本文介绍了一种建立一种适应性强、成本低、可运输的饮用水微生物检测孵化器的方法。我们的设计以广泛提供的材料为基础, 可以在一系列现场条件下运行, 同时仍然提供高端实验室模型的优势。
孵化器对于一系列以养殖为基础的微生物方法至关重要, 例如膜过滤, 然后进行培养以评估饮用水质量。然而, 商业上可获得的孵化器往往成本高昂, 难以运输, 在体积方面不灵活, 或不适合于当地供电不可靠的实地条件。这项研究的目的是开发一个适应性强、成本低和可运输的孵化器, 可以使用现成的部件构建。孵化器的电子核心是首次开发出来的。然后使用三种类型的孵化器壳 (聚苯乙烯泡沫盒、硬冷却器盒和覆盖着生存毯的纸板箱) 在一系列环境温度条件下 (3.5°c-39°c) 对这些组件进行测试。电子核心在达到设定温度所需的时间、内部温度稳定性和空间分散、功耗和微生物生长等方面显示出与标准实验室孵化器相当的性能。在中、低环境温度 (3.5°c 至 27°c) 和高温 (39°c), 在孵化器设置温度较高的情况下, 孵化器设置也是有效的。该孵化器原型成本低 (< 300 美元), 适用于各种材料和体积。其可拆卸的结构使其易于运输。它既可用于具有电网供电的固定实验室, 也可用于太阳能或汽车电池供电的远程设置。它作为外地实验室在获得水质监测资源有限的地区的设备选择特别有用。
以文化为基础的微生物污染物检测方法是工业化国家和发展中国家水质分析的最新方法1、2.微生物存在于许多环境中, 需要不同的温度条件才能实现最佳生长。因此, 创造一个温度稳定的孵化环境是可靠地检测饮用水中关注的微生物污染物的先决条件。根据世界卫生组织的数据, 大肠杆菌 ( 大肠杆菌) (或者, 热原体大肠菌群 (ttc)) 是饮用水中粪便污染的最适当指标3。例如, 对这些生物的检测包括通过膜过滤100毫升的水样, 然后在 35-37°c (大肠杆菌) 或 44-45°C (ttc)3的选择性介质上孵育膜。
近年来, 基于文化的方法在实地的应用变得越来越重要。根据可持续发展目标6具体目标 6.1, 各国政府承诺在国家一级定期报告饮用水的细菌质量 4.除了这种公共卫生监测工作外, 还定期在地方或区域一级对水基础设施进行业务监测.这些监测和监测活动往往发生在偏远地点, 那里所需的实验室基础设施不足或无法获得。6同样, 基于文化的方法被广泛用于医疗诊断和微生物研究, 当地诊所和研究机构可能因资源有限和电力供应不安全而受到挑战7。
在上述情况下, 传统孵化器往往不足或无法使用。作为替代办法, 专门开发了用于实验室外使用的现场孵化器,例如联合王国布里斯托尔大学的 aquatatest 项目8;DelAgua 9, marlborough,uk;或美国北卡罗来纳大学水瓶座10号。但是, 这些设备的体积相对较小, 从而限制了可以同时处理的样本数量。市场上的现场孵化器也不是为了在非常低 ( 40°c) 环境温度条件下运行而设计的, 因此很难在沙漠或高山环境中使用。其他替代解决方案包括酸奶制造器具11、身体带和相变孵化器12。然而, 这种非常规孵化器可能功能不可靠, 或对11种孵化器造成负担。
因此, 需要有一个孵化器, 提供基于实验室的模型的优势 (易用性、体积更大和温度精度), 同时保持适用于现场应用 (低成本、易于运输和维护、鲁棒性强。环境温度范围、节能和对间歇性电源的弹性) (表 1)。本协议的目的是详细说明低成本孵化器的制造工艺, 该孵化器旨在利用广泛提供的材料优化传统模型和现场模型的优势。
特征 | 实验室为基础 | 领域 | 优化 |
用户友好的设计 | |||
大容量 | |||
坚固耐用, 可在各种环境温度范围内使用 | |||
保持恒温 | |||
成本低廉 | |||
易于运输 | |||
高效节能 | |||
弹性强, 可用于间歇性电源 |
表 1: 商用孵化器 (实验室和现场) 的特点和优化方法。
下面的装配协议规定了构建孵化器所需的材料和步骤。它分为四个步骤: 第一, 加热装置的组装;二、控制单元的装配;第三, 孵化器电芯的组装;第四, 孵化器的组装。该协议解释了孵化器电子核心的构建, 它可以与各种孵化器壳一起工作。有关《议定书》中使用的所有组件及其技术规格的完整清单, 请参见《材料表》。下面的协议提供了现场孵化器的功能示例, 但只要满足电气要求, 就可以灵活使用不同的组件。使用不同的成分可能会影响孵化器的性能。建议电气部件的建造和布线由在电气领域熟练的人员进行。
根据可持续发展目标 6.1, 对水质取样的需求正在增加, 特别是在监测做法不太完善的偏远农村地区。在这些环境中进行定期水质测试的一个主要障碍是难以进入能够支持微生物方法的实验室 6。本文提出了一种用相对便宜和广泛可用的材料构建的可靠孵化器的方法。电气部件相对容易采购和组装, 只需要有限的专业知识。此外, 孵化器外壳设计是灵活的, 因此可以使用当地现有的材料进行构造。这对于那些前往偏远地点的人来说尤其可取, 因为沉重而笨重的外壳不需要行李空间。根据所使用的外壳, 孵化器的体积也具有适应性, 并且可以调整大小以适应特定的样本大小。所提供的设置可用于电网内外, 这使得它对断电或缺乏可靠的电力供应具有鲁棒性。虽然观察到某些设计限制, 但这种设置通常证明在一系列环境温度条件下 (3.5°c 至 39°c) 是有效的。
协议中有几个步骤对于实现适合自己需要的孵化器设计至关重要。首先是孵化器的电气部件的选择。可根据价格或本地供应情况选择替代组件。根据所选择的材料及其技术规格, 孵化器的性能可能与所呈现的结果相比发生了变化。该协议的另一个关键步骤是选择外壳材料, 外壳材料应根据环境温度、本地电源和材料可用性的预期范围进行。在较低的环境温度 (< 25°c) 下, 建议使用聚苯乙烯泡沫或硬冷却器箱制成的外壳, 以达到37°c 至44.5 °c 的设定温度。根据所提供的实验数据, 这些设置可在45-96 分钟内达到设定温度, 并在寒冷环境 (3.5 至 7.5°c) 下消耗 0.78-1.05 kwheh 24小时。不建议在较低的环境温度下使用带有生存毯的纸板箱, 因为在实验观察期间, 此设置从未达到稳定的设定温度。在中等环境温度 (27°c) 下, 所测试的任何外壳类型都是可以接受的, 类似于为设置的纸板箱观察到的稍大的功耗。在较高的环境温度 (39°c) 下, 如果设定温度更高 (即44.5 °c), 这里介绍的孵化器设计很容易过热。因此, 这种条件需要冷却装置或在气候控制空间中使用。
当材料在瑞士采购时, 这里介绍的孵化器的建造成本约为300美元。然而, 在不同地点, 这些费用可能要低得多, 特别是如果电子核心部件的运费可以保持在最低限度的话。修改协议中描述的各种组件可以进一步降低成本。这里介绍的协议是有限的, 因为它只比较了两种设定温度下的三种外壳材料类型, 以及仅对大肠杆菌微生物生长的验证。今后的研究应测试这种孵化器设计在更大范围的温度参数下, 并使用其他微生物指示物种 (如肠球菌) 和病原体 (如沙门氏菌、弧菌) 的适用性霍乱)。今后的研究还应侧重于在孵化器内开发有效的冷却技术, 以便在极其温暖的环境 (> 40°c) 中使用。
据我们所知, 没有其他已知的现场孵化器提供适应性强的体积容量, 并且易于拆卸, 同时保持可移动性和低成本。这种创新的替代商业孵化器满足了具有水质和其他基于文化的测试目标的政府和组织的需求, 而这些目标几乎没有实验室设施。当与简单的水质检测设备配对时, 该孵化器可以帮助能力有限的从业者以合理的成本建立永久性或季节性实验室。通过增加偏远地区的实验室数量, 定期进行水质监测或对系统运作进行准时监测的努力将变得越来越可行。
The authors have nothing to disclose.
这项研究得到了瑞士发展合作署和联合王国国际开发部 (DFID) 资助的 REACH 方案的支持, 以造福发展中国家 (《白羊座法典》 201880)。其中所表达的意见和所载的意见和资料不一定是这些机构的意见和资料, 这些机构不能对这些意见或资料或对这些意见或资料的任何依赖承担任何责任。作者还感谢 Arnt Diener 为聚苯乙烯泡沫孵化器原型的早期迭代做出的贡献。
Heating foil | Thermo | 2115337 | Self-adhesive 10×20 cm; Operating voltage 12V; Power 20W |
Axial fan | Yen Sun Technology Corp. | FD126025MB | 6x6x2.5 cm; Operating voltage 12VDC; Power 1.44W; Max. current consumption 60mA |
PID Temperature Controller | Wachendorff Automation GmbH & Co. KG | UR3274S | PID controller 32×74 mm; Universal input for process signals, thermocouples, Pt100; Operating voltage 24 VDC; Outputs (thermostats) 10 A relay, 5 A relay, SSR, RS 485 |
Temperature sensor Pt100 | Conrad | 198466 | Temperature range -100°C to 200°C; Sensor Pt100, Type FS-400P |
Universal enclosure | OKW Gehäuse System | C2012201 | Dimensions 200 x 120 x 60 mm |
ON/OFF Switch | SHIN CHIN INDUSTRIAL CO. | R13-70A-01 | Connection Type C CEE 7/16 plug 6.3 mm; Contact resistance Max 50 mΩ; Switching voltage 24 VDC; Switching current (mx.) 10A; Insulation resistance Min 100 MΩ/500 Vdc |
DC/DC converter | Traco Power | TMDC 60-2412 | Nominal voltage 24 VDC; Input voltage 9-36 VDC; Output voltage 12 VDC; Max. output current 5 A; Power 60W |
AC power adapter | Bicker Elektronik | BET-0612 | Output voltage 12 VDC; Max. output current 5 A; Input voltage 115-230 VAC |
Spacer | Schäfer Elektromechanik | 20/4 | Without thread; Thread size M4; Polystyrene; Distance 20 mm |
Cable gland | WISKA | 10066410 | M12 x 1.5 cm; clamping range 3 – 7 mm |
Luster terminal | Adels Contact | 125312 | Nominal current 25 A; Nominal Voltage 500V |
Screw M4 x 50 | Bossard | 1579010 | M4 x 50 mm |
Screw nut M4 | Bossard | 1241478 | M4 |
Washer M4 | Bossard | 1887505 | M4 |
Screw M3 x 25 | Bossard | 1211099 | M3 x 25 mm |
Screw nut M3 | Bossard | 1241443 | M3 |
Washer M3 | Bossard | 1887483 | M3 |
Support plate | - | - | Insulating material (plastic or other); 28 x 25 cm |