dann ist die in Fig. 1 unterbrochen eingezeichnete Stellung 21 eingestellt. Die beiden Meßwege / = 1 und / = 2 entsprechen den beiden
ι ο Wellenlängen, die für die Messung der Entwicklung der Reaktion charakteristisch sind. Diese beiden Signale werden einer Summationsschaltung 25 zugeführt, in der die Summe άλ + d2 gebildet wird, während eines dsr beiden Signale, beispielsweise das Signal d2 in einer Vergleichsschaltung 26 mit dem Wert d1 + d2 verglichen wird. In dieser Vergleichsschaltung 26 wird das Signal d2 als charakteristisches Signal der Entwicklung der Reaktion in bezug auf die Summe dx + d2 angesehen, die als charakteristisches
Bezugssignal für die Meßbedingungen angenommen wird. Diese Vergleichsschaltung ermittelt in Reaktion auf den Wert des Signals d2, bezogen auf d] + dv ein digitales Signal, das einen im Bereich von 1 bis η liegenden Wert annehmen kann. Dieser Bereich ist im
:r> voraus entsprechend einer Entwicklung Null und einer Entwicklung Total der Reaktion festgelegt. Dieses digitale Ergebnis wird direkt zur Identifikation der Bakterie ausgewertet.
In Fig. 3 sind der Ausgang des Inverters 17 und
jo des zweiten logarithmischen Konverters 16 mit dem Eingang einer Subtraktionsschaltung 28 mit umschaltbarer Verstärkung verbunden. Diese Subtraktionsschaltung 28 besitzt einen Verstärkungsfaktor Ax für den ersten Meßweg und A2 für den zweiten Meß weg.
In dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Subtraktionsschaltung 28 mit umschaltbarer Verstärkung durch einen Operationsverstärker 18 gebildet, der mit einem Rückkopplungswiderstand 19 versehen ist und zwei, wahlweise über einen Schalter 30 einschaltbare, Eingangskreise, hier als variable Eingangswiderstände 27 und 21, die in einer Voreichung oder Vorabkalibrierung so eingestellt sind, daß ihre Widerstände in Ohm umgekehrt proportional zu den Werten A1 bzw. A2 sind.
Die Subtraktionsschaltung 28 ist über einen Umschalter mit zwei Stellungen 20 und 21 mit zwei Analogspeichern 23 und 24 verbunden. In der durchgezogen dargestellten Stellung 20 wird das Signal Ax ■ dx, welches beim ersten Meßweg am Ausgang der Subtraktionsschaltung 28 erscheint, in den Speicher 23 gegeben, während das Signal A2 ■ d2, das beim zweiten Meßweg am Ausgang der Subtraktionsschaltung 28 erscheint, über die gestrichelt gezeichnete Stellung 21 in den Analogspeicher 24 gegeben wird.
In der sehematischen Darstellung in Fig. 4 sind die für die Dichtevariationen dx und d2 repräsentative Kurven als Funktion eines Parameters ρ dargestellt. Dieser Parameter kann beispielsweise der pH-Wert, jedoch auch der Zeitablauf sein. Ebenfalls sind die beiden Kurven dargestellt, die für die Veränderung
der Analogsignale A1 ■ dx und A2 · d2 repräsentativ
sind, und in den Speichern 23 und 24 anliegen.
Diese Kurven können erreicht werden durch eine
b5 Regelung des Verstärkungsfaktors gi des Verstärkers 11 in der Weise, daß d, bzw. d2 in den Entwicklungsstadien Null bzw. Total der Reaktion gleich Null sind (Punkte p, und p2 der Kurven d2 bzw. άλ).
In einem zweiten Verfahrensschritt des Identifikationsverfahrens wird, ausgehend von den zwei Analogsignalen, ein drittes Analogsignal als zunehmende Funktion der Entwicklung der Reaktion ermittelt.
Zu diesem Zweck werden die Signale Ax ■ dx und A2d2 einer Summationsschaltung 25 zugeführt, während das eine der beiden gespeicherten Signale, beispielsweise das im Analogspeicher 24 befindliche Signal, mit der Summe der beiden Signale in einer Vergleichsschaltung 26 verglichen wird. In dieser Vergleichsschaltung wird in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis ein Digitalsignal ermittelt, das in einem Wertbereich von 1 bis η liegt; der Wertbereich ist entsprechend einer Entwicklung Null und einer Entwicklung Total der Reaktion im voraus festgelegt. Dieses digitale Signal wird direkt für die Identifikation der Bakterie ausgewertet.
Wie bereits bemerkt, ist es vorteilhaft, Ax und A2 so zu wählen, daß die Werte A, · dx und A2 ■ d2 jeweils in den Entwicklungsstadien Null bzw. Total der Reaktion einander gleich sind (Punkte Q'x und Q'2 der Kurven in Fig. 4). Die lineare Funktion Ax ■ dx + A2- d2 ist dann im wesentlichen während der gesamten Reaktionsdauer konstant und bildet einen Bezugswert, der zur Bestimmung des Reaktionszustandes geeignet ist.
Dazu werden die Verstärkungsfaktoren A1 und A2
der Subtraktionsschaltung 28 so gewählt, daß sich in den Entwicklungsstadien Null bzw. Total am Ausgang der Subtraktionsschaltung Ax ■ dx = A1 ■ d2 ergibt.
Mit diesem Verfahren ist es möglich, mit großer Genauigkeit die bakteriologischen Reaktionen auszuführen und damit die Identifikation der untersuchten Bakterien zu bestimmen; dabei sind in den in Fig. 1 und 3 gezeigten Ausführungsformen herkömmliche Operationsverstärker verwendet.
Bei jeder Ausführungsform wird durch ein (nicht dargestelltes) zentrales Steuer- oder Kontrollorgan die Synchronisation zwischen der Steuerung des Zellenwechsel durch Erfassung der Verschiebung der Platte und die Steuerung der aufeinanderfolgenden Messungen in den zwei ausgewählten Meßwegen, im dargestellten Fall (Fig. 3) auch die Steuerung der Umschaltung des Verstärkungsfaktors in der Schaltung 28 und die Umschaltung der beiden Schalterstellen 20 und 21 zur Eingabe an die Speicher 23 und 24 bewirkt.
Bei einer nicht dargestellten weiteren Ausführungsform wird für eine Messung der Trübung des Inhalts einer Zelle ein Signal d0 statt des Signals d} + d2 oder Ax- dx + A2- d2 eingesetzt, wobei dieses Signal d0 einer Entwicklung Null der Reaktion entspricht. Dieser Wert d0 wird unter Beeinflussung einer äußeren Programmsteuerung eingesetzt.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Identifikation einer Bakterie durch Messung der Entwicklung von Reaktionen in einer Vielzahl von Zellen zwischen einer Suspension der zu identifizierenden Bakterie mit einer chemischen Substanz mittels einer photometrischen Vorrichtung, wobei die chemischen Substanzen von einer Zelle zur anderen verschie- ι ο den sind, dadurch gekennzeichnet, daß
a) ein erstes analoges Signal ermittelt wird, welches für die optische Dichte des Inhalts der Zelle repräsentativ ist und
b) ein zweites analoges Signal, welches für die ι "> optische Dichte des Inhalts der Zelle repräsentativ ist, und zwar mit einer ersten und einer zweiten Wellenlänge, welche für die Entwicklung der Reaktion unter Anwesenheit der chemischen Substanz repräsentativ ^o ist, dab
c) aus diesen zwei analogen Signalen ein drittes analoges Signal als Funktion der wachsenden Entwicklung der Reaktion ermittelt wird, und daß -'">
d) dieses dritte Signal in bezug auf einen bereich von kodierten Variationen kodiert wird, welcher zwischen zwei im voraus aufgebauten Werten variabel ist, welche jeweils eine Entwicklung Null und eine Entwicklung Total in der Reaktion darstellen, um gemäß dem Wert dieses dritten kodierten Signals eine Identifikation der Bakterie zu ermöglichen.
2. Photometrische Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Identi- r> fikation einer Bakterie durch Messung der Entwicklung der Bakterie unter Anwesenheit von chemischen Substanzen, welche einen Farbindikator enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß
a) ein erster und ein zweiter Meßweg vorgese- 4ii hen sind, welche durch ein erstes und ein zweites Interferenzfilter (5) gebildet sind, welche hintereinander auf dem Weg eines Lichtbündels zwischen einer Lichtquelle (1) und einer Zelle (7) angeordnet sind, daß <r>
b) die Filter das die Zelle durchschreitende Lichtbündel nacheinander eine erste und eine zweite, für die zwei Komponenten des Farbindikators repräsentative Wellenlänge annehmend sind, daß >n
c) weiterhin ein das die Zelle durchlaufende Lichtbündel aufnehmender Photovervielfacher (10) vorgesehen ist, daß
d) weiterhin ein Verstärker (11) mit variabler Verstärkung vorhanden ist, welcher mit dem r>r> Ausgang des Photovervielfachers verbunden ist und jedes der zwei durch den Photovervielfacher (10) für jeden der zwei Meßwege ausgesandte Signal aufnehmend ist, daß
e) weiterhin ein logarithmischer Konverter (15) wi vorhanden ist, welcher mit dem Verstärker verbunden ist, daß
f) ein zweiter logarithmischer Konverter (16) vorgesehen ist, welcher nacheinander zwei Signale empfangend ist, von denen das eine hr> und das andere konstant sind, welche vor der Messung durch den Vervielfacher ermittelt worden sind, und zwar für jede der ausgeg)
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