【摘要】 琼脂扩散生物测定,抑菌区建模,有限元法,最低抑菌浓度,临界时间,双温技术,乳酸链球菌素

1. 抑菌区建模的理论基础

早期研究中，菲克扩散定律被用于描述抗生素在琼脂中的扩散行为，结合最低抑菌浓度（MIC）和细菌生长临界时间（Tc）的概念，建立了抑菌区半径与药物浓度的关联模型。通过模拟抗生素在琼脂中的放射状扩散，发现当局部浓度等于MIC时微生物生长被抑制，而低于MIC的区域则形成抑菌带。Cooper与Woodman的研究进一步表明，当琼脂中微生物数量超过MIC抑制阈值时，抑菌区将在特定临界时间形成。

 

2. 双温琼脂扩散技术的创新应用

传统单温琼脂扩散试验中，抗生素扩散与微生物生长同步进行，导致精度受限。为提高测定准确性，双温技术引入预扩散阶段：首先在4°C低温环境中使抗生素充分扩散，随后在30°C环境下孵育微生物。这一方法有效分离扩散与生长阶段，利用有限元法（FEM）模拟药物浓度分布，解决了复杂初始条件下解析解的局限性。

图1 琼脂扩散生物测定的示意图。

图2 将区域离散化为有限单元。

 

3. 有限元法在扩散建模中的核心作用

有限元法通过将琼脂区域离散化为几何单元（图2），结合节点数值计算，精准预测抗生素浓度随时间的变化。研究团队以乳酸链球菌素（nisin）为对象，构建三维圆柱形琼脂模型，通过网格优化确保模拟结果收敛。实验验证表明，模型预测的抑菌区半径与实测值高度吻合（R²=0.984），证实该方法在抗菌素定量分析中的可靠性。

 

4. 技术优势与实际应用

该模型可替代传统标准曲线法，显著缩短抗菌素浓度测定时间。研究还表明，模型可扩展至其他抗菌素（如Nisaplin®）的量化分析，为食品微生物检测与药物研发提供高效工具。实验数据与模拟结果的结合，进一步推动了琼脂扩散生物测定的标准化进程。

 

1.&nbspChandrasekar, V.;  Knabel, S. J.; Anantheswaran, R. C., Modeling development of inhibition zones in an agar diffusion bioassay. Food Science & Nutrition 2015, 3 （5）, 394-403.

2.&nbspLalpuria, M.;  Karwa, V.;  Anantheswaran, R. C.; Floros, J. D., Modified agar diffusion bioassay for better quantification of Nisaplin®. J. Appl. Microbiol. 2013, 114 （3）, 663-671.

 

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