CN105606609A - 用于多种菌种检测的多通道微流控光电检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于微生物多种菌种检测的多通道微流控光电检测装置与方法，微流控芯片上设有多个混合反应管道，微流控芯片上方布置一个光束发射器、下方布置多个光电倍增管，光束发射器固定连接于水平移动机构的下方，微流控芯片的中间有原液池，原液池的外围是多个扇形的混合反应管道，每个混合反应管道的始端位置装有化学试剂盒，每个混合反应管道的始端均通过一个原液输送管道连接于原液池；微流控芯片采用旋转离心式混合技术对待测液体和化学试剂进行混合，并在光电检测过程中，设计了可自动移动式光源对反应通道逐个精准检测，可以同时检测出待测液体中含有的多种微生物菌种，集成化和自动化程度高。

Description

用于多种菌种检测的多通道微流控光电检测装置与方法

技术领域

本发明属于微生物检测领域，具体涉及一种用于微生物多菌种检测的微流控光电检测技术。

背景技术

微生物检测在食品加工、临床诊断、工业废水处理，农业培养液制备等方面起着决定性作用。而微流控芯片在微生物检测领域的应用也开始快速发展起来。对于微生物检测装置，中国专利申请号为CN201010284474.5的文献中提出了一种利用微流控芯片快速检测大肠杆菌的方法及相应的微流控芯片，但是该微流控芯片只能针对一种微生物检测对象进行检测，检测对象唯一，检测适用范围窄。

发明内容

本发明针对目前微流控技术在微生物检测方面的缺陷，提出了一种用于多种菌种检测的多通道离心式微流控光电检测装置与方法，能够同时检测出待测液体中的含有的多种微生物菌种的种类和浓度。

本发明用于多种菌种检测的多通道微流控光电检测装置采用的技术方案是：圆盘状的微流控芯片水平放置，微流控芯片正下方是固定连接于微流控芯片中心且带动微流控芯片旋转的第一步进电机，微流控芯片上设有多个混合反应管道，微流控芯片上方布置一个光束发射器、下方布置多个光电倍增管，光电倍增管的数量与混合反应管道的数量相同；光束发射器固定连接于水平移动机构的下方，水平移动机构包括第二步进电机；微流控芯片的中间有原液池，原液池的外围是多个扇形的混合反应管道，每个混合反应管道的始端位置装有化学试剂盒，每个混合反应管道的始端均通过一个原液输送管道连接于原液池，每个混合反应管道的末端均设置一个排气管道；第一步进电机和第二步进电机分别连接至电机控制模块，光束发射器与光电倍增管分别连接光电检测模块，光电检测模块连接信号处理模块，所述信号处理模块、电机控制模块和光电检测模块分别连接总控制器。

所述水平移动机构由滚珠丝杆、移动螺母、联轴器、步进电机、支架及铁棒组成，滚珠丝杆和铁棒均水平放置，滚珠丝杆一端通过联轴器连接第二步进电机，移动螺母套在滚珠丝杆上且与滚珠丝杆相配，铁棒有间隙地穿过移动螺母上的通孔且铁棒一端固定连接于支架，移动螺母的正下方固定连接光束发射器。

本发明所述用于多种菌种检测的多通道微流控光电检测装置的检测方法采用的技术方案是具有以下步骤：

A、在原液池中加入待测液体，在化学试剂盒中加入化学试剂，总控制器通过电机控制模块控制第一步进电机工作，第一步进电机带动微流控芯片转动，待测液体和化学试剂受到离心力作用一起流入混合反应管道中进行充分混合，检测出待测液体中是否含有一种或多种菌种；

B、总控制器通过电机控制模块控制第一步进电机转向，使微流控芯片停止在光束发生器下方，关闭第一步进电机，控制水平移动机构中的第二步进电机使其转动，带动光束发射器前后水平移动，使光束发射器对准所要检测的混合反应管道；

C、总控制器控制光电检测模块开始检测，光电倍增管接受到光信号并输入信号处理模块，信号处理模块对光信号进行数据分析，获得微生物的浓度，以此检测出多种菌种浓度。

本发明与已有技术相比具有如下优点：

1、本发明中的微流控芯片采用旋转离心式混合技术对待测液体和化学试剂进行混合，并在光电检测过程中，设计了可自动移动式光源对反应通道逐个精准检测，可以同时检测出待测液体中含有的多种微生物菌种，检测对象不唯一，适用检测范围更广，普适性强，结构简单体积小，操作方便，集成化和自动化程度高。

2、本发明通过滚珠丝杆，采用可移动式光束发射器进行反应区精准定位，准确度高。

3、本发明中的微流控芯片采用带阻隔环式通道，使得反应更加充分。

4、本发明通过液晶触屏显示，能实现良好的人机一体化。

附图说明

图1是本发明用于多种菌种检测的多通道微流控光电检测装置的总体结构示意图；

图2是图1中光束发射器的水平移动机构的结构放大示意图；

图3是图1中微流控芯片9及步进电机13的组装结构放大图；

图4是图3中微流控芯片9结构俯视放大图；

图5是图3中透气孔7的立体结构放大图；

图6是图1中移动螺母15的左视放大图；

图7是图1所示用于多种菌种检测的多通道微流控光电检测装置的工作流程图。

附图中各部件的序号和名称：

1:原液池；2:原液输送管道；3:化学试剂盒；4:混合反应管道；5:阻隔凸起；6:阻隔网；7:排气管道；8:阻隔凸起；9:微流控芯片；10:芯片中心孔；11:固定螺母；12:垫片；13:步进电机；14:滚珠丝杆；15:移动螺母；16:联轴器；17:步进电机；18:支架;19:铁棒；20:螺孔;21:圆孔;22:铁架台；23:光电倍增管;24:光束发射器;25:小空心铁框;26:信号处理模块；27:电机控制模块；28:光电检测模块；29:铁片；30:记录与显示模块；31:总控制器。

具体实施方式

参见图1所示的用于多种菌种检测的多通道微流控光电检测装置，微流控芯片9水平放置，在微流控芯片9上设有多个混合反应管道4。在微流控芯片9的正下方是步进电机13，步进电机13垂直布置，其输出轴固定连接于微流控芯片9的中心，带动微流控芯片9旋转。

微流控芯片9的上方布置一个光束发射器24，在微流控芯片9的下方布置了多个光电倍增管23，光电倍增管23的数量与微流控芯片9上的混合反应管道4的数量相同，一个光电倍增管23正好位于一个混合反应管道4的下方，光电倍增管23和混合反应管道4一一对应。光束发射器24固定连接于一个水平移动机构的下方，由水平移动机构带动光束发射器24水平移动至多个位置，光束发射器24的每个位置对应于一个多个光电倍增管23的位置，与光电倍增管23上下正对，保证光电倍增管23在光束发生器24检测范围之内。光束发射器24在不同位置的光束经过不同的混合反应管道4，对应于不同的光电倍增管23，以实现对多个混合反应管道4内混和液的光电检测。

将多个光电倍增管23固定连接在铁片29上，将铁片29固定连接于铁架台22上。铁片29水平放置，使多个光电倍增管23相对于微流控芯片9的垂直距离均相等。

再参见图2中带动光束发射器24水平移动的水平移动机构，该水平移动机构由滚珠丝杆14、移动螺母15、联轴器16、步进电机17、支架18以及铁棒19组成。滚珠丝杆14和铁棒19均水平放置，两者相互平行。铁棒19的一端固定连接于支架18，滚珠丝杆14的一端通过联轴器16连接步进电机17。步进电机17固定在支架18上，支架18固定于铁架台22顶面上。移动螺母15套在滚珠丝杆14上，与滚珠丝杆14相配合连接，同时移动螺母15通过自身上的通孔空套在铁棒19外，使铁棒19有间隙地穿过移动螺母15上的通孔。在移动螺母15的正下方固定连接光束发射器24，这样，由步进电机17带动滚珠丝杆14旋转从而带动移动螺母15和光束发射器24水平移动。由于铁棒19的限制，使移动螺母15不能旋转只能水平移动。

参见图1，步进电机13和步进电机17分别通过导线连接至电机控制模块27，光束发射器24与光电倍增管23分别经导线连接至光电检测模块28。光电检测模块28通过导线连至信号处理模块26。信号处理模块26通过导线连接至记录与显示模块30，记录与显示模块30用于显示检测结果。信号处理模块26、电机控制模块27、光电检测模块28以及记录与显示模块30分别连接总控制器31，由总控制器31控制。

参见图1和图3，步进电机13的输出轴垂直于微流控芯片9，从微流控芯片9正下方垂直穿过，通过垫片12和固定螺母11在微流控芯片9上方将步进电机13和微流控芯片9二者固定连接。微流控芯片9位于光束发射器24和光电倍增管23之间，且不影响光束发射器24的移动。

参见图3和图4，微流控芯片9为圆盘状，其正中间是芯片中心孔10，用于安装步进电机13的输出轴。在芯片中心孔10外围是原液池1，在原液池1的外围是多个混合反应管道4，混合反应管道4的直径微米级。每个混合反应管道4均是扇形，其中心均与原液池1的中心重合，多个混合反应管道4沿微流控芯片9的径向上等距离地布置，在每个混合反应管道4的始端位置安装化学试剂盒3，化学试剂盒3底部与对应的混合反应管道4连通，在不同的化学试剂盒3内盛放不同的化学试剂，可根据需要增减混合反应管道4数目和化学试剂盒3数目，保证检测对象多样性。

每个混合反应管道4的始端均通过一个原液输送管道2连接于原液池1，原液输送管道2的直径为微米级。原液输送管道2与混合反应管道4的连接处位于化学试剂盒3旁侧，靠近化学试剂盒3。在混合反应管道4内部设置多个阻隔凸起5，间隔一定弧度的位置设置一个阻隔凸起5，阻隔凸起5呈鱼骨状，使得混合反应管道4内的混合更加充分。

微流控芯片9的厚度约为5mm，混合反应管道4布置在距离微流控芯片9底面1/3的芯片厚度处。化学试剂盒3和原液池1嵌入于芯片内部。化学试剂盒3的体积不小于所在管道的体积，原液池1的体积不小于所有化学试剂盒3的体积之和，使得反应液体能够充满混合反应管道4，保证反应充分。

在每个混合反应管道4的末端设置一个排气管道7，排气管道7嵌入微流控芯片9的内部，再参见图5，排气管道7垂直于混合反应管道4，排气管道7下端与混合反应管道4相连相通，排气管道7的上端开口处安装阻隔网6，在排气管道7内部安装阻隔凸起8，阻隔凸起8用于阻止混合反应管道4内的液体溅出。排气管道7用于排出混合反应管道4内的空气，并减少外界干扰因素的干扰。

参见图1和图6所示的移动螺母15的结构，在移动螺母15的下方安装一个小空心铁框25，用于固定光束发射器24的导线位置，光束发射器24的导线穿过小空心铁框25，防止检测时导线对下方的微流控芯片9造成遮挡。在移动螺母15上方开有圆孔21，下方是螺孔20，铁棒19穿过圆孔21后固定焊接在支架18上，用于保证移动螺母15不进行旋转只做水平移动。在圆孔21的下方是螺孔20，螺孔20与滚珠丝杆14相配合。移动螺母15的水平位移长度应该大于或等于微流控芯片9的半径，保证微流控芯片9上的所有的混合反应管道4都在检测范围之内。

参见图1-7，本发明用于多种菌种检测的多通道微流控光电检测装置工作时，先初始化系统，在原液池1中加入待测液体，在对应的化学试剂盒3中加入化学试剂，例如以检测某待测液体中是否含有大肠杆菌为例，就在化学试剂盒3中加入一定浓度的乳酸菌试剂。加样完毕后，通过总控制器31设置步进电机13的预定转向，初始化信号处理模块26，信号转换模块26可以将模拟信号转换成数字信号。通过总控制器31控制电机控制模块27开始对步进电机13加速，步进电机13带动微流控芯片9转动，原液池1中的待测液体和化学试剂盒3中的化学试剂一起受到离心力作用的影响，待测液体从原液输送管道2中流出，与化学试剂盒3中的化学试剂一起流入混合反应管道4中进行混合，随着液体流入混合反应管道4，原液输送管道通道2和混合反应管道4中的气体受到挤压向混合反应管道4的末端移动，在排气管道7中排出，保证液体在有多重阻隔凸起5的混合反应管道4内充分混合。通过总控制器31控制电机控制模块27，调整步进电机13的速度，使得步进电机13的转速达到预定值，使其充分混合反应。稳定转速后，步进电机13保持该旋转速度，维时两分钟。判断混合是否充分，若未充分，继续保持步进电机13转动。例如；当某待测液体与乳酸菌反应后，产生白色凝结，且随着步进电机13转动该凝结状态趋于稳定，则表示该待测液体中有大肠杆菌，且反应充分，如果无明显白色凝结，则说明该待测液体中不含大肠杆菌或是含有的大肠杆菌及其微量可忽略不计。其他菌种的检测原理同样如此，这样通过多个混合反应管道4、多个化学试剂盒3以及原液输送管道通道2，就可检测出待测液体中是否含有一种或多种微生物菌种。

在混合反应充分后，进行光电检测，总控制器31通过电机控制模块27控制步进电机13转向，使微流控芯片9停止在光束发生器24下方，接受光电检测的部分为混合反应管道4的中间部分，此时关闭步进电机13，打开水平移动机构中的步进电机17并设定步进电机17的转向，使得步进电机17转动合适的步距角，由水平移动机构带动光束发射器24前后水平移动，在水平移动机构的步进电机17一步一步精准定位下，滚珠丝杆14带动移动螺母15以精准的移动距离做水平运动，使得固定在移动螺母15上的光束发射器24对准所要检测的混合反应管道4。确定好检测位置后，总控制器31控制光电检测模块28开始检测，开启光束发生器24，位于混合反应管道4下方的对应的光电倍增管23通电，光电倍增管23接受到光信号，此信号输入信号处理模块26，信号处理模块26将模拟信号处理为数字信号，当信号达到相对稳定状态时，对信号进行数据分析，获得微生物菌种的浓度，最终在记录与显示部分30进行微生物浓度的记录与显示。若检测对象为多种菌种时，以相同的方式设置步进电机17的转向，一个混合反应管道4检测完成后，再次调节步进电机17，使得移动螺母15向前或向后到达下一个待检测区域，重复上述光电检测步骤，以此检测出多种微生物菌种的浓度。

检测完毕后，在记录与显示模块30显示相应微生物种类和浓度，最后关闭所有模块切断电源。

Claims (9)

1.一种用于多种菌种检测的多通道微流控光电检测装置，圆盘状的微流控芯片（9）水平放置，微流控芯片（9）正下方是固定连接于微流控芯片（9）中心且带动微流控芯片（9）旋转的第一步进电机（13），其特征是：微流控芯片（9）上设有多个混合反应管道（4），微流控芯片（9）上方布置一个光束发射器（24）、下方布置多个光电倍增管（23），光电倍增管（23）的数量与混合反应管道（4）的数量相同；光束发射器（24）固定连接于水平移动机构的下方，水平移动机构包括第二步进电机（17）；微流控芯片（9）的中间有原液池（1），原液池（1）的外围是多个扇形的混合反应管道（4），每个混合反应管道（4）的始端位置装有化学试剂盒（3），每个混合反应管道（4）的始端均通过一个原液输送管道（2）连接于原液池（1），每个混合反应管道（4）的末端均设置一个排气管道（7）；第一步进电机（13）和第二步进电机（17）分别连接至电机控制模块（27），光束发射器（24）与光电倍增管（23）分别连接光电检测模块（28），光电检测模块（28）连接信号处理模块（26），所述信号处理模块（26）、电机控制模块（27）和光电检测模块（28）分别连接总控制器（31）。

2.根据权利要求1所述用于多种菌种检测的多通道微流控光电检测装置，其特征是：所述水平移动机构由滚珠丝杆（14）、移动螺母（15）、联轴器（16）、步进电机（17）、支架（18）及铁棒（19）组成，滚珠丝杆（14）和铁棒（19）均水平放置，滚珠丝杆（14）一端通过联轴器（16）连接第二步进电机（17），移动螺母（15）套在滚珠丝杆（14）上且与滚珠丝杆（14）相配，铁棒（19）有间隙地穿过移动螺母（15）上的通孔且铁棒（19）一端固定连接于支架（18），移动螺母（15）的正下方固定连接光束发射器（24）。

3.根据权利要求2所述用于多种菌种检测的多通道微流控光电检测装置，其特征是：多个光电倍增管（23）固定连接铁片（29），铁片（29）固定连接于铁架台（22），第二步进电机（17）固定在支架（18）上，支架（18）固定于铁架台（22）顶面上。

4.根据权利要求1所述用于多种菌种检测的多通道微流控光电检测装置，其特征是：多个光电倍增管（23）相对于微流控芯片（9）的上下垂直距离相等。

5.根据权利要求1所述用于多种菌种检测的多通道微流控光电检测装置，其特征是：信号处理模块（26）通过导线连接至记录与显示模块（30），记录与显示模块（30）连接总控制器（31）。

6.根据权利要求1所述用于多种菌种检测的多通道微流控光电检测装置，其特征是：混合反应管道（4）内部设置多个阻隔凸起（5）。

7.根据权利要求1所述用于多种菌种检测的多通道微流控光电检测装置，其特征是：混合反应管道（4）布置在距离微流控芯片（9）底面1/3的厚度处，化学试剂盒（3）和原液池（1）均嵌入在微流控芯片（9）内部。

8.根据权利要求1所述用于多种菌种检测的多通道微流控光电检测装置，其特征是：排气管道（7）垂直于混合反应管道（4）且嵌入在微流控芯片（9）内部，排气管道（7）下端与混合反应管道（4）相连相通，排气管道（7）上端开口处装有阻隔网（6），排气管道（7）内部装有阻隔凸起（8）。

9.一种如权利要求1所述多通道微流控光电检测装置的检测方法，其特征是具有以下步骤：

A、在原液池（1）中加入待测液体，在化学试剂盒（3）中加入化学试剂，总控制器（31）通过电机控制模块（27）控制第一步进电机（13）工作，第一步进电机（13）带动微流控芯片（9）转动，待测液体和化学试剂受到离心力作用一起流入混合反应管道（4）中进行充分混合，检测出待测液体中是否含有一种或多种菌种；

B、总控制器（31）通过电机控制模块（27）控制第一步进电机（13）转向，使微流控芯片（9）停止在光束发生器（24）下方，关闭第一步进电机（13），控制水平移动机构中的第二步进电机（17）使其转动，带动光束发射器（24）前后水平移动，使光束发射器（24）对准所要检测的混合反应管道（4）；

C、总控制器（31）控制光电检测模块（28）开始检测，光电倍增管（23）接受到光信号并输入信号处理模块（26），信号处理模块（26）对光信号进行数据分析，获得微生物的浓度，以此检测出多种菌种浓度。