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CN118703321A - 一种全自动细菌生长检测系统及其检测方法 - Google Patents

一种全自动细菌生长检测系统及其检测方法 Download PDF

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CN118703321A
CN118703321A CN202410794254.9A CN202410794254A CN118703321A CN 118703321 A CN118703321 A CN 118703321A CN 202410794254 A CN202410794254 A CN 202410794254A CN 118703321 A CN118703321 A CN 118703321A
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CN
China
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automatic
plate
detection
bacterial growth
mechanical arm
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Application number
CN202410794254.9A
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English (en)
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周晴
杨永锋
冯颖杰
杨宗灿
杨金初
王艺璇
魏明杰
张婷婷
刘文召
骆震
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China Tobacco Henan Industrial Co Ltd
Original Assignee
China Tobacco Henan Industrial Co Ltd
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  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

本发明公开了一种全自动细菌生长检测系统及其检测方法,该系统包括超净工作台,其侧边集成设置有恒温恒湿培养箱和耗材架、前侧边集成有多功能酶标仪;全自动液体处理工作站,其包括自动化物料转移系统,自动化物料转移系统集成设置于超净工作台内部,自动化物料转移系统包括移板机械臂、8通道移液机械臂及96通道移液机械臂,自动化物料转移系统通过控制器控制以确保在检测过程中物料的自动化转运。本申请的自动化细菌生长检测系统,其实现高度自动化,连续且精准的细菌生长检测系统及其检测方法,解决高OD600值检测不准确的问题,通过整合自动稀释步骤,大幅减少人工参与,降低污染风险,提升整体技术水平和经济效益。

Description

一种全自动细菌生长检测系统及其检测方法
技术领域
本发明涉及生物技术领域,特别涉及一种全自动细菌生长检测系统及其检测方法。
背景技术
在微生物工程与发酵生产工艺中,连续、准确地检测细菌生长动态至关重要。当前行业普遍采用OD600吸光度值作为评估微生物悬浮液密度的指标,以此间接反映细菌生长进程。细菌生命周期常被分为延迟期、对数生长期、稳定期和衰亡期四个关键阶段。细菌发酵产酶过程中,在对数生长期繁殖迅速,此时酶的合成速度与细菌增长同步,可通过OD600值的快速升高预测产酶高峰期。而在稳定期,尽管菌体数量增速放缓,但细胞内积累的酶活性往往达到峰值。因此,了解细菌所处生命周期的阶段对于优化发酵过程参数,具有重要的理论指导意义。
然而,现行的OD600值检测手段普遍存在局限性。常规的人工定时取样及后续通过分光光度计测定的做法,不仅增加了操作复杂性,同时伴随着较高的污染风险,难以实现对细菌生长过程的自动化、连续监控。另外,尽管市场上已出现集成在小型培养器上的自动化分光光度计检测系统,能够实现整个发酵过程的连续、实时OD600值检测,但当OD600值超过0.8时,测量结果的准确性显著下降,这是现有技术亟待解决的关键痛点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种全自动细菌生长检测系统及其检测方法,该系统包含了集成多仪器的硬件设施和由计算机控制的主控系统,以实现对微生物发酵过程中细菌生长的全程自动化、连续且精准的检测。
本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的:
一种全自动细菌生长检测系统,包括:
超净工作台,其侧边集成设置有恒温恒湿培养箱和耗材架、前侧边集成有多功能酶标仪;
全自动液体处理工作站,其包括自动化物料转移系统,所述自动化物料转移系统集成设置于所述超净工作台的内部,所述自动化物料转移系统包括具有三维移动功能的移板机械臂、8通道移液机械臂及96通道移液机械臂,所述自动化物料转移系统通过控制器控制以确保在检测过程中物料的自动化转运。
优选地,所述全自动细菌生长检测系统还包括:用于确保超净工作台无菌条件的紫外灭菌装置、确保观测的照明灯以及用于异常情况警示的声光报警灯以及用于恒温恒湿培养箱振荡培养的振荡装置。
优选地,所述移板机械臂用于耗材的自动化转移,所述8通道移液机械臂和96通道移液机械臂用于样本转移、稀释和处理。
优选地,所述控制器与主控系统相连,所述主控系统具有逻辑编程功能,所述编程功能包括变量设置、逻辑判断、循环控制以及定时等待。
一种利用全自动细菌生长检测系统进行自动化细菌生长检测的方法,包括以下步骤:
S1、准备阶段:按照工作站布局,预先放置好已接种种子液的96深孔板、用于OD600值检测的96微孔板、枪头盒以及废针站;
S2、设置变量:通过主控设定各项变量,包括96深孔板的位置布局、微生物取样体积、稀释用水体积、循环次数(Loop循环数)和循环间隔时间;
S3、自动化OD600值检测:通过控制器控制全自动液体处理工作站执行菌液取样、稀释及OD600值检测;
S4、数据处理与分析:完成预设循环次数后,进行数据处理,并保留数据。
优选地,步骤S3具体包括以下步骤:
S31、利用移板机械臂将样品板从超净工作台台面转移至恒温恒湿培养箱;
S32、启动振荡培养并同步启动计时;
S33、计时结束后,通过自动化物料转移系统依次执行样品板转移回超净工作站台面、打开样品板板盖、样品混匀、定量转移至96微孔板和稀释操作;
S34、通过移板机械臂自动执行样品板板盖复位并自动送回恒温恒湿培养箱;
S35、再次利用移板机械臂将96微孔板转移至多功能酶标仪进行OD600值检测;
S36、检测完成后,移板机械臂自动执行96微孔板复位操作;
S37、循环执行S32-S36的步骤,实现自动化OD600值检测。
优选地,步骤S4具体为:当所有预设的循环次数执行完毕后,主控系统自动触发终止培养程序,并保存所采集的全部检测数据。
优选地,通过调整菌液取样体积与稀释水量的比例,以保证OD600值始终保持在0.8以下的有效测量范围。
优选地,利用主控系统进行逻辑判断,当需要更换96微孔板时,自动化物料转移系统自动更换并继续检测流程。
本发明上述技术方案,具有如下有益效果:
本申请的自动化细菌生长检测系统,其实现高度自动化,连续且精准的细菌生长检测系统及其检测方法,解决高OD600值检测不准确的问题,通过整合自动稀释步骤,大幅减少人工参与,降低污染风险,提升整体技术水平和经济效益。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例,并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1为自动化细菌生长检测系统的结构示意图。
图2为转移并稀释样本至接收板示意图。
图3为芽孢杆菌HJ-03菌株生长曲线。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到:除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
实施例1全自动细菌生长检测系统
如图1所示,一种全自动细菌生长检测系统,包括集成设置的超净工作台1、恒温恒湿培养箱2、耗材架8、多功能酶标仪3以及全自动液体处理工作站4。该体统整合了核心组件,以实现自动化细菌生长检测。以下详细来说:
超净工作台1,用于保障无菌操作环境,侧边集成设置维持恒定培养条件的恒温恒湿培养箱2和存放耗材的耗材架8、前侧边集成精确测定OD600值的多功能酶标仪3。
全自动液体处理工作站4,用于承担自动化液体处理任务,其集成设置于超净工作台1的内部,包括自动化物料转移系统,该系统包括具有三维移动功能的移板机械臂41、8通道移液机械臂42及96通道移液机械臂43,该系统通过控制器控制以确保在检测过程中物料的自动化转运。这些机械臂依照主控系统的指令,能够灵活地在超净工作台1台面上空进行前后、左右移动,完成各类物料(包括样本、试剂、耗材等)在不同仪器设备之间的高效转运。其中,移板机械臂41主要负责耗材的自动化转移,而8通道移液机械臂和96通道移液机械臂则承担样本转移、稀释和处理等操作,尤其是96通道移液机械臂,特别适用于大批量样本的高速处理需求。
具体地,全自动细菌生长检测系统还包括辅助系统,以确保仪器设备能够在理想条件下运行。系统包括:用于确保超净工作台1无菌条件的紫外灭菌装置、确保观测的照明灯以及用于异常情况警示的声光报警灯以及用于恒温恒湿培养箱2振荡培养的振荡装置等。
具体地,主控系统具备强大且灵活性高的编程功能,支持用户自定义并执行一系列完整的实验流程,包括但不限于变量设置(Set Variable)、逻辑判断(If-Then逻辑)、循环控制(Loop循环)以及定时等待(Wait for Timer)等功能。通过预先编程,本发明能够根据创建的实验流程,按照预定的时间间隔自动执行菌液取样、稀释及OD600值检测等步骤,确保在无人值守状态下也可连续、定时且精确地进行OD600值的自动测定。
耗材架8作为整个检测流程的重要组成部分,保证了实验过程的连续性。当用于OD600值检测的接收板使用完毕后,系统会通过移板机械臂自动将其从工作站台面转移至耗材架的指定回收区域,同时从耗材架8取用新的接收板(96微孔板)放到工作站台面的预设位置,以供后续检测使用。
实施例2检测方法
一种利用全自动细菌生长检测系统进行自动化细菌生长检测的方法,包括以下步骤:
S1、准备阶段:按照工作站布局,预先放置好已接种种子液的96深孔板、用于OD600值检测的96微孔板、枪头盒以及废针站;
S2、设置变量:通过主控设定各项变量,包括96深孔板的位置布局、微生物取样体积、稀释用水体积、循环次数(Loop循环数)和循环间隔时间等;通过设置这些变量,使得系统更富灵活性,确保在不同的样本量和布局情况下也能便捷地使用本系统进行检测;
S3、自动化OD600值检测:通过控制器控制全自动液体处理工作站执行菌液取样、稀释及OD600值检测;
S4、数据处理与分析:完成预设循环次数后,进行数据处理,并保留数据。
具体地,步骤S3具体包括以下步骤:
S31、利用移板机械臂41将样品板5从超净工作台1台面转移至恒温恒湿培养箱2;
S32、启动振荡培养并同步启动计时;
S33、计时结束后,通过自动化物料转移系统依次执行样品板5转移回超净工作台1台面、打开样品板板盖6、样品混匀、定量转移至96微孔板7和稀释操作;
S34、通过移板机械臂41自动执行样品板板盖6复位并自动送回恒温恒湿培养箱2;
S35、再次利用移板机械臂41将96微孔板7转移至多功能酶标仪3进行OD600值检测;
S36、检测完成后,移板机械臂41自动执行96微孔板7复位操作;
S37、循环执行S32-S36的步骤,实现自动化OD600值检测。
具体地,步骤S4具体为:当所有预设的循环次数执行完毕后,主控系统自动触发终止培养程序,并保存所采集的全部检测数据
在定量转移样品后,迅速将板盖复位并送回恒温恒湿培养箱,可以最大限度地维持微生物生长环境的稳定性;利用主控系统中的If-then逻辑判断,当判断需要更换96微孔板时,系统会自动使用移板机械臂将已用完的微孔板移至耗材架,并同时调用新的微孔板,确保整个流程无缝衔接且无需人工干预。通过调整菌液取样体积与稀释水量的比例,确保OD600值始终保持在0.8以下的有效测量范围,从而提高数据的可靠性。另外,通过If-then逻辑判断当前Loop循环是否为最后一个循环,如果是最后一个循环,那么,在样品板板盖复位后,无需执行送回恒温恒湿培养箱的动作。利用主控系统进行逻辑判断,当需要更换96微孔板7时,自动化物料转移系统自动更换并继续检测流程。
应用例1
利用上述实施例1的全自动细菌生长检测系统,对一株名为Bacillussp.HJ-03的芽孢杆菌菌株生长情况进行自动化检测。该菌株已在中国典型培养物保藏中心进行保藏,保藏日期为2023年10月20日,保藏地址:武汉大学,保藏编号为CCTCC NO:M 20231958。
采用本发明的自动化细菌生长检测系统进行检测,具体操作步骤如下:
(1)菌种活化:采用平板划线法将HJ-03菌株接种于LB固体培养板,35℃条件下培养24h;
(2)制备种子液:用接种环挑取步骤(1)中的菌落,接入LB液体培养基中,在同样条件下(35℃、180rpm)培养12h,制得种子液;
(3)准备样品板:将步骤(2)中的种子液按照1%的比例接种至96深孔板,并用LB液体培养基补足至每孔总体积1.8mL;每孔体积不超过1.8mL,以保证振荡安全及防止孔间样品交叉污染。
(4)将样品板放置于全自动液体处理工作站台面上,进入自动化检测阶段。具体步骤包括:
1)利用移板机械臂将样品板转移至恒温恒湿培养箱;
2)启动振荡培养并开始计时;
3)计时完成后,通过移板机械臂将样品板从恒温恒湿培养箱转移回工作站台面,并将样品板板盖转移至指定位置;
4)采用8通道移液机械臂获取新的枪头后对样品吹打混匀,随后吸取50uL样品转移至96微孔板,更换新枪头后吸取150uL水进行稀释;
5)通过移板机械臂自动执行样品板板盖复位,并将样品板再次转移回恒温恒湿培养箱;
6)继续通过移板机械臂将已加样,并稀释的96微孔板送至多功能酶标仪进行OD600值检测;
7)检测完成后,移板机械臂自动将96微孔板复位。
以上步骤2)至7)作为一个循环单元,反复执行直至完成所有预设的循环次数。其中,步骤4)的具体操作过程可参考附图2所示。
(5)当所有预设的循环次数执行完毕后,主控系统会自动触发终止培养程序,并完整保存所采集的全部检测数据。
图3展示了应用本发明的全自动细菌生长检测系统及其检测方法得到的芽孢杆菌HJ-03菌株生长曲线。从该曲线可以清晰地看出,该系统能有效地对细菌生长过程中OD600值进行长时间、连续且高精度的自动化检测,并能准确判断细菌生长的不同阶段,例如,HJ-03菌株在接种种子液10h后进入了生长稳定期,并在此阶段持续约7h。
本发明提出的自动化细菌生长检测系统及其检测方法有效地解决了现有技术中连续性和精确性不足的问题,显著提升了微生物生长过程中细菌生长检测的自动化水平,为科研和工业应用提供了重要的技术支持。
虽然本发明已以实施例公开如上,然其并非用于限定本发明,任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种不同的选择和修改,因此本发明的保护范围由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种全自动细菌生长检测系统,其特征在于,包括:
超净工作台(1),其侧边集成设置有恒温恒湿培养箱(2)和耗材架(8)、前侧边集成有多功能酶标仪(3);
全自动液体处理工作站,其包括自动化物料转移系统(4),所述自动化物料转移系统(4)集成设置于所述超净工作台(1)的内部,所述自动化物料转移系统(4)包括具有三维移动功能的移板机械臂(41)、8通道移液机械臂(42)及96通道移液机械臂(43),所述自动化物料转移系统(4)通过控制器控制以确保在检测过程中物料的自动化转运。
2.根据权利要求1所述的全自动细菌生长检测系统,其特征在于,所述全自动细菌生长检测系统还包括:用于确保超净工作台(1)无菌条件的紫外灭菌装置、确保观测的照明灯以及用于异常情况警示的声光报警灯以及用于恒温恒湿培养箱(2)振荡培养的振荡装置。
3.根据权利要求1所述的全自动细菌生长检测系统,其特征在于,所述全自动液体处理工作站还包括驱动装置,所述驱动装置通过控制器与所述自动化物料转移系统(4)相连接。
4.根据权利要求3所述的全自动细菌生长检测系统,其特征在于,所述移板机械臂(41)用于耗材的自动化转移,所述8通道移液机械臂(42)和96通道移液机械臂(43)用于样本转移、稀释和处理。
5.根据权利要求1所述的全自动细菌生长检测系统,其特征在于,所述控制器与主控系统相连,所述主控系统具有逻辑编程功能,所述编程功能包括变量设置、逻辑判断、循环控制以及定时等待。
6.一种利用权利要求1-5任一所述的全自动细菌生长检测系统进行自动化细菌生长检测的方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、准备阶段:按照工作站布局,预先放置好已接种种子液的96深孔板、用于OD600值检测的96微孔板、枪头盒以及废针站;
S2、设置变量:通过主控设定各项变量,包括96深孔板的位置布局、微生物取样体积、稀释用水体积、循环次数和循环间隔时间;
S3、自动化OD600值检测:通过控制器控制全自动液体处理工作站执行菌液取样、稀释及OD600值检测;
S4、数据处理与分析:完成预设循环次数后,进行数据处理,并保留数据。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,步骤S3具体包括以下步骤:
S31、利用移板机械臂(41)将样品板(5)从超净工作台(1)台面转移至恒温恒湿培养箱(2);
S32、启动振荡培养并同步启动计时;
S33、计时结束后,通过自动化物料转移系统依次执行样品板(5)转移回超净工作站(1)台面、打开样品板板盖(6)、样品混匀、定量转移至96微孔板(7)和稀释操作;
S34、通过移板机械臂(41)自动执行样品板板盖(6)复位并自动送回恒温恒湿培养箱(2);
S35、再次利用移板机械臂(41)将96微孔板(7)转移至多功能酶标仪(3)进行OD600值检测;
S36、检测完成后,移板机械臂(41)自动执行96微孔板(7)复位操作;
S37、循环执行S32-S36的步骤,实现自动化OD600值检测。
8.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,步骤S4具体为:当所有预设的循环次数执行完毕后,主控系统自动触发终止培养程序,并保存所采集的全部检测数据,绘制微生物生长曲线。
9.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,通过调整菌液取样体积与稀释水量的比例,以保证OD600值始终保持在0.8以下的有效测量范围。
10.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,利用主控系统进行逻辑判断,当需要更换96微孔板(7)时,自动化物料转移系统自动更换并继续检测流程。
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