WO2009090280A1 - Dispositivo y procedimiento para medir concentración de biomasa, y uso de un elemento electrónico chip para medir dicha concentración de biomasa - Google Patents

Dispositivo y procedimiento para medir concentración de biomasa, y uso de un elemento electrónico chip para medir dicha concentración de biomasa Download PDF

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measuring
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Xavier MUÑOZ BERBEL
Francisco Javier MUÑOZ PASCUAL
Roger Escude Pujol
Jordi Mas Gordi
Nuria Vigues Frantzen
Francisco Javier DEL CAMPO GARCÍA
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Universitat Autonoma de Barcelona UAB
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Universitat Autonoma de Barcelona UAB
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Definitions

  • the present invention relates to a device and method for measuring the biomass concentration of the medium by means of impedance change measures. It also refers to the use of an electronic chip element to measure said biomass concentration.
  • Electrochemical impedance spectroscopy is a technique also used in biomass characterization and quantification, which is based on the application of an electric potential of variable frequency to the studied medium, and on the measurement of the current response of the medium for each one of the different frequencies, by Io minus two electrodes. Said current response allows obtaining the electrical impedance measured in an electrical circuit equivalent to the electrical model of the medium under study.
  • the frequency scan gives rise to an impedance spectrum in which, at a certain frequency, a drop in the module value of said impedance occurs due to the changes produced in the solution by the products of the bacterial metabolism or by the cells themselves in solution.
  • the value of the impedance change produced by the presence of biomass is used to determine the biomass concentration of the medium.
  • the existing impedimetric devices that determine the biomass concentration by electrochemical impedance spectroscopy have the disadvantage that they are slow, since they require long measurement times, especially for concentrations below 10 3 cfu.cm "3.
  • said devices also have the disadvantage that they are unreliable to measure low biomass concentrations, since the measurement they perform is very sensitive to changes in temperature and conductivity of the medium where the biomass is grown.At low concentrations the signal-to-noise ratio is very small , so the measurements cannot be performed correctly.
  • the patent ES 2143911 describes a method and apparatus for measuring biomass concentration that aims to improve the ability and speed of existing methods and devices, above all, for what it is about biomass measurements at low concentrations.
  • the method of said patent estimates the biomass concentration based on the relationship between high and low frequency impedance.
  • the impedance values obtained at high and low frequency are used directly and, in a second option, two values resulting from adjusting the impedance data of a frequency sweep to a curve are used.
  • a circuit equivalent to the electric model of the medium is accepted by convention, which It is composed of the resistance of the extracellular medium, the resistance of the intracellular medium and the capacitance of the cell membrane.
  • the impedimetric device described in the mentioned patent comprises measuring probes designed to adapt to two standard connections of an industrial bioreactor, which include a temperature and conductivity sensor of the medium and a set of electrodes.
  • the electrodes of each probe are placed two by two at the longitudinal edges of an oblong transverse hole or, in another embodiment, on the plate or support in which the thin layer of culture is deposited.
  • the configuration of the electrodes has been designed on the one hand, to limit in a defined way the electric field, which facilitates the measurement of biomass at low concentrations and, on the other hand, to reduce the possibility of bubbles present in The biomass can influence the measurement.
  • the ES2183677 patent constitutes an improvement of the aforementioned patent, aimed at improving the reliability of the detection method at low biomass concentrations.
  • the proposed improved method includes the measurement of the electrical impedance of the medium in two regions; one lacking biomass and another with biomass. The measurement is carried out in the two regions by means of identical electrode assemblies in order to obtain information on the variations in conductivity of the medium in the cell-free region. The information obtained is used to correct the estimation of the biomass concentration of the medium in the region with biomass.
  • the method of measurement of the mentioned patent is complex and, in addition, little effective, since it continues to present limitations when measuring biomass concentrations below 10 5 cfu.cm "3 .
  • the objective of the present invention is to solve the aforementioned drawbacks, developing a device and method for measuring low biomass concentrations that has the advantage that it is fast, simple and very reliable.
  • the present invention provides a device for measuring the biomass concentration of a medium, which comprises means for measuring the change in electrical impedance produced by the presence of biomass and processing and control means for determine the biomass concentration from said means to measure the impedance change.
  • the device is characterized by the fact that the means for measuring the impedance change comprise at least two electrodes of suitable configuration to allow the measurement of the capacitance change of the double electrical layer of the electrode / solution interface, produced by adhesion biomass electrostatics, and due to the fact that the processing and control means determine the biomass concentration from a calibration curve that correlates said capacitance change with the biomass concentration.
  • the present invention provides a method for measuring the biomass concentration of a medium by means of the claimed device, which is characterized by the fact that it comprises the steps of: a) polarizing the medium by applying a electrical potential to the electrodes of the claimed device, in order to adhere biomass on the surface of said electrodes, b) measure the change in electrical impedance of the polarized medium, c) determine in the circuit equivalent to the electrical model of the medium, the value of the capacitance change of the double electrical layer of the electrode / solution interface (CdI), from the value of the change of impedance of stage b), d) determine the biomass concentration of the medium from the value of the capacitance change of the double electrical layer (CdI) by means of the corresponding calibration curve that correlates said capacitance variation value with the biomass concentration of the medium.
  • the present invention relates to the use of an electronic chip element comprising at least two electrodes integrated in a material substrate, to measure the biomass concentration of a medium by means of electrochemical impedance spectroscopy.
  • the claimed device and procedure are based on the measurement of the changes produced in the electrode / solution interface, due to the adhesion of biomass.
  • the double electrical layer of the electrode / solution interface is commonly considered as similar to an electrical capacitor, so that the changes produced in this layer can be easily monitored by electrochemical impedance spectroscopy.
  • the claimed device and method have the advantage that they allow the detection of very low biomass concentrations of the Order up to 102 cfu cm-3, in a very reliable way.
  • Another advantage of the claimed device and procedure lies in the speed with which the concentration measurement can be made. This is due to the fact that it has been observed that the impedance signal change produced by biomass adhesion can be measured in a very short exposure time, of the order of a few minutes.
  • the device allows determining the biomass concentration from a single impedance measurement, as well as monitoring said biomass concentration over a period of incubation of the medium. After each measurement it will be necessary to carry out the cleaning of the surface of the electrodes and, if appropriate, the recalibration of the device.
  • biomass in general, biological material constituted by one or more prokaryotic or eukaryotic cells, and in particular, microorganisms such as yeasts, fungi, etc ... Said biomass will be arranged in suspension in any type of medium, although, preferably, the medium used will be an aqueous medium or solution.
  • the size of the electrodes of the device affects the sensitivity of the measurement.
  • the electrodes will be micro-electrodes.
  • the electrodes may be nano-electrodes in order to further improve said sensitivity.
  • the electrodes of the device are integrated in a substrate of material, said electrodes constituting integrated in said substrate an electronic element of small size or electronic element chip capable of being immersed in the medium in which the measurement is carried out of biomass concentration. Thanks to this, the biomass measurement can be carried out by means of an electronic chip element, which, thanks to its reduced size, allows measurements to be made on very small sample volumes, and using very short measurement times, less than one minute.
  • the small chip or electronic element provides a very versatile biomass sensor device for application in a wide variety of industrial fields; food, clinical diagnosis, water, etc., in which microbiological control of the environment is necessary.
  • said electronic chip element comprises wireless connection means to the processing and control means of the device.
  • the device is even more versatile, adapting to a greater number of situations.
  • the electronic chip element comprises integrated, in the same substrate or in a nearby substrate, at least one sensor for measuring parameters of the medium in which the biomass concentration measurement is carried out.
  • Said sensor can be selected from a group comprising sensors for flow, temperature, conductivity, pH, oxygen, or it can be, for example, a selective biocidal sensor.
  • the electrodes are integrated in the chip substrate in the form of micro-disks.
  • This geometry is very simple and effective.
  • the geometry of the integrated electrodes can be very varied, as well as the number of electrodes.
  • the material with which the electrodes are manufactured can be varied; conductor or semiconductor type. In the latter case, the device will be especially suitable for minimizing the corrosion phenomena of certain media.
  • the capacitance of The double electrical layer (CdI) of the equivalent circuit in which the electrical impedance is measured is approximated to a constant phase element (CPEdI), being determined in stage c) the value of the variation of the module (KdI) of said constant phase element.
  • CdI constant phase element
  • the constant phase element takes into account the loss of capacitive ideality of the double electrical layer of the interface due to the surface roughness of the electrodes, which is why it is a very useful parameter that improves the adjustment of the calibration curve used in the process.
  • the experiments carried out show that the variation of the module of the constant phase element (KdI) presents a high-quality linear relationship with the presence of biomass in a wide range of concentrations, so it is a very suitable parameter to measure the concentration of biomass by the process of the present invention.
  • the biomass concentration of stage d) is determined from the differential value of two capacitance change (CdI) measurements taken in a predetermined time interval.
  • CdI capacitance change
  • the working frequency range of the electronic flow generated by the measurement of the impedance of stage b) may vary depending on the configuration and material of the electrodes used. However, preferably, frequencies below 1 MHz will be used, in particular frequencies of the order of KHz, since it has been shown that said frequencies are the most suitable for measuring the capacitance of the electrode / solution interface.
  • the frequencies used will be adequate to facilitate that the adhered biomass behaves like a dielectric material that modifies the value of the capacitance of the double layer (CdI). In this sense, those working frequencies for which the current flow generated through the cell walls will be avoided.
  • the time taken to carry out at least steps a) and b) of the procedure will be less than 1 minute. It has been observed that this measurement time improves the correlation obtained between the capacitance and the biomass concentration.
  • the initial biomass concentration of the medium is determined indirectly by means of the corresponding growth curve of said biomass, after monitoring the biomass concentration over a predetermined incubation period with the device of the present invention. In this way, it is possible to indirectly detect medium biomass concentrations even below 102 cfu-cm-3.
  • Figure 1 is a schematic plan view of the structure of a first type of electronic element of small size or element Electronic chip used to measure biomass concentration.
  • Figure 2 is a schematic plan view of the structure of a second type of electronic chip element used to measure biomass concentration.
  • Figures 3a and 3b are two schematic representations of a working electrode of the device, after being polarized.
  • Figures 4a and 4b are two schematic representations of the same working electrode of Figure 3, showing said electrode at the beginning of the biomass adhesion process, at which time the measurement is carried out.
  • Figures 5a and 5b are two schematic representations of the same working electrode of Figure 3, after a long exposure to the solution with biomass,
  • Figure 6 is a graphic representation showing the variation of the capacitance of the double electrical layer with the bacterial biomass concentration of the medium, in two different conductivity media.
  • Figure 7 is a graphic representation showing the variation of the resistance of the solution (measured at the interface) with the concentration of bacterial biomass, in two different conductivity media.
  • Figure 8 is a graphic representation showing the variation of the differential of the capacitance change with the biomass concentration, in measurements taken in a time interval of forty minutes.
  • the measurement of electrical impedance is carried out by means of a chip 1 or small electronic element, which incorporates electrodes 2 with which the electrical impedance measurement is performed.
  • chip 1 is an electronic element Small in size, which has the advantage that it allows a very comfortable measurement of biomass concentration in very small sample volumes.
  • Figure 1 shows one of the types of chip 1 used in the present invention, which has two micro-electrodes 2 in the form of micro-disks integrated in the same substrate 3; auxiliary electrode and working electrode, and a third reference electrode 2 of different geometry.
  • Figure 2 shows a second type of chip 1 comprising, in this case, a total of five electrodes 2.
  • the material of the substrate 3 and of the electrodes 2 of the chip 1 can be very varied, no limitations have been found to the respect.
  • the claimed device and procedure are based on the measurement of the changes produced in the electrode / solution interface, due to the phenomenon of biomass adhesion.
  • Figures 3 to 5 show in a schematic way the changes that take place on the surface of chip 1 while the biomass concentration measurement is carried out.
  • an electric potential is applied to the electrodes 2 which results in a separation of charges that gives rise to the appearance of the double electrical layer 4 in the working electrode interface / solution. Said charge separation attracts the biomass 5 that is in suspension in the middle, which quickly adheres to the surface of the working electrode 2 of the chip 1.
  • the electrical potential applied may vary depending on the medium. However, it has been observed that the lowest applied potentials translate into a smaller area of electrode 2 covered by biomass 5, which facilitates the measurement in high medium concentrations.
  • the sensitivity of the procedure also varies with the applied potential, observing that the lower said potential is, the lower the slope of the calibration curve and, therefore, the lower the sensitivity of the process.
  • FIGS. 4a and 4b show the state of the double electrical layer 4 at the moment in which the measurement of the change in electrical impedance of the process is carried out.
  • the impedance measurement is carried out by electrochemical impedance spectroscopy, in a frequency range of less than 1 MHz, preferably, of the order of 1 KHz.
  • the bacterial biomass adhered to the surface of the chip 1 behaves like a dielectric material that modifies the value of the capacitance of the electrical double layer (CdI) of the working micro-electrode 2 of the device.
  • the variation of the capacitance change is monitored by electrochemical impedance spectroscopy, adjusting the impedance spectra to a compound equivalent circuit, in addition to the capacitance of the double layer (cdl), by the resistance of the solution (Rs) and by the Capacitance of the reference electrode (Celec), in case it is used to the extent.
  • the biomass concentration of the medium is determined from the value of the change in capacitance (CdI) by means of a calibration curve that correlates the value of the change in capacitance of the double layer (CdI) with the biomass concentration in the working range.
  • Figure 6 shows a graphic representation of the variation of the capacitance of the double electrical layer (4) with the concentration of biomass (5) of the medium, in two different conductivity media.
  • the capacitance value has been adjusted to the value of the constant phase element module (KdI), since it has been experimentally proven that the variation of said module has a high quality relationship in a wide range of concentrations with the biomass concentration
  • Figure 7 is a graphic representation showing the variation of the resistance of the solution (measured at the interface) with the concentration of bacterial biomass, in the two different conductivity means used in Figure 6.
  • the value of the capacitance is not modified by a change in local conductivity of the medium due to the increase in biomass, but instead, by an increase in the bacterial concentration of the sample, obtaining a linear relationship High quality between the value of the capacitance change and the biomass concentration, in ranges from 10 1 cfu.cm "3 to 10 6 cfu.cm " 3 .
  • a parameter has been defined that measures the difference in the value of the capacitance change of two measurements taken in a time interval predetermined.
  • Figure 8 shows the graphical representation of the results obtained in an experiment in which the variation of the capacitance change differential with the bacterial biomass concentration was measured, in measurements taken in time intervals of 40 minutes.

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Abstract

La presente invención se refiere a un dispositivo para medir la concentración de biomasa de un medio, que comprende medios para medir el cambio de impedancia eléctrica producido por la presencia de biomasa y medios de procesamiento y control para determinar la concentración de biomasa a partir de dichos medios para medir el cambio de impedancia, caracterizado por el hecho de que dichos medios para medir el cambio de impedancia comprenden por lo menos dos electrodos de configuración adecuada para permitir la medida del cambio de capacitancia de la doble capa eléctrica de la interfase electrodo/solución, producido por la adhesión electrostática de biomasa, y por el hecho de que dichos medios de procesamiento y control determinan la concentración de biomasa a partir de una curva de calibración que correlaciona dicho valor de cambio de capacitancia con la concentración de biomasa. Asimismo, la presente invención se refiere al procedimiento para medir la concentración de biomasa del medio mediante medidas de cambio de impedancia. También se refiere al uso de un elemento electrónico chip para medir dicha concentración de biomasa.

Description

DISPOSITIVO Y PROCEDIMIENTO PARA MEDIR CONCENTRACIÓN
DE BIOMASA, Y USO DE UN ELEMENTO ELECTRÓNICO CHIP PARA
MEDIR DICHA CONCENTRACIÓN DE BIOMASA
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención se refiere a un dispositivo y procedimiento para medir Ia concentración de biomasa del medio mediante medidas de cambio de impedancia. También se refiere al uso de un elemento electrónico chip para medir dicha concentración de biomasa.
ESTADO DE LA TÉCNICA
La biomasa es un parámetro importante de control en el campo de
Ia fermentación, Ia industria alimentaria y el diagnóstico clínico, siendo indispensable un buen seguimiento de su actividad. Estos sectores industriales necesitan de dispositivos capaces de diferenciar y cuantificar los microorganismos presentes en el medio.
El control microbiológico de soluciones acuosas en sectores industriales como el del área de las aguas de bebida y consumo, requiere
Ia cuantificación de concentraciones de microorganismos muy bajas del orden de 102 unidades formadoras de colonias por centímetro cúbico, en adelante, cfu.cm"3.
Los métodos más extensamente empleados hasta el momento para medir bajas concentraciones de biomasa bacteriana son los basados en siembras en placa y Ia técnica PCR. La siembra en placas es una técnica sencilla y muy fiable aunque es demasiado lenta (requiere como mínimo
24 horas de incubación).
La espectroscopia electroquímica de impedancias (EEI) es una técnica también usada en caracterización y cuantificación de biomasa, que está basada en Ia aplicación de un potencial eléctrico de frecuencia variable al medio estudiado, y en Ia medición de Ia respuesta en corriente del medio para cada una de las distintas frecuencias, mediante por Io menos dos electrodos. Dicha respuesta en corriente permite obtener Ia impedancia eléctrica medida en un circuito eléctrico equivalente al modelo eléctrico del medio en estudio.
El barrido de frecuencias da lugar a un espectro de impedancia en el que, a una determinada frecuencia, tiene lugar una caída del valor del módulo de dicha impedancia debida a los cambios producidos en Ia solución por los productos del metabolismo bacteriano o por las propias células en solución. El valor del cambio de impedancia producido por Ia presencia de biomasa se utiliza para determinar Ia concentración de biomasa del medio.
Los dispositivos impedimétricos existentes que determinan Ia concentración de biomasa mediante espectroscopia de impedancia electroquímica presentan el inconveniente de que son lentos, puesto que requieren largos tiempos de medida, especialmente para concentraciones inferiores a 103 cfu.cm"3. Por otro lado, dichos dispositivos presentan también el inconveniente de que son poco fiables para medir bajas concentraciones de biomasa, puesto que Ia medida que realizan es muy sensible a cambios de temperatura y conductividad del medio donde se cultiva Ia biomasa. A bajas concentraciones Ia relación señal/ruido es muy pequeña, por Io que las medidas no pueden realizarse correctamente.
La patente ES 2143911 , describe un método y aparato para medir concentración de biomasa que pretende mejorar Ia Habilidad y rapidez de los métodos y dispositivos existentes, sobre todo, por Io que se trata de medidas de biomasa a bajas concentraciones. El método de Ia mencionada patente estima Ia concentración de biomasa a partir de Ia relación entre Ia impedancia a alta y baja frecuencia. En una primera opción de proceso, se utilizan directamente los valores de impedancia obtenidos a alta y baja frecuencia y, en una segunda opción, se utilizan dos valores resultantes de ajustar los datos de impedancia de un barrido de frecuencias a una curva. En el método empleado, se acepta por convención un circuito equivalente al modelo eléctrico del medio, que está compuesto por Ia resistencia del medio extracelular, Ia resistencia del medio intracelular y Ia capacitancia de Ia membrana celular.
El dispositivo impedimétrico descrito en Ia mencionada patente comprende sondas de medida diseñadas para adaptarse a dos conexiones estándar de un biorreactor industrial, que incluyen un sensor de temperatura y de conductividad del medio y un conjunto de electrodos. Los electrodos de cada sonda se sitúan de dos en dos en los bordes longitudinales de un agujero transversal oblongo o, en otra realización, sobre Ia placa o soporte en el que se deposita Ia capa fina de cultivo. En ambos casos, Ia configuración de los electrodos se ha diseñado por un lado, para limitar de forma definida el campo eléctrico, Io que facilita Ia medición de biomasa a bajas concentraciones y, por otro lado, para reducir Ia posibilidad de que burbujas presentes en Ia biomasa puedan influir sobre Ia medida. Sin embargo, el dispositivo y método descrito en Ia mencionada patente sigue presentando limitaciones, puesto que las moderadas variaciones que experimenta Ia conductividad del medio extracelular (conductividad de Ia solución) en el cultivo pueden enmascarar Ia medida de concentraciones de biomasa bajas. La patente ES2183677 constituye una mejora de Ia patente anteriormente citada, encaminada a mejorar Ia fiabilidad del método de detección a bajas concentraciones de biomasa. El método mejorado propuesto incluye Ia medición de Ia impedancia eléctrica del medio en dos regiones; una carente de biomasa y otra con biomasa. La medición se lleva a cabo en las dos regiones mediante conjuntos de electrodos idénticos con el objetivo de obtener información sobre las variaciones de conductividad del medio en Ia región carente de células. La información obtenida se utiliza para corregir Ia estimación de Ia concentración de biomasa del medio en Ia región con biomasa. Sin embargo, a pesar de las mejoras propuestas, el método de medición de Ia mencionada patente resulta complejo y, además, poco efectivo, puesto que sigue presentando limitaciones a Ia hora de medir concentraciones de biomasa inferiores a 105 cfu.cm"3.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN El objetivo de Ia presente invención es resolver los inconvenientes mencionados, desarrollando un dispositivo y método para medir bajas concentraciones de biomasa que presenta Ia ventaja de que es rápido, sencillo y muy fiable.
De acuerdo con este objetivo, según un primer aspecto, Ia presente invención proporciona un dispositivo para medir Ia concentración de biomasa de un medio, que comprende medios para medir el cambio de impedancia eléctrica producido por Ia presencia de biomasa y medios de procesamiento y control para determinar Ia concentración de biomasa a partir de dichos medios para medir el cambio de impedancia. El dispositivo se caracteriza por el hecho de que los medios para medir el cambio de impedancia comprenden por Io menos dos electrodos de configuración adecuada para permitir Ia medida del cambio de capacitancia de Ia doble capa eléctrica de Ia interfase electrodo/solución, producido por Ia adhesión electrostática de biomasa, y por el hecho de que los medios de procesamiento y control determinan Ia concentración de biomasa a partir de una curva de calibración que correlaciona dicho cambio de capacitancia con Ia concentración de biomasa.
Atendiendo al mismo objetivo, según un segundo aspecto, Ia presente invención proporciona un procedimiento para medir Ia concentración de biomasa de un medio mediante el dispositivo reivindicado, que se caracteriza por el hecho de que comprende las etapas de: a) polarizar el medio aplicando un potencial eléctrico a los electrodos del dispositivo reivindicado, al objeto de adherir biomasa sobre Ia superficie de dichos electrodos, b) medir el cambio de impedancia eléctrica del medio polarizado, c) determinar en el circuito equivalente al modelo eléctrico del medio, el valor del cambio de capacitancia de Ia doble capa eléctrica de Ia interfase electrodo/solución (CdI), a partir del valor del cambio de impedancia de Ia etapa b), d) determinar Ia concentración de biomasa del medio a partir del valor del cambio de capacitancia de Ia doble capa eléctrica (CdI) mediante Ia correspondiente curva de calibración que correlaciona dicho valor de variación de capacitancia con Ia concentración de biomasa del medio.
Por último, según un tercer aspecto, Ia presente invención se refiere al uso de un elemento electrónico chip que comprende por Io menos dos electrodos integrados en un sustrato de material, para medir Ia concentración de biomasa de un medio mediante espectroscopia de impedancia electroquímica.
El dispositivo y procedimiento reivindicados están basados en Ia medida de los cambios producidos en Ia interfase electrodo/solución, debido a Ia adhesión de biomasa.
Los experimentos efectuados han permitido observar que Ia biomasa adherida a Ia superficie del electrodo de trabajo, durante los primeros minutos de colonización, modifica las características electroquímicas de Ia doble capa eléctrica de Ia interfase del electrodo. El cambio detectado depende de Ia cantidad de biomasa adherida, Ia cual a su vez es proporcional a Ia concentración de dicha biomasa en el medio. Este hecho ha permitido el desarrollo de un dispositivo y procedimiento para cuantificar Ia concentración de biomasa, previa calibración del dispositivo en el medio, temperatura y biomasa de interés, que presenta Ia ventaja de que es rápido, directo y sencillo.
La doble capa eléctrica de Ia interfase electrodo/solución es considerada de forma común como similar a un condensador eléctrico, por Io que los cambios producidos en esta capa pueden ser fácilmente monitorizados por espectroscopia de impedancia electroquímica.
Los experimentos efectuados han permitido observar que Ia biomasa adherida a Ia superficie del electrodo de trabajo se comporta, a determinadas frecuencias de trabajo, como un material dieléctrico que modifica el valor de Ia capacitancia de Ia doble capa eléctrica (CdI) de los electrodos del dispositivo. La variación de Ia capacitancia de Ia doble capa (CdI) se ha visto dependiente de Ia concentración de biomasa del medio, por Io que Ia monitorización de los cambios de capacitancia de dicha capa se ha visto que permite Ia detección de Ia concentración de biomasa del medio, de un modo sencillo y muy fiable, mediante Ia correspondiente curva de calibración. En el dispositivo reivindicado, Ia configuración de los electrodos
(en particular, su área y distancia entre ellos) debe ser Ia adecuada para permitir Ia medida del cambio de capacitancia de Ia interfase electrodo/solución producido por Ia adhesión de biomasa. Es decir, debe de ser Ia adecuada para permitir limitar el campo eléctrico a Ia zona de Ia interfase que es Ia zona en Ia que se miden los cambios electroquímicos producidos por Ia presencia de Ia biomasa adherida al electrodo de trabajo.
Sorprendentemente, se ha observado que como el método propuesto está basado en una medida sobre Ia interfase del electrodo, características del medio como, por ejemplo, Ia conductividad, no afectan sensiblemente en Ia toma de medidas.
Concretamente, se ha observado que mientras que Ia capacitancia de Ia doble capa incrementa de forma continua con Ia concentración de biomasa, Ia resistencia de Ia solución, que informa sobre Ia conductividad media del medio, permanece constante con el incremento de concentración de biomasa. Por Io tanto, sorprendentemente el valor del cambio de capacitancia de Ia interfase no se ve modificado por el cambio de conductividad del medio durante Ia fase de cultivo, constituyéndose en un parámetro muy fiable para medir Ia concentración de biomasa. Gracias a ello, el dispositivo y procedimiento reivindicados presentan Ia ventaja de que permiten Ia detección de concentraciones muy bajas de biomasa, del orden de hasta 102 cfu cm-3, de un modo muy fiable.
Otra ventaja del dispositivo y procedimiento reivindicados radica en Ia rapidez con Ia que puede efectuarse Ia medida de concentración. Ello es debido al hecho de que se ha observado que el cambio de señal impedimétrica producido por Ia adhesión de biomasa puede medirse en un tiempo de exposición muy corto, del orden de unos pocos minutos.
Una vez calibrado, el dispositivo permite determinar Ia concentración de biomasa a partir de una única medida de impedancia, así como monitorizar dicha concentración de biomasa a Io largo de un periodo de incubación del medio. Después de cada medida será necesario llevar a cabo Ia limpieza de Ia superficie de los electrodos y, si procede, Ia recalibración del dispositivo.
En Ia presente invención, por biomasa se entenderá en general, material biológico constituido por una o más células procariotas o eucariotas, y en particular, microorganismos tales como levaduras, hongos, etc.... Dicha biomasa estará dispuesta en suspensión en cualquier tipo de medio, aunque, preferiblemente, el medio empleado será un medio o solución acuosa.
El tamaño de los electrodos del dispositivo incide en Ia sensibilidad de Ia medida. En este sentido, preferiblemente, los electrodos serán micro-electrodos. No obstante, opcionalmente, se ha previsto que los electrodos puedan ser nano-electrodos al objeto de mejorar todavía más dicha sensibilidad.
Según una realización preferida, los electrodos del dispositivo están integrados en un sustrato de material, constituyendo dichos electrodos integrados en dicho sustrato un elemento electrónico de pequeño tamaño o elemento electrónico chip susceptible de ser inmerso en el medio en el que se lleva a cabo Ia medida de concentración de biomasa. Gracias a ello, Ia medida de biomasa puede llevarse a cabo mediante un elemento electrónico chip, el cual, gracias a su reducido tamaño, permite realizar las medidas en volúmenes de muestra muy pequeños, y empleando tiempos de medida muy cortos, inferiores al minuto.
El chip o elemento electrónico de pequeño tamaño proporciona un dispositivo sensor de biomasa muy versátil para aplicar en una gran diversidad de campos industriales; alimentario, diagnóstico clínico, aguas, etc., en los que es necesario el control microbiológico del medio.
Ventajosamente, dicho elemento electrónico chip comprende medios de conexión inalámbrica a los medios de procesamiento y control del dispositivo. De este modo, el dispositivo resulta todavía más versátil, adaptándose a un número mayor de situaciones.
Otra vez ventajosamente, el elemento electrónico chip comprende integrado, en el mismo sustrato o en un sustrato próximo, por Io menos un sensor para medir parámetros del medio en el que se lleva a cabo Ia medida de concentración de biomasa. Dicho sensor puede seleccionarse de un grupo que comprende sensores para caudal, temperatura, conductividad, pH, oxígeno, o puede tratarse, por ejemplo, de un sensor selectivo a biocidas.
La adición de uno o más sensores útiles para medir distintos parámetros del medio, viene a incrementar todavía más Ia versatilidad del dispositivo de Ia presente invención.
Según una realización, los electrodos están integrados en el sustrato del chip en forma de micro-discos. Esta geometría resulta muy simple y eficaz. No obstante, Ia geometría de los electrodos integrados puede ser muy variada, al igual que el número de electrodos. De igual modo, el material con el que están fabricados los electrodos puede ser variado; de tipo conductor o semiconductor. En este último caso, el dispositivo resultará especialmente adecuado para minimizar los fenómenos de corrosión de determinados medios. Por Io que se refiere al procedimiento de Ia presente invención, según una realización preferida de dicho procedimiento, Ia capacitancia de Ia doble capa eléctrica (CdI) del circuito equivalente en el que se mide Ia impedancia eléctrica, es aproximada a un elemento de fase constante (CPEdI), siendo determinado en Ia etapa c) el valor de Ia variación del módulo (KdI) de dicho elemento de fase constante. El elemento de fase constante tiene en cuenta Ia perdida de idealidad capacitativa de Ia doble capa eléctrica de Ia interfase debida a Ia rugosidad superficial de los electrodos, por Io que resulta un parámetro muy útil que mejora el ajuste de Ia curva de calibración empleada en el procedimiento. Los experimentos realizados ponen de manifiesto que Ia variación del módulo del elemento de fase constante (KdI) presenta una relación lineal de alta calidad con Ia presencia de biomasa en un amplio rango de concentraciones, por Io que resulta un parámetro muy adecuado para medir Ia concentración de biomasa mediante el procedimiento de Ia presente invención.
Según otra realización del procedimiento de Ia presente invención, Ia concentración de biomasa de Ia etapa d) se determina a partir del valor diferencial de dos medidas de cambio de capacitancia (CdI) tomadas en un intervalo de tiempo predeterminado. Los experimentos que se han llevado a cabo ponen de manifiesto que Ia variación del diferencial del cambio de capacitancia de Ia doble capa, presenta una relación lineal con Ia concentración de biomasa en una rango de concentraciones superior. De este modo, se puede medir un rango de concentraciones de biomasa todavía más amplio, que incluye valores muy bajos, del orden de 101 cfu cm"3, hasta valores más altos, superiores a 108 cfu cm"3.
Tal y como se ha comentado anteriormente, características del medio como, por ejemplo, los cambios de conductividad, no afectan sensiblemente en Ia toma de medidas. No obstante, se ha observado que medios poco salinos, de baja conductividad, son preferibles, puesto que en estos medios el límite de detección de biomasa es más bajo. El rango de frecuencias de trabajo del flujo electrónico generado por Ia medida de Ia impedancia de Ia etapa b) puede variar en función de Ia configuración y material de los electrodos empleados. No obstante, preferiblemente, se emplearán frecuencias inferiores a 1 MHz, en particular, frecuencias del orden de KHz, puesto que se ha demostrado que dichas frecuencias son las que resultan más adecuadas para medir Ia capacitancia de Ia interfase electrodo/solución.
En cualquier caso, las frecuencias empleadas serán las adecuadas para facilitar que Ia biomasa adherida se comporte como un material dieléctrico que modifica el valor de Ia capacitancia de Ia doble capa (CdI). En este sentido, se evitaran aquellas frecuencias de trabajo para las que el flujo de corriente generado atraviese las paredes celulares.
Preferiblemente, el tiempo empleado para llevar a cabo por Io menos las etapas a) y b) del procedimiento será inferior a 1 minuto. Se ha observado que este tiempo de medida mejora Ia correlación obtenida entre Ia capacitancia y Ia concentración de biomasa.
Según una realización, Ia concentración inicial de biomasa del medio se determina de forma indirecta mediante Ia correspondiente curva de crecimiento de dicha biomasa, tras monitorizar Ia concentración de biomasa a Io largo de un periodo de incubación predeterminado con el dispositivo de Ia presente invención. De este modo, es posible detectar de forma indirecta concentraciones de biomasa del medio incluso inferiores a 102 cfu-cm-3.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para mayor comprensión de cuanto se ha expuesto se acompañan unos dibujos en los que, esquemáticamente y sólo a título de ejemplo no limitativo, se representan varios casos prácticos de realización.
En dichos dibujos, a figura 1 es una vista esquemática en planta de Ia estructura de un primer tipo de elemento electrónico de pequeño tamaño o elemento electrónico chip utilizado para medir concentración de biomasa.
Ia figura 2 es una vista esquemática en planta de Ia estructura de un segundo tipo de elemento electrónico chip utilizado para medir concentración de biomasa. las figuras 3a y 3b son dos representaciones esquemáticas de un electrodo de trabajo del dispositivo, tras ser polarizado. las figuras 4a y 4b son dos representaciones esquemáticas del mismo electrodo de trabajo de Ia figura 3, que muestran dicho electrodo al inicio del proceso de adhesión de biomasa, momento en el que se lleva a cabo Ia medida. las figuras 5a y 5b son dos representaciones esquemáticas del mismo electrodo de trabajo de Ia figura 3, después de una larga exposición a Ia solución con biomasa,
Ia figura 6 es una representación gráfica que muestra Ia variación de Ia capacitancia de Ia doble capa eléctrica con Ia concentración de biomasa bacteriana del medio, en dos medios de conductividad diferente.
Ia figura 7 es una representación gráfica que muestra Ia variación de Ia resistencia de Ia solución (medida en Ia interfase) con Ia concentración de biomasa bacteriana, en dos medios de conductividad diferente. Ia figura 8 es una representación gráfica que muestra Ia variación del diferencial del cambio de capacitancia con Ia concentración de biomasa, en medidas tomadas en un intervalo de tiempo de cuarenta minutos.
DESCRIPCIÓN DE EJEMPLOS Y REALIZACIONES PREFERIDAS
Tal y como se ha comentado en Ia descripción de Ia invención, en una realización preferida del dispositivo de Ia presente invención, Ia medida de impedancia eléctrica se lleva a cabo mediante un chip 1 o elemento electrónico de pequeño tamaño, que lleva integrados los electrodos 2 con los que se realiza Ia medida de impedancia eléctrica.
Tal y como se ha comentado, el chip 1 es un elemento electrónico de pequeño tamaño que presenta Ia ventaja de que permite realizar de una forma muy cómoda medidas de concentración de biomasa en volúmenes de muestra muy pequeños.
La figura 1 muestra uno de los tipos de chip 1 utilizados en Ia presente invención, que lleva integrados en un mismo sustrato 3 dos micro-electrodos 2 en forma de micro-discos; electrodo auxiliar y electrodo de trabajo, y un tercer electrodo 2 de referencia de geometría distinta. En
Ia figura 2, se muestra un segundo tipo de chip 1 que comprende, en este caso, un total de cinco electrodos 2. El material del sustrato 3 y de los electrodos 2 del chip 1 puede ser muy variado, no habiéndose encontrado ninguna limitación al respecto.
Así, entre los materiales probados para el sustrato 3, se citan el vidrio y el cuarzo. Mientras que para los electrodos 2, se citan materiales conductores como el oro, platino, carbono, iridio, etc.. No obstante, también pueden emplearse materiales semiconductores, tales como óxidos y nitruros, los cuales presentan Ia ventaja de que minimizan los fenómenos de corrosión causados por el medio.
Tal y como se ha comentado en Ia descripción de Ia invención, el dispositivo y procedimiento reivindicados están basados en Ia medida de los cambios producidos en Ia interfase electrodo/solución, debido al fenómeno de adhesión de biomasa.
Las figuras 3 a 5 muestran de una forma esquemática los cambios que tienen lugar en Ia superficie del chip 1 mientras se lleva a cabo Ia medida de concentración de biomasa. En Ia primera etapa del proceso que muestran las figuras 3a y 3b, se aplica un potencial eléctrico a los electrodos 2 que se traduce en una separación de cargas que da lugar a Ia aparición de Ia doble capa eléctrica 4 en Ia interfase electrodo de trabajo/solución. Dicha separación de cargas atrae a Ia biomasa 5 que se encuentra en suspensión en el medio, Ia cual rápidamente se adhiere sobre Ia superficie del electrodo 2 de trabajo del chip 1. El potencial eléctrico aplicado puede variar en función del medio. No obstante, se ha observado que los potenciales aplicados más bajos se traducen en un área menor de electrodo 2 cubierta por biomasa 5, Io que facilita Ia medida en concentraciones del medio altas. La sensibilidad del procedimiento también varía con el potencial aplicado, observándose que cuanto más bajo es dicho potencial, menor es Ia pendiente de Ia curva de calibración y, por Io tanto, menor es Ia sensibilidad del proceso.
Durante las primeras etapas de colonización de biomasa 5, se establece un equilibrio dinámico entre las células adheridas y las liberadas que modifica física y electroquímicamente Ia doble capa eléctrica 4 de Ia interfase del electrodo 2 de trabajo. Las figuras 4a y 4b muestran el estado de Ia doble capa eléctrica 4 en el momento en que se lleva a cabo Ia medida del cambio de impedancia eléctrica del proceso.
La medida de impedancia se lleva a cabo mediante espectroscopia de impedancia electroquímica, en un rango de frecuencias inferior a 1 MHz, preferiblemente, del orden de 1 KHz. En este ambiente eléctrico Ia biomasa bacteriana adherida a Ia superficie del chip 1 se comporta como un material dieléctrico que modifica el valor de Ia capacitancia de Ia doble capa eléctrica (CdI) del micro-electrodo de trabajo 2 del dispositivo. La variación del cambio de capacitancia es monitorizado por espectroscopia de impedancia electroquímica, ajustando los espectros de impedancia a un circuito equivalente compuesto, además de por Ia capacitancia de Ia doble capa (cdl), por Ia resistencia de Ia solución (Rs) y por Ia capacitancia del electrodo de referencia (Celec), en el caso de que se utilice en Ia medida.
La concentración de biomasa del medio se determina a partir del valor del cambio de capacitancia (CdI) mediante una curva de calibración que correlaciona el valor del cambio de capacitancia de Ia doble capa (CdI) con Ia concentración de biomasa en el rango de trabajo. La figura 6 muestra una representación gráfica de Ia variación de Ia capacitancia de Ia doble capa eléctrica (4) con Ia concentración de biomasa (5) del medio, en dos medios de conductividad diferente. En dicha figura, el valor de capacitancia ha sido ajustado al valor del módulo del elemento de fase constante (KdI), ya que se ha comprobado experimentalmente que Ia variación de dicho módulo presenta una relación de alta calidad en un amplio rango de concentraciones con Ia concentración de biomasa.
La figura 7 es una representación gráfica que muestra Ia variación de Ia resistencia de Ia solución (medida en Ia interfase) con Ia concentración de biomasa bacteriana, en los dos medios de conductividad diferente empleados en Ia figura 6.
Los resultados que se muestran en ambas figuras 6 7, han sido obtenidos en experimentos realizados con muestras de biomasa bacteriana en suspensión en una solución acuosa de suero fisiológico estéril. Tal y como puede observarse en dichas figuras 6 y 7, Ia variación del módulo del elemento de fase (KdI) muestra un aumento continuo con Ia concentración de biomasa, en ambos medios de conductividades diferentes. Sin embargo, Ia resistencia de Ia solución (Rs) de ambos medios, que informa sobre Ia conductividad media, permanece constante a Io largo del rango de concentraciones. De estos resultados se deduce que el valor de Ia capacitancia no se ve modificado por un cambio de conductividad local del medio debido al incremento de biomasa, pero sí, en cambio, por un incremento de Ia concentración bacteriana de Ia muestra, obteniéndose una relación lineal de alta calidad entre el valor del cambio de capacitancia y Ia concentración de biomasa, en rangos que van desde 101 cfu.cm"3 hasta 106 cfu.cm"3.
Los resultados obtenidos ponen de manifiesto que, el valor del cambio de capacitancia de Ia doble capa eléctrica (4) de Ia interfase es un parámetro útil y muy fiable para medir bajas concentraciones de biomasa (5).
De las figura 6 y 7 también se deduce que Ia magnitud del cambio de capacitancia de Ia interfase varía en función del tipo de conductividad del medio. Así, para una misma concentración bacteriana, a conductividades del medio bajas se mostraron valores de cambio de capacitancia (KdI) inferiores. La diferencia de conductividad del medio de partida no se traduce en una mejora de Ia sensibilidad del proceso Ia cual es idéntica en ambos casos (misma pendiente de Ia curva). No obstante, Ia disminución de Ia conductividad del medio trabajo se ha visto que mejora el límite de detección que se reduce de 102 cfu.cm"3 hasta 101 cfu.cm"3. Por Io tanto, los medios poco salinos resultan más adecuados para medir bajas concentraciones de biomasa.
Tal y como se ha comentado en Ia descripción de Ia invención, al objeto de medir un rango de concentraciones de biomasa más amplio, se ha definido un parámetro que mide Ia diferencia del valor del cambio de capacitancia de dos medidas tomadas en un intervalo de tiempo predeterminado.
La figura 8 muestra Ia representación gráfica de los resultados obtenidos en un experimento en el que se midió Ia variación del diferencial del cambio de capacitancia con Ia concentración de biomasa bacteriana, en medidas tomadas en intervalos de tiempo de 40 minutos.
Los resultados muestran una relación lineal de alta calidad en un rango de concentraciones que va desde 10 cfu.cm"3 hasta 108 cfu.cm"3.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo para medir Ia concentración de biomasa (5) de un medio, que comprende medios para medir el cambio de impedancia eléctrica producido por Ia presencia de biomasa (5) y medios de procesamiento y control para determinar Ia concentración de biomasa (5) a partir de dichos medios para medir el cambio de impedancia, caracterizado por el hecho de que dichos medios para medir el cambio de impedancia comprenden por Io menos dos electrodos (2) de configuración adecuada para permitir Ia medida del cambio de capacitancia de Ia doble capa eléctrica (4) de Ia interfase electrodo/solución, producido por Ia adhesión electrostática de biomasa (5), y por el hecho de que dichos medios de procesamiento y control determinan Ia concentración de biomasa (5) a partir de una curva de calibración que correlaciona dicho valor de cambio de capacitancia con Ia concentración de biomasa (5).
2. Dispositivo según Ia reivindicación 1 , caracterizado por el hecho de que dichos por los menos dos electrodos (2) están integrados en un sustrato (3) de material, constituyendo dichos electrodos (2) integrados en dicho sustrato (3) un elemento electrónico chip (1 ) susceptible de ser inmerso en el medio en el que se lleva a cabo Ia medida de concentración de biomasa (5).
3. Dispositivo según Ia reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que dicho elemento electrónico chip (1 ) comprende medios de conexión inalámbrica a dichos medios de procesamiento y control.
4. Dispositivo según Ia reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que dicho elemento electrónico chip (1 ) comprende por Io menos un sensor para medir parámetros del medio en el que se lleva cabo Ia medida de concentración de biomasa (5).
5. Dispositivo según Ia reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que dichos electrodos (2) están integrados en el sustrato (3) en forma de micro-discos.
6. Dispositivo según Ia reivindicación 1 , caracterizado por el hecho de que el material de dichos electrodos (2) es un material semiconductor.
7. Dispositivo según Ia reivindicación 1 , caracterizado por el hecho de que dicha biomasa (5) está constituida por una o más células procariotas o eucariotas.
8. Uso de un elemento electrónico chip (1 ) que comprende por los menos dos electrodos (2) integrados en un mismo sustrato (3) de material, para medir Ia concentración de biomasa (5) de un medio mediante espectroscopia de impedancia electroquímica.
9. Procedimiento para medir Ia concentración de biomasa de un medio mediante el dispositivo reivindicado, caracterizado por el hecho de que comprende las etapas de: a) polarizar el medio aplicando un potencial eléctrico a los electrodos (2) del dispositivo reivindicado, al objeto de adherir biomasa sobre Ia superficie de dichos electrodos (2), b) medir el cambio de impedancia eléctrica del medio polarizado, c) determinar en el circuito equivalente al modelo eléctrico del medio, el valor del cambio de capacitancia de Ia doble capa eléctrica (4) de Ia interfase electrodo/solución, a partir del valor del cambio de impedancia de Ia etapa b), d) determinar Ia concentración de biomasa (5) del medio a partir del valor del cambio de capacitancia de Ia doble capa eléctrica (4) mediante Ia correspondiente curva de calibración que correlaciona dicho valor de cambio de capacitancia con Ia concentración de biomasa (5) del medio.
10. Procedimiento según Ia reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que Ia capacitancia de Ia doble capa eléctrica (4) del circuito equivalente es aproximada a un elemento de fase constante, siendo determinado en Ia etapa c) el valor de Ia variación del módulo de dicho elemento de fase constante.
1 1 . Procedimiento según Ia reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que Ia frecuencia de trabajo del flujo electrónico generado por Ia medida de Ia impedancia de Ia etapa b) es inferior a 1 MHz.
12. Procedimiento según Ia reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que Ia concentración de biomasa de Ia etapa d) se determina a partir del valor diferencial de dos medidas de cambio de capacitancia tomadas en un intervalo de tiempo predeterminado.
13. Procedimiento según Ia reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que Ia concentración inicial de biomasa (5) del medio se determina de forma indirecta, mediante Ia correspondiente curva de crecimiento de biomasa (5), tras monitorizar Ia concentración de biomasa (5) a Io largo de un periodo de incubación predeterminado.
14. Procedimiento según Ia reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que dicha biomasa (5) está constituida por una o más células eucariotas o procariotas, frutas.
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EP08870727.8A EP2243824A4 (en) 2008-01-16 2008-12-17 BIOMASS CONCENTRATING MEASURING APPARATUS AND METHOD AND USE OF AN ELECTRONIC CHIP ELEMENT FOR MEASURING BIOMASS CONCENTRATION
US12/812,129 US20110035157A1 (en) 2008-01-16 2008-12-17 Biomass concentration measurement device and method and use of an electronic chip element for measuring said biomass concentration

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3299804A1 (de) 2016-09-27 2018-03-28 Georg Fischer JRG AG Verfahren und vorrichtung zur analyse der bakteriendichte in trinkwasser

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2325825B1 (es) * 2008-03-17 2010-06-25 Consejo Superior De Investigaciones Cientificas (Csic) (75%) Procedimiento y sistema para detectar y/o cuantificar bacteriofagos susceptibles de infectar una cepa huesped bacteriana predeterminada, uso de un dispositivo microelectronico sensor para detectar dichos bacteriofagos y dispositivo microelectronico sensor para llevar a cabo dicho.
WO2013123189A1 (en) 2012-02-15 2013-08-22 Becton, Dickinson And Company Impedence-based bacterial detection system
US20130331676A1 (en) * 2012-06-08 2013-12-12 Medtronic Minimed, Inc. Application of electrochemical impedance spectroscopy in sensor systems, devices, and related methods
TWI487901B (zh) * 2014-03-07 2015-06-11 弘光科技大學 偵測液體電性性質變化之方法、裝置及其應用
US10234376B2 (en) 2015-05-12 2019-03-19 Savannah River Nuclear Solutions, Llc Non-contact monitoring of biofilms and corrosion on submerged surfaces with electrochemical impedance spectroscopy
DE102016203576A1 (de) * 2016-03-04 2017-09-07 Hamilton Bonaduz Ag Verfahren zur Kalibration von impedanzspektroskopischen Biomassesensoren und Verwendung einer Suspension zur Durchführung eines solchen Verfahrens
EP3385366A1 (de) * 2017-04-04 2018-10-10 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur kontrolle eines biotechnologischen prozesses
EP3710817B1 (en) * 2017-11-15 2021-12-15 Politecnico di Milano Method for detecting and measuring a layer deposited on a surface in contact with a liquid medium and detection and measuring sensor implementing the same
JP7254077B2 (ja) * 2017-12-05 2023-04-07 アベイルズ メディカル，インコーポレイテッド 下流試験用の規定濃度の感染因子を含む出力サンプルの調製
EP3514223A1 (de) * 2018-01-17 2019-07-24 Eppendorf AG Multisensor für einen bioreaktor, bioreaktor, verfahren zur herstellung eines multisensors und zur messung von parametern
US11460402B2 (en) 2020-10-26 2022-10-04 Saudi Arabian Oli Company Methods for detecting and quantifying glutaraldehyde-based products in water

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4810650A (en) * 1986-09-22 1989-03-07 Kell Douglas B Determination of biomass
EP0277789B1 (en) * 1987-02-04 1992-05-20 Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho Method for measuring biomass
ES2143911A1 (es) 1997-03-06 2000-05-16 Nte Sa Metodo y aparato para medir la concentracion y composicion de biomasa.
EP0689051B1 (en) * 1994-06-13 2002-11-20 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Cell potential measurement apparatus having a plurality of microelectrodes
US6496020B1 (en) * 1997-09-27 2002-12-17 University Of Wales Aberystwyth Method and apparatus for capacitance measurement of a dielectric medium utilizing the ratio of capacitance measurement made at different frequencies
ES2183677A1 (es) 1997-03-06 2003-03-16 Nte Sa Mejoras en la patente n-* 9700500 relativa a un metodo y aparato para medir la concentracion y composicion de biomasa.
EP1784480A1 (fr) * 2004-08-16 2007-05-16 Nanotec Solution Procédé et dispositif de détermination de biomasse dans un milieu, notamment d`un milieu contenant des cellules biologiques, et appareil de mesure mettant en oevre ce procédé

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000022431A1 (en) * 1998-10-09 2000-04-20 Simon Feldberg Method and apparatus for determining and evaluating bacterial populations
CA2493101C (en) * 2002-07-20 2012-05-08 Acea Biosciences, Inc. Impedance based apparatuses and methods for analyzing cells and particles
US20070166700A1 (en) * 2004-01-30 2007-07-19 Tan Ooi K Sensing biological analytes on a ferroelectric transducer

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4810650A (en) * 1986-09-22 1989-03-07 Kell Douglas B Determination of biomass
EP0277789B1 (en) * 1987-02-04 1992-05-20 Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho Method for measuring biomass
EP0689051B1 (en) * 1994-06-13 2002-11-20 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Cell potential measurement apparatus having a plurality of microelectrodes
ES2143911A1 (es) 1997-03-06 2000-05-16 Nte Sa Metodo y aparato para medir la concentracion y composicion de biomasa.
ES2183677A1 (es) 1997-03-06 2003-03-16 Nte Sa Mejoras en la patente n-* 9700500 relativa a un metodo y aparato para medir la concentracion y composicion de biomasa.
US6496020B1 (en) * 1997-09-27 2002-12-17 University Of Wales Aberystwyth Method and apparatus for capacitance measurement of a dielectric medium utilizing the ratio of capacitance measurement made at different frequencies
EP1784480A1 (fr) * 2004-08-16 2007-05-16 Nanotec Solution Procédé et dispositif de détermination de biomasse dans un milieu, notamment d`un milieu contenant des cellules biologiques, et appareil de mesure mettant en oevre ce procédé

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2243824A4

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3299804A1 (de) 2016-09-27 2018-03-28 Georg Fischer JRG AG Verfahren und vorrichtung zur analyse der bakteriendichte in trinkwasser

Also Published As

Publication number Publication date
US20110035157A1 (en) 2011-02-10
ES2340118A1 (es) 2010-05-28
CN101939408A (zh) 2011-01-05
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