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Biophotometer 16

Verwendungszweck

Das Biophotometer 16 dient zur Trübungsmessung an Bakterienkulturen in Nährlösung, um automatisch die Dichte der Bakterienpopulation zu erfassen, besonders deren Änderung im Verlauf eines Wachstumprozesses (Nephelometer).

Bild 1 Biophotometer 16

Es wurde entwickelt als Alternative zu Lösungen mit einem Roboter, der Reagenzgläser aus einem Regal entnimmt und in ein optisches Messgerät einsetzt. Das Biophotometer erfüllt den gleichen Zweck mit wesentlich geringerem Aufwand und benötigt eine Stellfläche von weniger als 50 x 50 cm. Als zusätzlicher Vorteil stellte sich im praktischen Betrieb heraus, dass ein Zerbrechen der Reagenzgläser und der damit verbundene Abbruch des Experiments nicht vorkommt, da die Reagenzgläser während des gesamten Wachstums- und Messablaufs überhaupt nicht bewegt werden.

Es können bis zu 16 Reagenzgläser (möglichst optisch gute Qualität) mit 16 mm Durchmesser eingesetzt und gleichzeitig über den gewünschten Zeitraum gemessen werden. Die Messung erfolgt in programmierbaren Zeitabständen, gemessen wird die Trübung des Inhalts durch Erfassung der seitlichen Streuung. Die Daten werden an den steuernden PC übermittelt, aber nötigenfalls im Gerät gespeichert, so dass keine ständige Verbindung zum PC erforderlich ist, z.B. nachts. Das Gerät kann mit MacFarland-Standards kalibriert werden, die Anzeige erfolgt in MacFarlandeinheiten bis 2,0. Die einer bestimmten Trübung entsprechende Anzahl Mikroorganismen ist natürlich für jede Art verschieden und muss einmalig durch Auszählen bestimmt werden, ein daraus abgeleiteter Faktor kann in der Auswertesoftware leicht berücksichtigt werden. Für viele Zwecke reichen aber vergleichende Messungen.

Messanordnung

Bild 2 Messanordnung

Die Reagenzgläser befinden sich in einem luft- und lichtdicht abgeschlossenen Behälter und werden von Lippen aus Silikongummi gehalten.

Die optischen Sender und Empfänger sind im 90-Grad-Winkel am Reagenzglas positioniert.

Ober- und unterhalb der Messeinrichtung befinden sich massive, elektrische beheizte Alu-Blöcke zur Temperierung der Nährlösung. Die Temperatur kann im Programm gewählt werden, muss aber oberhalb der Raumtemperatur liegen, da keine Kühlung vorgesehen ist. Alternativ können auch statt der elektrischen Heizung die Alublöcke mit Anschlüssen an einen externen Flüssigkeitskreislauf angeschlossen werden, dessen Temperatur nach Wunsch geregelt wird. In diesem Fall wird die Temperatur im Gerät nicht geregelt, aber mit den Messungen aufgezeichnet.So kann auch gekühlt werden, der Nachteil ist jedoch, dass an den gleichen Kreislauf angeschlossene Biophotometer nicht bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten können.

Unterhalb der Trägerplatte für die Reagenzgläser befindet sich für jedes einzelene Reagenzglas ein elektrisch angetriebener Magnet, der programmgesteuert einen magnetischen Rührstein im Glas in Drehung versetzen kann. Die Magnete werden von einem gemeinsamen Motor angetrieben, so dass Beschleunigung, Drehzahl und Rührdauer für alle Reagenzgläser gleich ist. Die Werte dafür werden vor dem Start im Steuerprogramm eingegeben, üblich ist z.B. vor jeder Messung einige Sekunden umzurühren.

Aufnahme der Reagenzgläser

Bild 3 Reagenzglas-Aufnahme

Es werden Reagenzgläser mit 16 mm Durchmesser und einer Länge von mindestens 100 mm vom Boden bis zum Deckel eingesetzt.

Die Reagenzgläser werden einfach von oben eingesteckt und von Lippen aus Silikongummi gehalten. Die zum Kalibrieren verwendeten MacFarland-Standardlösungen sollten in den gleichen Reagenzgläsern eingesetzt werden wie die zu messenden Kulturen.

Prinzipiell können Sonderausführungen erstellt werden für andere Probenbehälter, z.B. Erlenmayer-Kolben, je nach Grösse sind dann weniger als 16 Mess-Stationen möglich.

Rührantrieb

Bild 4 Rührantrieb

Unter jedem Reagenzglas befindet sich ein Magnet, mit dem ein in das Glas einsetzter magnetischer Rührstein in Drehung versetzt werden kann. Dies dient dazu, Nährmedium und Mikroorganismen gut zu durchmischen, besonders vor jeder Messung der Trübung bzw. Organismendichte.

Alle Magnete werden gemeinsam von einem elektronisch gesteuerten Motor angetrieben. Die Drehzahl wird per Programm vorgegeben und mit einem Sensor überwacht. Im Steuerprogramm kann eingestellt werden, mit welcher Beschleunigung der Antrieb auf die eingestellte Drehzahl hochläuft und zu welchen Zeitpunkten innerhalb des Messzyklus das Rühren beginnt und endet. Während der optischen Messung wird nicht gerührt, sie dauert nur wenige Sekunden.

Optisches Messsystem

Bild 5 Lichtleiter

Zum Schutz der hochempfindlichen optischen Messelektronik werden die Sensoren nicht im Probenraum installiert, sondern das zur Messung benutzte Licht wird mit Lichtleitern in den abgedichteten Probenraum und an die entsprechenden Reagenzgläser geführt. Die Lichtleiter werden mit nummerierten Steckverbindern mit den Lichtquellen und den Photosensoren auf den entsprechenden Steckmodulen verbunden.

Die Lichtleiter von Sendern und Empfängern bilden an den Reagenzgläsern einen Winkel von 90 Grad, so dass die Empfänger kein direktes Licht erhalten, sondern das an den Mikroorganismen seitwärts gestreute Licht.

Bild 6 Messmodule Empfänger, Sender

Die Messmodule werden bei der Inbetriebnahme und bei Reparaturen mit Hilfe optischer Messgeräte so eingestellt, dass sich die gewünschten Messbereiche ergeben. Die Kalibrierung im Betrieb erfolgt in der geschlossenen Schleife wie die normalen Messungen, dazu werden MacFarland-Standard-Lösungen anstelle der Nährlösungen in den gleichen Reagenzgläsern verwendet. Am zweckmässigsten ist die Verwendung von 2 Standards, die ungefähr den zu erwartenden Wertebereich abdecken, z.B. Standards mit 0,1 und 1,0 MacFarland-Einheiten. Die Standards werden in die Halterung gesteckt, die am Display des Biophotometers angegeben ist, das Gerät misst die beiden Standards und errechnet die nötige Interpolation für die folgenden Messvorgänge. Es wird nur je ein niedriger und ein hoher Standard benötigt, diese werden nach Aufforderung nacheinander in die Reagenzglasaufnahmen 1 bis 16 gesteckt, siehe Betriebsanleitung.

Software

Bild 7 Parameter-Eingabe

Die Kalibrierung ist der einzige Vorgang, der direkt am Gerät ausgeführt wird, die Messaufgaben werden am angeschlossenen Computer konfiguriert, gestartet und gestoppt. Dazu muss das Biophotometer mit dem Computer verbunden sein, während der Messvorgänge ist das nicht dauernd erforderlich, da die Messwerte im Gerät zwischengespeichert werden.

Während die Verbindung steht können die bis dahin erfassten Messwerte jederzeit in einer Übersicht aller 16 Kanäle aufgerufen werden, um den Fortgang des Wachstums zu beobachten und gegebenenfalls die Messungen zu stoppen.

Typischerweise zeigen die Diagramme einige Zeit, bis das Wachstum einsetzt, danach einen exponentiellen Anstieg der Dichte und schliesslich einen Zusammenbruch der Population, wenn das Nährmedium aufgebraucht ist.

Bild 8 Übersicht über 16 Kanäle

Zur genaueren Untersuchung können Diagramme aufgerufen werden mit bestimmten ausgesuchten Kanälen, siehe Bild 9. Es sind 2 Kanäle und die Temperatur dargestellt. Die Zusammenstellung kann beliebig erfolgen und das Diagramm ausgedruckt werden. Die Daten werden auf dem Computer unter ihrer Projektnummer gespeichert.

In der Auswertungssoftware können verschiedene Filter angewandt werden, um die Kurven zu glätten. Ebenso kann eine Fehler-Eliminierung nach dem 3-Sigma-Verfahren durchgeführt werden.

Für externe Verarbeitung können die Messwerte als Textdatei exportiert oder direkt in ein Excel-Arbeitsbaltt übergeben werden. 

Bild 9 Messwert-Diagramm

An einem Computer können bis zu 16 Biophotometer gleichzeitig betrieben werden.