CN102507706A - 细菌介电电泳阻抗检测的微流控芯片分析微系统 - Google Patents

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一种细菌介电电泳阻抗检测的微流控芯片分析微系统，属于生化分析技术领域。本发明主要包括开关电源、信号控制和处理单元、微流控芯片和显示单元。本发明能实现细菌直接阻抗检测和介电电泳富集-原位阻抗检测的两种阻抗检测模式，提高了对细菌检测的灵敏度和准确性，并具有检测速度快、微系统的集成化程度高、体积小、携带方便等特点。本发明可广泛应用于食品安全、环境检测、疾病诊断、药物评价、药物筛选等领域中细菌的检测分析。

Description

细菌介电电泳阻抗检测的微流控芯片分析微系统
一.技术领域
本发明属于生化分析技术领域，具体涉及细菌快速分析检测的微流控芯片分析系统。 
二.背景技术
细菌对人类生活的方方面面有着巨大影响，细菌快速、准确检测在环境监测、食品安全检测、疾病的预防及早期诊断、微生物研究等方面具有重要意义。传统细菌检测主要采用培养法、免疫学法、分子生物学方法等，但存在耗时长、对人员、设备要求较高等不足之处。因此，为实现细菌快速、高效检测，科学工作者均在探索一种细菌快速分析检测方法，以满足人们对健康生活的期望。 
依托于MEMS加工技术的微流控芯片分析技术为细菌的快速高效检测提供了新思路和新技术途径。现阶段细菌芯片分析系统主要有光学分析检测系统和电化学分析检测系统，但是光学分析检测系统由于系统复杂、体积庞大，阻碍了系统的微型化发展。电化学分析检测系统灵敏度高、信号处理系统等外围设备比较简单、易于与芯片上的微电极匹配等优点，在微型化和便携化及检测高效、快速等方面有着良好的前景，也是科学工作者研究的重点课题。 
现有细胞快速分析检测的微流控芯片阻抗检测系统，如申请号为201010042100.2的“集成细胞操纵和检测的微流控芯片系统”专利，公开的细胞操纵和检测的微流控芯片系统由交流信号电源、微芯片、集成电路控制单元和计算机，对细胞进行操纵与检测。该系统的主要缺点是：该系统采用大型的、商品化的交流信号电源，未实现系统集成化和微型化，而且该系统仅进行了细胞操纵和阻抗检测，不能进行两种模式的阻抗检测，即直接细菌阻抗检测和细菌介电电泳富集-原位阻抗检测。因此，该系统集成化程度不高，携带不方便；检测的速度不快、效率不高；不能满足人们对环境、食品安全、疾病预防及早期诊断、微生物学等研究中方便、快速、准确、高效检测的要求。 
三.发明内容
本发明的目的是针对现有细菌快速分析检测的微流控芯片阻抗检测系统的不足，提供一种细菌介电电泳阻抗检测的微流控芯片分析微系统，集成细菌介电电泳富集和原位阻抗检测双重功能，实现细菌直接阻抗检测和细菌介电电泳富集与原位阻抗检测，具有高度集成化、高效、快速的特点。 
发明机理：本发明主要是将芯片介电电泳(Dielectrophoresis，DEP)，芯片阻抗检测和微流控芯片分析系统有机结合，构建针对细菌的介电电泳阻抗检测微流控芯片分析微系统。该 微系统通过控制交流信号的频率、幅值等参数，实现对细菌介电电泳富集；通过施加一定的激励信号，监测微流控芯片微管道中微电极上的变化来获得相应的电学响应信号，实现微流控芯片上细菌原位阻抗检测，建立快速、准确的细菌检测微系统和相应的定量方法。 
实现本发明目的的技术方案是：一种细菌介电电泳阻抗检测的微流控芯片分析微系统。主要包括：电源、信号控制和处理单元、微流控芯片和显示单元。其特征是： 
所述的电源为市购的AC-DC开关电源。所述开关电源的输入端通过电源线与220V/50Hz市电连接，所述开关电源的输出端通过电源线与所述的信号控制和处理单元的电源端连接，用以为所述的信号控制和处理单元提供工作的直流电源。 
所述的信号控制和处理单元为定购的由信号发生电路，信号选择与频率控制电路，信号检测电路，D/A信号转换电路及信号采集电路构成的印刷电路板。所述信号控制和处理单元的第一输出端和输入端分别通过导线分别与所述微流控芯片的玻璃基片上的10～30对并联的微电极连接，所述信号控制和处理单元的第二输出端通过串口线与所述显示单元连接。本微系统的信号控制和处理单元一方面向微流控芯片的微电极提供幅值为-10V～+10V、频率为10KHz～1MHz的激励信号，另一方面接受微流控芯片的玻璃基片上的微电极检测的细菌直接阻抗和细菌介电电泳富集-原位阻抗信号，并传送给显示单元进行处理分析、显示和打印。 
所述微流控芯片由玻璃基片和盖片组成。所述盖片的材料为聚二甲基硅氧烷，所述盖片的形状为长度为15～30mm、宽度为6～15mm、厚度为0.5～2mm的长方体。在所述盖片下表面的轴向中心处设置长度为8～16mm的微管道，所述微管道的截面为长为0.1～0.5mm，宽度为0.02～0.04mm的长方形。在所述微管道的两端分别设置有与微管道垂直且穿过盖片的孔径为1～3mm、高度为5～15mm的支管道，其中一端的支管道通过硅胶管与注射器连接，用以注入被检测液并控制被检测液在微管道中的流动；另一端的支管道通过硅胶管与集液器连通，用于收集检测流出液。所述的玻璃基片的形状为长度为15～30mm、宽度为10～25mm、厚度为0.2～0.6mm的长方体。在所述的玻璃基片上表面的长向的两边分别设置10～30对并联的微电极，所述的微电极的材料为钛金或金等惰性金属，每一微电极的长度为0.06～0.15mm，截面的长为0.015～0.035mm，宽为0.0001～0.0003mm的长方形。每对微电极的间距0.015～0.03mm，相邻两对微电极的间距为0.02～0.035mm。所述玻璃基片的上表面通过键合与所述盖片的下表面固接而构成微流控芯片。所述盖片下表面轴向中心处的微管道位于所述玻璃基片上表面长向两边的10～30对微电极的中心处。所述的10～30对并联微电极的两端分别通过导线分别与所述信号控制和处理单元的第一输出端和输入端连接，用于接受信号控制和 处理单元提供的激励信号和检测细菌直接阻抗和细菌介电电泳富集-原位阻抗响应信号，并将该信号传输给所述信号控制和处理单元。所述的微流控芯片通过设置于玻璃基片周边的管脚与所述的信号控制与处理单元连接。 
所述的显示单元为市购的计算机及其安装有自编的信号处理、分析程序，用于接收所述信号控制与处理单元传输的反映所述微流控芯片中被检测液细菌直接阻抗和细菌介电电泳富集-原位阻抗检测信号，通过程序进行处理分析被检测液中细菌量，并存储、显示和打印。 
本发明采用上述技术方案，主要有以下效果： 
1.本发明的微流控芯片将细菌介电电泳富集与原位阻抗检测集成于一体，并通过信号控制单元产生不同激励信号，并控制激励信号类型、施加顺序和时间，进行细菌介电电泳富集与原位阻抗检测，实现细菌的两种模式检测，即细菌直接阻抗检测和细菌介电电泳-原位阻抗检测，以提高对细菌的检测灵敏度和准确度。 
2.本发明的信号控制和处理单元均采用印刷电路板，实现集成化，微型化，体积小，携带方便。 
3.本发明通过信号控制和处理单元，对微系统进行自动化控制，极大缩短信号施加和切换时间，实现了快速、高效检测被测液中的细菌。 
4.本发明广泛应用于食品安全、环境检测、疾病诊断、药效评价、药物筛选等领域中细菌的检测分析。 
四.附图说明
图1为本发明的原理框图； 
图2为本发明的微流控芯片的结构示意图； 
图3为本实施例1的大肠杆菌定量分析曲线图。 
其中：■为不同浓度细菌直接阻抗值，◆为不同浓度细菌介电电泳富集与原位阻抗检测值，-为趋势线。 
图中：1玻璃基片，1-1微电极，2盖片，2-1支管道，2-2微管道。 
五.具体实施方式
实施例1 
如图1-3所示，一种细菌介电电泳阻抗检测的微流控芯片分析微系统，主要包括：电源、信号控制和控制单元、微流控芯片和显示单元。 
所述的电源为市购的AC-DC开关电源。所述开关电源的输入端通过电源线与220V/50Hz市电连接，所述开关电源的输出端通过电源线与所述的信号控制和处理单元的电源端连接，用以为所述的信号控制和处理单元提供工作的直流电源。 
所述的信号控制和处理单元为定购的由信号发生电路，信号选择与频率控制电路，信号检测电路，D/A信号转换电路及信号采集电路构成的印刷电路板。所述信号控制和处理单元的第一输出端和输入端分别通过导线与分别所述微流控芯片的玻璃基片上的10对并联的微电极连接，所述信号控制和处理单元的第二输出端通过串口线与所述显示单元连接。本微系统的信号控制和处理单元一方面向微流控芯片的微电极提供幅值为+10V、频率为10KHz/500KHz的激励信号，另一方面接受微流控芯片的微电极检测的细菌直接阻抗和细菌介电电泳富集-原位阻抗信号，并传送给显示单元进行处理分析、显示和打印。 
所述微流控芯片由玻璃基片1和盖片2组成。所述盖片2的材料为聚二甲基硅氧烷，所述盖片2的形状为长度为15mm、宽度为6mm、厚度为0.5mm的长方体。在所述盖片2下表面的轴向中心处设置长度为8mm的微管道2-2，所述微管道2-2的截面为长为0.1mm，宽度为0.02mm的长方形。在所述微管道2-2的两端分别设置有与微管道2-2垂直且穿过盖片的孔径为1mm、高度为5mm的支管道2-1，其中一端的支管道2-1通过硅胶管与注射器连接，用以注入被检测液并控制被检测液在微管道2-2中的流动；另一端的支管道2-1通过硅胶管与集液器连通，用于收集检测流出液。所述的玻璃基片1的形状为长度为15mm、宽度为10mm、厚度为0.2mm的长方体。在所述的玻璃基片1上表面的长向两边分别设置10对并联的微电极1-1，所述的微电极1-1的材料为金，每一微电极1-1的长度为0.06mm，截面的长为0.015mm，宽为0.0001mm的长方形。每对微电极1-1的间距0.015mm，相邻两对微电极1-1的间距为0.02mm。所述玻璃基片1的上表面通过键合与所述盖片2的下表面固接而构成微流控芯片。所述盖片2下表面轴向中心处的微管道2-2位于所述玻璃基片1上表面长向两边的10对微电极1-1的中心处。所述的10对并联微电极的两端分别通过导线分别与所述信号控制和处理单元的第一输出端和输入端连接，用于接受信号控制和处理单元提供的激励信号和检测细菌直接阻抗和细菌介电电泳富集-原位阻抗响应信号，并将该信号传输给所述信号控制和处理单元。所述的微流控芯片通过设置于玻璃基片周边的管脚与所述的信号控制与处理单元连接。 
所述的显示单元为市购的计算机及其安装有自编的信号处理、分析程序，用于接收所述信号控制和处理单元传输的反映所述微流控芯片中被检测液细菌直接阻抗和细菌介电电泳富集-原位阻抗检测信号，通过程序进行处理分析被检测液中细菌量，并存储、显示和打印。 
实施例2 
一种细菌介电电泳阻抗检测的微流控芯片分析微系统，同实施例1，其中： 
所述的信号控制和处理单元的第一输出端和输入端分别通过导线分别与所述微流控芯片的玻璃基片1上的15对并联的微电极1-1连接，所述信号控制和处理单元的第二输出端通过串口线与所述显示单元连接。本微系统的信号控制和处理单元一方面向微流控芯片的微电极1-1提供幅值为+6V、频率为100KHz/1MHz的激励信号，另一方面接受微流控芯片的微电极1-1检测的细菌直接阻抗和细菌介电电泳富集-原位阻抗信号，并传送给显示单元进行处理分析、显示和打印。 
所述盖片2的形状为长度为20mm、宽度为10mm、厚度为1mm的长方体。在所述盖片2下表面的轴向中心处设置长度为13mm的微管道2-2，所述微管道2-2的截面为长为0.3mm，宽度为0.03mm的长方形。在所述微管道2-2的两端分别设置有与微管道2-2垂直且穿过盖片的孔径为2mm、高度为8mm的支管道2-1，其中一端支管道2-1通过硅胶管与注射器连接，用以注入被检测液并控制被检测液在微管道2-2中的流动；另一端支管道2-1通过硅胶管与集液器连通，用于收集检测流出液。所述的玻璃基片1的形状为长度为25mm、宽度为20mm、厚度为0.3mm的长方体。在所述的玻璃基片1上表面的长向两边分别设置15对并联的微电极1-1，所述的微电极1-1的材料为金，每一微电极1-1的长度为0.09mm，截面的长为0.02mm，宽为0.0002mm的长方形。每对微电极1-1的间距0.025mm，相邻两对微电极1-1的间距为0.03mm。所述玻璃基片1的上表面通过键合与所述盖片2的下表面固接而构成微流控芯片。所述盖片2下表面轴向中心处的微管道2-2位于所述玻璃基片1上表面长向两边的15对微电极1-1的中心处。所述的15对并联微电极的两端分别通过导线分别与所述信号控制和处理单元的第一输出端和输入端连接，用于接受信号控制和处理单元提供的激励信号和检测细菌直接阻抗和细菌介电电泳富集-原位阻抗响应信号，并将该信号传输给所述信号控制和处理单元。 
实施例3 
一种细菌介电电泳阻抗检测的微流控芯片分析微系统，同实施例1，其中： 
所述信号控制和处理单元的第一输出端和输入端分别通过导线分别与所述微流控芯片的玻璃基片1上的30对并联的微电极1-1连接，所述信号控制和处理单元的第二输出端通过串口线与所述显示单元连接。本微系统的信号控制和处理单元一方面向微流控芯片的微电极1-1提供幅值为-10V、频率为500KHz/1MHz的激励信号，另一方面接受微流控芯片的微电极1-1 检测的细菌直接阻抗和细菌介电电泳富集-原位阻抗信号，并传送给显示单元进行处理分析、显示和打印。 
所述盖片2的形状为长度为30mm、宽度为15mm、厚度为2mm的长方体。在所述盖片2下表面的轴向中心处设置长度为16mm的微管道2-2，所述微管道2-2的截面为长为0.5mm，宽度为0.04mm的长方形。在所述微管道2-2的两端分别设置有与微管道2-2垂直且穿过盖片2的孔径为3mm、高度为15mm的支管道2-1，其中一端支管道2-1通过硅胶管与注射器连接，用以注入被检测液并控制被检测液在微管道2-2中的流动；另一端支管道2-1通过硅胶管与集液器连通，用于收集检测流出液。所述的玻璃基片1的形状为长度为30mm、宽度为25mm、厚度为0.6mm的长方体。在所述的玻璃基片1上表面的长向两边分别设置30对并联的微电极1-1，所述的微电极1-1的材料为钛金，每一微电极1-1的长度为0.15mm，截面的长为0.035mm，宽为0.0003mm的长方形。每对微电极1-1的间距0.03mm，相邻两对微电极1-1的间距为0.035mm。所述玻璃基片1的上表面通过键合与所述盖片2的下表面固接而构成微流控芯片。所述盖片2下表面轴向中心处的微管道2-2位于所述玻璃基片1上表面长向两边的30对微电极1-1的中心处。所述的30对并联微电极的两端分别通过导线分别与所述信号控制和处理单元的第一输出端和输入端连接，用于接受信号控制和处理单元提供的激励信号和检测细菌直接阻抗和细菌介电电泳富集-原位阻抗响应信号，并将该信号传输给所述信号控制和处理单元。 
实验结果： 
用实施例1中细菌介电电泳阻抗检测的微流控芯片分析微系统，将配制好的被测样品大肠杆菌溶液通过注射器注入微流控芯片的微管道中，接通市电，进行检测，测得大肠杆菌定量分析曲线，如图3所示。 
(1)在细菌直接阻抗检测模式下，大肠杆菌浓度为105-107CFU/mL时，阻抗响应信号Y1(mV)与溶液中细菌浓度C(CFU/mL)呈线性关系，Y1＝5.856×10-6C+98，相关系数可达0.972，说明其线性相关性较好，能够较为有效的用于大肠杆菌定量分析。 
(2)在细菌介电电泳富集-原位阻抗检测模式下，微电极在介电电泳作用下对低浓度的大肠杆菌溶液进行富集，然后进行原位阻抗检测，响应信号Y2(mV)与溶液中细菌浓度C(CFU/mL)呈线性关系Y2＝5.912×10-6C+133，介电电泳富集后阻抗响应信号明显提高，提高了细菌检测的灵敏度。 

Claims (1)

1.一种细菌介电电泳阻抗检测的微流控芯片分析微系统，主要包括：电源、信号控制和处理单元、微流控芯片和显示单元，其特征在于：
所述的电源为AC-DC开关电源，所述开关电源的输入端通过电源线与220V/50Hz市电连接，所述开关电源的输出端通过电源线与所述的信号控制和处理单元的电源端连接；
所述的信号控制和处理单元由信号发生电路，信号选择与频率控制电路，信号检测电路，D/A信号转换电路及信号采集电路构成的印刷电路板，所述信号控制和处理单元的第一输出端和输入端分别通过导线分别与所述微流控芯片的玻璃基片(1)上的10～30对并联的微电极(1-1)连接，所述信号控制和处理单元的第二输出端通过串口线与所述显示单元连接；
所述微流控芯片由玻璃基片(1)和盖片(2)组成，所述盖片(2)的材料为聚二甲基硅氧烷，所述盖片(2)的形状为长度为15～30mm、宽度为6～15mm、厚度为0.5～2mm的长方体，在所述盖片(2)下表面的轴向中心处设置长度为8～16mm的微管道(2-2)，所述微管道(2-2)的截面为长为0.1～0.5mm，宽度为0.02～0.04mm的长方形，在所述微管道(2-2)的两端分别设置有与微管道(2-2)垂直且穿过盖片的孔径为1～3mm、高度为5～15mm的支管道(2-1)，其中一端的支管道(2-1)通过硅胶管与注射器连接；另一端的支管道(2-1)通过硅胶管与集液器连通，所述的玻璃基片(1)的形状为长度为15～30mm、宽度为10～25mm、厚度为0.2～0.6mm的长方体，在所述的玻璃基片(1)上表面的长向的两边分别设置10～30对并联的微电极(1-1)，所述的微电极(1-1)的材料为钛金或金，每一微电极(1-1)的长度为0.06～0.15mm，截面的长为0.015-0.035mm、宽为0.0001～0.0003mm的长方形，每对微电极(1-1)的间距0.015～0.03mm，相邻两对微电极(1-1)的间距为0.02～0.035mm，所述玻璃基片(1)的上表面通过键合与所述盖片(2)的下表面固接而构成微流控芯片，所述盖片(2)下表面轴向中心处的微管道(2-2)位于所述玻璃基片(1)上表面长向两边的10～30对微电极(1-1)的中心处，所述的10～30对并联微电极(1-1)的两端分别通过导线与所述信号控制和处理单元的第一输出端和输入端连接，所述的微流控芯片通过设置于玻璃基片(1)周围的管脚与所述的信号控制与处理单元连接。
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