CN105543085B

CN105543085B - 用于微生物肥菌培养条件优化控制的微流控装置和方法

Info

Publication number: CN105543085B
Application number: CN201610084878.7A
Authority: CN
Inventors: 毛罕平; 左志强; 杨宁; 晏盘龙; 周晓迪; 施杰
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2016-02-15
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2017-07-18
Anticipated expiration: 2036-02-15
Also published as: CN105543085A

Abstract

本发明公开一种用于细胞培养领域中微生物肥菌培养条件优化控制的微流控装置和方法，包括箱体和位于箱体外部的PC机，箱体内部固定置放有气泵、10通道恒压进样器、载物台、微控制器和三级式微流控芯片，采用从营养液主成份筛选、主成份浓度配比优化到最佳配比营养液的进样参数和温度优化一整套优化控制方法，实现微流体智能操控、温度控制和智能监控双反馈，实现微流体智能操控、外部形貌图像自处理和内部生理代谢产物活性电化学检测双反馈，直接控制多通道进样方式和进样参数进行微流控微生物肥菌培养，对于任意一种微生物肥菌，在未知营养液成分情况下都可以进行培养条件优化控制。

Description

用于微生物肥菌培养条件优化控制的微流控装置和方法

技术领域

本发明属于细胞培养技术领域，具体涉及一种用于微生物肥菌培养条件优化控制的微流控芯片装置和方法，同时涉及计算机通信、自动化电子技术、生物化学等多学科领域。

背景技术

随着现代农业的快速发展，化肥的使用量逐年上升。传统的有机化肥资源短缺，制备过程耗能耗材，化肥利用率低，土壤肥力下降，作物的产量和品质大大降低，环境污染严重，生态平衡破坏。相对传统有机化肥而言，微生物肥料资源充足，利用率高，能提高和保持营养元素的转化，促进作物生长，净化环境和维持生态系统的平衡，实现农业健康可持续发展。

微生物肥菌的优质培养直接决定着微生物肥料的高效生产，是逐步推广、有效取代传统化肥的关键所在。传统的细胞培养采用培养皿和培养箱，培养基消耗多，工序复杂。现有的微流控细胞培养展示诸多优势，可控性强，能实现精细、高通量分析。中国发明专利申请号为201210381418.2的文献中提出了微流控细胞培养芯片及其实时观测的系统，设计了一种上下双层芯片，公开了一种实时观测系统，其不足之处在于必须限制在确定营养液配方下培养，无法优化培养条件即营养液主成份、主成份浓度配比、进样方式和参数，无法灵活地控制各通道的进样时序、时间和速度，自动化程度低，且缺乏对细胞培养长势信息的检测和反馈环节。中国发明专利申请号为201510221073.8的文献中提出了一套细胞体外培养微流控芯片、系统及方法，设计了一套包含多个细胞培养单元的芯片和构建了微流体控制系统，其不足在于必须限制在确定营养液配方下培养，无法优化培养条件即营养液主成份、主成份浓度配比、温度、进样方式和参数，缺乏细胞实时动态观测系统，无法获得细胞培养长势信息检测结果，不能建立反馈控制体系。

发明内容

本发明的目的是针对目前已有的微流控细胞培养装置与方法存在的功能单一、集成度不高、智能化程度低等缺点，提出一种用于微生物肥菌培养条件优化控制的微流控装置和方法，能优化营养液主成份、优化主成份浓度配比、温度等，实现智能操控和智能监控。

本发明用于微生物肥菌培养条件优化控制的微流控装置采用的技术方案是：包括箱体和位于箱体外部的PC机，箱体内部固定置放有气泵、10通道恒压进样器、载物台、微控制器和三级式微流控芯片；气泵的出口连接动力源进气管一端，动力源进气管另一端连接10通道恒压进样器的进气口，10通道恒压进样器具有10个并行的通道和装在每个通道上的10个电磁阀，每个通道均通过一根营养液进气管连通一个营养液储液瓶，10个电磁阀经电磁阀驱动模块连接微控制器；每个营养液储液瓶均通过一根进液管2连接三级式微流控芯片；10个营养液储液瓶浸入在一个恒温水浴缸中，在恒温水浴缸中设有加热片和温度传感器，温度传感器和加热片分别通过信号线连接温控模块，微控制器和温控模块分别连接PC机；载物台上表面放置三级式微流控芯片，三级式微流控芯片上方是显微镜物镜和摄像头，摄像头通过视频传输线连接PC 机；丝网印刷电极浸入三级式微流控芯片中的肥菌液中，丝网印刷电极与恒电位仪通过信号线相连，恒电位仪连接信号发生器和A/D转换模块，A/D转换模块经接口转换模块连接PC机；三级式微流控芯片有间隔120°布置的三级通道，每级通道均由进样口、废液排出口和之间的通道监测区组成，进样口靠近微流控芯片的外圈，废液排出口靠近微流控芯片的中心；第一级10通道和第三级6通道中的每个通道都有一个进样口和废液排出口，第二级伞状8通道中的每个通道都有一个进样口，8通道在中间段合并且有一个废液排出口；载物台内部下方是光源，光源正上方是视频实时监控孔区，三级式微流控芯片旋转至三级通道的通道监测区位于视频实时监控孔区的正上方时停止。

本发明用于微生物肥菌培养条件优化控制的微流控装置的优化控制方法采用的技术方案是依序按以下步骤：

A、旋转三级式微流控芯片，使第一级10通道的通道监测区位于视频实时监控孔区正上方；一个营养液储液瓶中加入一种预选的主成份，气泵输出气压经10通道恒压进样器，使10种主成份同步注入第一级10通道，采用摄像头拍摄照片上传给PC 机2进行图像处理，PC 机计算出肥菌浓度值；同时由丝网印刷电极采集肥菌生理代谢产物活性变化引起的电流和电压变化信号，传输给恒电位仪，经信号发生器与PC机，获得电化学检测活性值，对肥菌浓度值和电化学检测活性值按照权重处理得出最终结果，比较从第一级10通道中检测的10种最终结果，筛选出对肥菌生长影响最大的前8种主成份；

B、旋转三级式微流控芯片至第二级伞状8通道的通道监测区位于视频实时监控孔区正上方，将筛选出的前8种主成份分别从第二级伞状8通道的8个进样口独立进样， PC 机设置调节第二级伞状8通道的不同的进样方式和进样参数，采用摄像头实时拍摄照片上传给PC机进行图像处理并计算出肥菌实时浓度，采用丝网印刷电极、恒电位仪、信号发生器和PC机得出电化学检测活性值，对肥菌浓度值和电化学检测活性值按权重处理出最终主成份浓度配比；

C、旋转三级式微流控芯片至第三级6通道的通道监测区位于视频实时监控孔区正上方，根据最终主成份浓度配比配制好最优营养液，将最优营养液等分成6份，分别从第三级6通道的6个通道进入；PC机设置最优营养液不同的进样参数和控制温控模块设置不同的温度；摄像头实时拍摄照片上传给PC机处理，计算出肥菌肥菌浓度值；采用丝网印刷电极、恒电位仪、信号发生器和PC机得出电化学检测活性值，将所得肥菌浓度值和电化学检测活性值按权重处理出最终检测结果，在6种最终检测结果中选出最大值所对应的最优的进样参数和最优温度。

本发明设计了三级式微流控芯片，采用从营养液主成份筛选、主成份浓度配比优化到最佳配比营养液的进样参数和温度优化一整套优化控制方法，实现微流体智能操控、温度控制、智能监控双反馈，实现微流体智能操控、外部形貌图像自处理和内部生理代谢产物活性电化学检测双反馈。本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点：

（1）本发明具有自主设计的三级式微流控芯片，创建了营养液主成份筛选、主成份浓度配比优化、最佳配比营养液进样方式、进样参数和温度优化一整套培养条件优化方法，对于任意一种微生物肥菌，在未知营养液成分情况下，都可以进行培养条件优化控制。

（2）本发明具有智能微流体操控功能，通过Labview上位微控制器编程直接控制多通道进样方式（顺序进样、循环进样）和进样参数（时序、时间、速度）进行微流控微生物肥菌培养。

（3）本发明具有Labview上位终端实时温度控制功能，进入上位机主界面参数设置，可以进行恒温和梯度温度设置，既能定温培养，又能温度优化。

（4）本发明具有智能监测双反馈功能，对微生物肥菌培养，通过外部形貌Matlab图像自处理和内部生理代谢产物活性电化学检测双反馈功能，把检测结果反馈给Labview上位机，根据反馈程序激活微流体智能操控，温度控制功能，调节进样方式、进样参数和温度，不断优化出微生物肥菌培养条件（主成份、主成份浓度配比、最佳配比营养液进样方式、进样参数和温度）。

附图说明

图1 是本发明用于微生物肥菌培养条件优化控制的微流控装置的总体结构示意图；

图 2是图1中10通道恒压进样器6内部结构及外接结构放大示意图；

图 3是图1中三级式微流控芯片26结构俯视放大示意图；

图4是图3的俯视图；

图5是图1中载物台14的内部结构放大图以及与三级式微流控芯片26的装配分解放大图；

图6是图5中三级式微流控芯片26在一种工作状态时的俯视图；

图7是图1中温控模块46的内部结构和外部连接结构放大示意图；

图8是图1中PC机20对电磁阀7和温控模块46的控制框图；

图 9是图1中PC机20的控制界面示意图；

图10图1所示微流控芯片装置实现优化控制的流程图。

附图中各部件的序号和名称：

1：箱体，2：进液管，3：营养液储液瓶，4：营养液进气管，5：恒温水浴缸，6：10通道恒压进样器，7：电磁阀，8：动力源进气管，9：气泵，10：气压调节阀，11：气压液晶显示屏，12：总电源，13：电源线，14：载物台，15:光源，16：废液池，17：废液排放管，18：信号发生器，19：恒电位仪，20：PC机，21：数据线，22：A/D转换模块，23：接口转换模块，24：微控制器，25：丝网印刷电极，26：三级式微流控芯片，27：第一级10通道，28：第一级芯片进样口，29：第一级芯片监测区，30：第一级芯片废液排出口，31：第二级8通道，32：第二级通道进样口，33：第二级通道监测区，34：第二级通道废液排出口，35：第三级6通道，36：第三级通道进样口，37：第三级通道检测区，38：第三级通道废液排放口，39：芯片定位旋转中心孔，40：视频实时监控孔区，41：定位空心销，42：视频传输线，43：显微镜物镜，44：摄像头，45：视频监控窗口，46：温控模块，47：温度处理器，48：单片机温度控制器，49：温度显示器，50：电磁继电器，51：温度传感器，52：加热片，53：电磁继电器驱动模块，54：电磁阀驱动模块。

具体实施方式

参见图1，本发明用于微生物肥菌培养条件优化控制的微流控装置，包括箱体1 和PC机20，PC机20位于箱体1的外部，其余部件都位于箱体1的内部。箱体1内部具有一个总电源12，总电源12为箱体1内部的所需部件提供电源。箱体1内部还固定置放气泵9、10通道恒压进样器6、载物台14、微控制器24三级式微流控芯片26等。气泵9用电源线13连接总电源12，给气泵9通电。气泵9的出口连接动力源进气管8一端，动力源进气管8另一端连接10通道恒压进样器6的进气口。在动力源进气管8上安装气压调节阀10，调节动力源进气管8的气压，将气压调节阀10通过信号连接气压液晶显示屏11，实时显示当前气压值。10通道恒压进样器6通过信号线连接微控制器24，微控制器24通过数据线连接外置的PC机 20，由微控制器24直接控制10通道恒压进样器6的进样方式和参数。

参见图1和图2，10通道恒压进样器6具有10个并行通道和10个电磁阀7，每个通道都有一个通道进气口和一个通道出气口，在每个通道进气口和相应的通道出气口之间安装一个电磁阀7。10个电磁阀7分别是电磁阀A、B、C、D、E、F、G、H、I、J，动力源进气管8串接10个电磁阀7，动力源进气管8可同时向10个并行通道进气。每个电磁阀7均通过线圈通电或断电，驱使磁芯运转导致流体通过阀体或被切断。每个通道出气口均通过一根营养液进气管4连通一个营养液储液瓶3，营养液储液瓶3中注有营养液，营养液进气管4从营养液储液瓶3上口插入营养液储液瓶3内，使营养液进气管4保持在营养液上方，避免接触营养液溅起水花。因此共有10根营养液进气管4和10个营养液储液瓶3，10个营养液储液瓶3是图2中所示的营养液储液瓶a、b、c、d、e、f、g、h、i、j。每个营养液储液瓶3还通过一根进液管2连接三级式微流控芯片26，将进液管2一端插入对应的营养液储液瓶3内，另一端接入三级式微流控芯片26，对三级式微流控芯片26进样。

再参见图1，将10个营养液储液瓶 3并列排布竖直浸入一个恒温水浴缸5中，在恒温水浴缸5底部固定有加热片52，加热片52用于加热水溶液以控制营养液温度。在恒温水浴缸5中设置温度传感器51，温度传感器51和加热片52分别通过各自的信号线接入温控模块46。温控模块46和总电源12通过电源线13连接。箱体1内部中央固定有载物台14，载物台14上端面放置三级式微流控芯片26，三级式微流控芯片26与营养液储液瓶3通过进液管2相连，逐一进样。载物台14内部下方安装光源15，光源15与总电源12通过电源线13相接，载物台14内部下方还安装废液池16，废液池16与三级式微流控芯片26通过废液排放管17相连，排出废液。在三级式微流控芯片26上方空间位置固定安装显微镜物镜43和摄像头44，对准三级式微流控芯片26观察，显微镜物镜43上方设有可打开的视频监控窗口45，视频监控窗口45设在箱体1的上面板上，通过视频监控窗口45插入摄像头44。摄像头44通过视频传输线42连接外置的PC 机。

在靠近载物台14上端设置丝网印刷电极25，丝网印刷电极25插入三级式微流控芯片26中，并且与恒电位仪19通过信号线相连，进行检测信号传送。恒电位仪19连接信号发生器18，信号发生器18通过电源线13连接总电源12。恒电位仪19还经信号线连接A/D转换模块22，A/D转换模块22连接接口转换模块23，接口转换模块23经数据线21连接PC机20，进行信号数据的传输。丝网印刷电极25浸入肥菌液中采集信号，采集肥菌生理代谢产物活性变化引起的电流和电压变化信号，输入到恒电位仪19，同时信号发生器18向恒电位仪19提供有规律变化的电压信号，恒电位仪19通过信号发生器18提供的有规律变化的电压信号控制丝网印刷电极25之间电压变化，依次经A/D转换模块2、接口转换模块23、数据线21后输出相应的电流模拟信号给PC机20。

布置箱体1内部的部件时，将箱体1用隔板隔成上下两层，总电源12平稳置于下层左后方的箱体1底板上，总电源12前方适当距离是气泵9，气压液晶显示屏11位于箱体1前面板上。10通道恒压进样器6位于箱体1上层，固定在隔板上。动力源进气管8向箱体1前面板延伸接入气压调节阀10，气压调节阀10同时沿箱体1左前端边角竖直向上接入上层的10通道恒压进样器6。箱体1上层右后方置放微控制器24。箱体1内部中央是载物台14，载物台14底部固定在箱体1底板上，载物台14顶部向上穿过隔板。在载物台14右侧的箱体1下层有信号发生器18和恒电位仪19和，载物台14右侧的箱体1上层有A/D转换模块22和接口转换模块23。

参见图1、图3和图4，三级式微流控芯片26.为圆盘形状，三级式微流控芯片26的中心有芯片定位旋转中心孔39，保证在中心位置定位可靠、旋转平稳。三级式微流控芯片26.有三级通道，这三级通道间隔120°布置。其中，第一级通道有10个通道，称为第一级10通道27，其由第一级通道进样口28、第一级通道监测区29和第一级通道废液排出口30组成；第一级10通道27中的每个通道都有一个进样口和废液排出口，每个通道的进样口靠近微流控芯片的外圈，每个通道的废液排出口靠近微流控芯片的中心，每个进样口和废液排出口之间是通道监测区。在第一级10通道27的顺时针120°方向上是第二级伞状8通道31，第二级伞状8通道31有8个第二级通道进样口32和一个第二级通道废液排出口34，8个通道在中间段合并，在合并处和第二级通道废液排出口34之间是第二级通道监测区33。在第一级10通道27的逆时针120°方向上是为第三级6通道35，由第三级通道进样口36、第三级通道监测区37和第三级通道排液口38组成, 第三级6通道35中的每个通道都有一个进样口和废液排出口，每个通道的进样口靠近微流控芯片的外圈，每个通道的废液排出口靠近微流控芯片的中心，每个进样口和废液排出口之间是芯片监测区。

参见图5和图6，载物台14上表面的偏心位置固定一个垂直的定位空心销41，定位空心销41的旁侧是视频实时监控孔区40。三级式微流控芯片26的中心位置的芯片定位旋转中心孔39与定位空心销41间隙配合，既保证了三级式微流控芯片26的定位，也确保其自然旋转切换。载物台14内部下方是光源15，位于视频实时监控孔区40的正下方。三级式微流控芯片26中的三级通道各自的通道监测区会旋转至视频实时监控孔区40的正上方，此时三级式微流控芯片26停止在此位置，光源15发出的光从下往上照射到视频实时监控孔区40上的通道监测区，待图像检测。三级式微流控芯片26中的废液经各自的废液排出口，从芯片定位旋转中心孔39排出，通过定位空心销41经废液排放管17排入废液池16。三级式微流控芯片26旋转时，当第一级10通道27的第一级通道监测区29转到视频实时监控孔区40正上方的位置处，主要进行营养液主成份筛选，当第二级伞状8通道31中的第二级通道监测区33转到视频实时监控孔区40正上方的位置处，主要进行营养液主成份配比优化，当第三级6通道35中的第三级通道监测区37转到视频实时监控孔区40正上方的位置处，主要进行最优配比整体营养液进样参数优化。

参见图1、图2和图7，温控模块46内部有温度处理器47、单片机温度控制器48、温度显示器49和电磁继电器50。温度处理器47通过信号线连接单片机温度控制器48，单片机温度控制器48连接温度显示器49和电磁继电器50，温度显示器49显示实时温度值，电磁继电器50控制通断。单片机温度控制器48连接PC机 20，受Labview上位控制。加热片52一端接入电磁继电器50，另一端固定在恒温水浴缸5底部进行加热。

参见图8，由Labview 上位机PC 机20设置温度指令，发送给单片机温度控制器48。温度传感器51进行温度感知，采集温度信息，温度传感器51采集的温度信息传送到温度处理器47中进行温度处理，温度处理器47处理的温度信息发送给单片机温度控制器48，单片机温度控制器48判断当前温度是否满足PC 机20所设置的温度要求，若满足要求则回到PC机20 ，若不满足要求则通过电磁继电器50内部的电磁继电器驱动模块53驱动电磁继电器50接通，致使加热片52加热。

参见图1、图2和图8，10通道恒压进样器6中的10个电磁阀7分别通过各自的控制线连接电磁阀驱动模块54，电磁阀驱动模块54又连接微控制器24，微控制器24外接PC机20。PC机20 设置了10通道恒压进样器6中的10个通道的进样方式（包括循环进样、顺序进样、独立进样）和进样参数（包括时间、速度、流量），PC机20发出指令给微控制器24执行内部逻辑程序，微控制器24通过电磁阀驱动模块54控制10个电磁阀A-J相互间开关方式（包括循环开关、顺序开关、独立开关）、开关时间以及开关频率，实现各各个通道不同的进样方式、进样参数。比如：电磁阀A打开，则气体由电磁阀A所对应的这个营养液进气管4进入对应的营养液储液瓶3，气体下压营养液，使营养液从进液管2输入给三级式微流控芯片26进样。通过控制10个电磁阀7的开断决定着对应通道关闭，实现每个通道进样时序、时间、速度变化的功能。保障营养液主成分间的浓度配比以及最后的进样方式和参数的优化。

参见图1和图9，PC 机20的主界面上集成了参数设置、视频监控、图像处理、电化学检测、检测结果五大功能。由参数设置按钮进入进样方式、进样速度、进样时间和温度设置；点击视频监控按钮进入肥菌生长实时动态视频画面；点击图像处理按钮进入图像灰度化、二值化个数、面积浓度计算；点击电化学检测按钮进入电化学软件实时分析图；点击检测结果，进入产物活性电化学检测结果和图像处理结果显示画面。

参见图1-10，本发明用于微生物肥菌培养条件优化控制的微流控装置工作时，具体按以下步骤实现微生物肥菌培养条件的优化控制：

步骤1：营养液主成份筛选：把三级式微流控芯片26 旋转切换，使第一级10通道27的第一级通道监测区29位于视频实时监控孔区40正上方。同时，预选10种主成份分别加入10个营养液储液瓶3，一个营养液储液瓶3中加入一种主成份。由PC机20进入参数设置模式，第一级10通道27设置相同的进样各参数（时序、时间、速度），控制主成份单一变量不同。打开总电源12，气压由气泵9输出，经过气压调节阀10，从动力源进气管8进入，流经10通道恒压进样器 6的每个通道入口，10通道恒压进样器 6开始工作，实现10种主成份同步进样。10种主成份同步注入第一级10通道27，提供肥菌生长营养环境，在肥菌生长过程中进行图像处理，即在第一级通道监测区29采用摄像头44实时拍摄照片上传给PC 机20 进行图像处理，所拍摄照片主要含有肥菌模糊的大小、形状、数目和重叠分布等信息，PC机20接受图片之后，通过调取内部Matlab图像处理程序先后对图片依次进行灰度化、二值化、模式识别处理后，清晰地呈现出肥菌的大小、形状、数目和分布，根据这些特征程序自动计算出肥菌的实时浓度，获得肥菌浓度值；同时，采用电化学检测，由丝网印刷电极25采集肥菌生理代谢产物活性变化引起的电流和电压变化信号，传输给恒电位仪19，恒电位仪19通过信号发生器18提供的有规律变化的电压信号控制丝网印刷电极间电压变化，输出相应的电流模拟信号给A/D转换模块22转换成数字信号，再经过接口转换模块23与PC机 20 完成串口间的数据通信，把数字信号传输给PC 机20，利用电化学分析软件扫描出循环伏安图，利用循环伏安图中氧化还原峰值即电化学检测活性值来表征微生物肥菌生理代谢产物活性。对以上图像处理得出的肥菌浓度值和电化学检测活性值通过Matlab编程按照一定的权重进行数据处理综合得出最终结果，在此过程中PC机 20自动实时调取肥菌生长视频监控图，自动显示每一时刻图像处理结果图和电化学软件扫描图，实时呈现图像处理和电化学活性检测结果及最终结果值图。比较从第一级10通道27中检测的10种最终结果，对最终结果值按照大小降序排序，筛选出对肥菌生长影响最大的前8种主成份。

步骤2：营养液主成份浓度配比优化：把三级式微流控芯片26 旋转切换至第二级伞状8通道31的第二级通道监测区33位于视频实时监控孔区40正上方。在步骤1中筛选出的8种主成份分别从第二级伞状8通道31的8个第二级通道进样口32独立进样， PC 机20自动设置调节第二级伞状8通道31的不同的进样方式（时序）和进样参数（速度、时间），实现不同的营养液浓度配比。在肥菌生长过程中进行图像处理，即在第二级通道监测区33采用摄像头44实时拍摄照片上传给PC机20 进行图像处理，所拍摄照片主要含有肥菌模糊的大小、形状、数目和重叠分布等信息，PC机 20接受图片之后，通过调取内部Matlab图像处理程序先后对图片进行灰度化、二值化、模式识别处理后，清晰地呈现出肥菌的大小、形状、数目和分布，根据这些特征程序自动计算出肥菌的实时浓度；同时，采用电化学检测，用丝网印刷电极25采集肥菌生理代谢产物活性变化引起的电流和电压变化信号，传输给恒电位仪19，恒电位仪19通过信号发生器18提供的有规律变化的电压信号控制丝网印刷电极间电压变化，输出相应的电流模拟信号给A/D转换模块22转换成数字信号，再经过接口转换模块23与PC机20 完成串口间的数据通信，把数字信号传输给PC机20，利用电化学分析软件扫描出循环伏安图，利用循环伏安图中氧化还原峰值即电化学检测活性值来表征微生物肥菌生理代谢产物活性。对以上图像处理得出的肥菌浓度值和电化学检测活性值通过Matlab编程按照一定的权重进行数据处理综合得出主成份浓度配比最终结果值X_n，在此过程中PC机20自动实时调取肥菌生长视频监控图，自动显示每一时刻图像处理结果图和电化学软件扫描图，实时呈现图像处理和电化学活性检测结果及最终结果值图。每一种固定的进样时序、进样速度、进样时间都对应图像处理和电化学检测按照权重综合得出主成份浓度配比结果值X_n，每一个X_n都对应着当前固定进样方式和参数下计算出的主成份浓度配比值，即优化的对象，X_n越大说明肥菌长得越好，说明当前的8通道主成份配比越佳，当结果无法满足X_n-1<X_n> X_n+1 时，X_n-1和X_n-1分别是PC机20设置的主成份浓度配比的上限值和下限值，此时将检测结果反馈给PC机20，进行反复调节进样方式（时序）和进样参数（速度、时间），实现新一轮的8通道主成份浓度配比，每一次优化的结果都是8通道主成份浓度配比，直至最终检测结果满足X_n-1<X_n > X_n+1，计算出在此时进样方式和进样参数下的8通道主成份最优的浓度配比值，即优化的对象。

步骤3：最优营养液整体进样参数和温度优化：把三级式微流控芯片26 旋转切换至第三级6通道35的第三级通道监测区37位于视频实时监控孔区40正上方。根据步骤二优化得到的8种主成份的最优浓度配比值，配制好最优营养液，并将最优营养液等分成6份，进入第三级6通道35，分别从6个第三级通道进样口36处注射。此时PC机20在参数设置中自动设置最优营养液不同的整体进样参数（时间、速度）和控制温控模块46设置不同的温度，在第三级芯片监测区37采用摄像头44实时拍摄照片上传给PC机20进行图像处理，所拍摄照片主要含有肥菌模糊的大小、形状、数目和重叠分布等信息，PC机20接受图片之后，通过调取内部Matlab图像处理程序先后对图片进行灰度化、二值化、模式识别处理后，清晰地呈现出肥菌的大小、形状、数目和分布，根据这些特征程序自动计算出肥菌的实时浓度；同时，采用电化学检测，用丝网印刷电极25采集肥菌生理代谢产物活性变化引起的电流和电压变化信号，传输给恒电位仪19，恒电位仪19通过信号发生器18提供的有规律变化的电压信号控制丝网印刷电极间电压变化，输出相应的电流模拟信号给A/D转换模块22转换成数字信号，再经过接口转换模块23与，PC机20 完成串口间的数据通信，把数字信号传输给PC机20，利用电化学分析软件扫描出循环伏安图，利用循环伏安图中氧化还原峰值即电化学检测活性值表征微生物肥菌生理代谢产物活性。对以上图像处理得出的肥菌浓度值和电化学检测活性值通过Matlab编程按照一定的权重进行数据处理综合得出最终结果，在此过程中PC机20自动实时调取肥菌生长视频监控图，自动显示每一时刻图像处理结果图和电化学软件扫描图，实时呈现图像处理和电化学活性检测结果及最终检测结果值图。对最终6种检测结果中选出最大值对应的最优的进样参数（时间、速度）和最优温度，即优化的对象。

Claims

1.一种用于微生物肥菌培养条件优化控制的微流控装置，包括箱体（1）和位于箱体（1）外部的PC机（20），其特征是：箱体（1）内部固定置放有气泵（9）、10通道恒压进样器（6）、载物台（14）、微控制器（24）和三级式微流控芯片（26）；气泵（9）的出口连接动力源进气管（8）一端，动力源进气管（8）另一端连接10通道恒压进样器（6）的进气口，10通道恒压进样器（6）具有10个并行的通道和装在每个通道上的10个电磁阀（7），每个通道均通过一根营养液进气管（4）连通一个营养液储液瓶（3），10个电磁阀（7）经电磁阀驱动模块（54）连接微控制器（24）；每个营养液储液瓶（3）均通过一根进液管（2）连接三级式微流控芯片（26）；10个营养液储液瓶（3）浸入在一个恒温水浴缸（5）中，在恒温水浴缸（5）中设有加热片（52）和温度传感器（51），温度传感器（51）和加热片（52）分别通过信号线连接温控模块（46），微控制器（24）和温控模块（46）分别连接PC机（20）；载物台（14）上表面放置三级式微流控芯片（26），三级式微流控芯片（26）上方是显微镜物镜（43）和摄像头（44），摄像头（44）通过视频传输线连接PC 机（20）；丝网印刷电极（25）浸入三级式微流控芯片（26）中的肥菌液中，丝网印刷电极（25）与恒电位仪（19）通过信号线相连，恒电位仪（19）连接信号发生器（18）和A/D转换模块（22），A/D转换模块（22）经接口转换模块（23）连接PC机（20）；三级式微流控芯片（26）有间隔120°布置的三级通道，每级通道均由进样口、废液排出口和之间的通道监测区组成，进样口靠近微流控芯片的外圈，废液排出口靠近微流控芯片的中心；第一级10通道（27）和第三级6通道（35）中的每个通道都有一个进样口和废液排出口，第二级伞状8通道（31）中的每个通道都有一个进样口，8通道在中间段合并且有一个废液排出口；载物台（14）内部下方是光源（15），光源（15）正上方是视频实时监控孔区（40），三级式微流控芯片（26）旋转至三级通道的通道监测区位于视频实时监控孔区（40）的正上方时停止。

2.根据权利要求1所述用于微生物肥菌培养条件优化控制的微流控装置，其特征是：所述温控模块（46）具有温度处理器（47）、单片机温度控制器（48）、温度显示器（49）和电磁继电器（50），温度处理器（47）通过信号线连接单片机温度控制器（48），单片机温度控制器（48）连接温度显示器（49）和电磁继电器（50），单片机温度控制器（48）连接PC机（20），加热片（52）连接于电磁继电器（50）。

3.根据权利要求1所述用于微生物肥菌培养条件优化控制的微流控装置，其特征是：箱体（1）内部具有一个总电源（12），总电源（12）经电源线连接分别连接气泵（9）、光源（15）、信号发生器（18）和温控模块（46）。

4.根据权利要求1所述用于微生物肥菌培养条件优化控制的微流控装置，其特征是：在动力源进气管（8）上装气压调节阀（10），气压调节阀（10）通过信号连接气压液晶显示屏（11）。

5.根据权利要求1所述用于微生物肥菌培养条件优化控制的微流控装置，其特征是：载物台（14）上表面的偏心位置处固定有一个垂直的定位空心销（41），定位空心销（41）的旁侧是视频实时监控孔区（40），三级式微流控芯片（26）的中心通过芯片定位旋转中心孔（39）与定位空心销（41）间隙配合。

6.根据权利要求1所述用于微生物肥菌培养条件优化控制的微流控装置，其特征是：载物台（14）内部下方装有废液池（16），废液池（16）与三级式微流控芯片（26）通过废液排放管（17）相连。

7.一种如权利要求1所述用于微生物肥菌培养条件优化控制的微流控装置的优化控制方法，其特征是依序按以下步骤：

A、旋转三级式微流控芯片（26），使第一级10通道（27）的通道监测区位于视频实时监控孔区（40）正上方；一个营养液储液瓶（3）中加入一种预选的主成份，气泵（9）输出气压经10通道恒压进样器（6），使10种主成份同步注入第一级10通道（27），采用摄像头（44）拍摄照片上传给PC 机（20）进行图像处理，PC 机（20）计算出肥菌浓度值；同时由丝网印刷电极（25）采集肥菌生理代谢产物活性变化引起的电流和电压变化信号，传输给恒电位仪（19），经信号发生器（18）与PC机（20），获得电化学检测活性值，对肥菌浓度值和电化学检测活性值按照权重处理得出最终结果，比较从第一级10通道（27）中检测的10种最终结果，筛选出对肥菌生长影响最大的前8种主成份；

B、旋转三级式微流控芯片（26）至第二级伞状8通道（31）的通道监测区位于视频实时监控孔区（40）正上方，将筛选出的前8种主成份分别从第二级伞状8通道（31）的8个进样口独立进样，PC 机（20）设置调节第二级伞状8通道（31）的不同的进样方式和进样参数，采用摄像头（44）实时拍摄照片上传给PC机（20）进行图像处理并计算出肥菌实时浓度，采用丝网印刷电极（25）、恒电位仪（19）、信号发生器（18）和PC机（20）得出电化学检测活性值，对肥菌浓度值和电化学检测活性值按权重处理出最终主成份浓度配比；

C、旋转三级式微流控芯片（26）至第三级6通道（35）的通道监测区位于视频实时监控孔区（40）正上方，根据最终主成份浓度配比配制好最优营养液，将最优营养液等分成6份，分别从第三级6通道（35）的6个通道进入；PC机（20）设置最优营养液不同的进样参数和控制温控模块（46）设置不同的温度；摄像头（44）实时拍摄照片上传给PC机（20）处理，计算出肥菌肥菌浓度值；采用丝网印刷电极（25）、恒电位仪（19）、信号发生器（18）和PC机20得出电化学检测活性值，将所得肥菌浓度值和电化学检测活性值按权重处理出最终检测结果，在6种最终检测结果中选出最大值所对应的最优的进样参数和最优温度。

8.根据权利要求7所述用于微生物肥菌培养条件优化控制的微流控装置的优化控制方法，其特征是：步骤C中，上位机PC 机（20）设置温度指令发送给温控模块（46）中的单片机温度控制器（48），温度传感器（51）采集温度信息传送到温度处理器（47）中处理，温度处理器（47）将处理的温度信息发送给单片机温度控制器（48），单片机温度控制器（48）判断当前温度是否满足PC 机（20）所设置的温度要求，若不满足要求则通过电磁继电器（50）内部的电磁继电器驱动模块（53）驱动电磁继电器（50）接通，使加热片（52）加热。