CN106568696B - 基于微流控芯片的作物真菌病害预防检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开微生物检测领域中基于微流控芯片的作物真菌病害预防检测装置与方法，步进电机的输出轴垂直向上且固定连接于微流控芯片的中心，在微流控芯片上设置有多级相同的微流控检测通道，气动电磁阀组由多个相同结构的气动电磁阀组成，每个气动电磁阀进气口一端均经一根抽气软管连接一个芯片抽气口，气动电磁阀气道另一端经气动电磁阀出气口与微型气泵相连；采用阵列旋转式的微流控芯片捕捉结构，具有自发过滤、负压吸气、富集检测、电动抽气等功能，既能实现野外现场同一种作物真菌病害的高通量检测，也能实现不同作物真菌的便携、快速、高效的捕捉，实现病害早期检测预警。

Description

基于微流控芯片的作物真菌病害预防检测装置与方法

技术领域

本发明属于微生物检测领域，具体是基于阵列式旋转微流控芯片的一种或多种作物真菌孢子检测装置。

背景技术

微生物检测在临床诊断、食品检测、工业污水处理、农业营养液的制备等方面起着决定性的作用，而微流控芯片在微生物预防检测领域迅速发展起来，

中国专利申请号为CN201410623883.1的文献中公开一种植物病害智能诊断系统,包括植物病害智能诊断主机和计算机,智能诊断主机内设有光谱扫描装置,智能诊断主机上设有可导入光谱扫描装置的检测槽,智能诊断主机通过数据线与计算机连接，功能强大,可实现多种植物病害的快速、准确、稳定、实时、非破坏性的诊断，但是该诊断系统在植物真菌孢子量较少的时候，不能实现真菌孢子的富集，从而不能实现实时早期病害检测，存在滞后性，并且诊断系统存在检测体积大、造价高、携带不方便且需要专门人员进行检测、不利于推广等诸多问题。

发明内容

本发明针对上述现有真菌孢子检测存在的问题，提出一种基于微流控芯片的作物真菌病害预防检测装置与方法，利用光电检测技术和旋转式微流控芯片技术，在作物真菌孢子量较少时，也能检测空气中一种或多种真菌孢子的浓度。

本发明基于微流控芯片的作物真菌病害预防检测装置采用的技术方案是：最外部是一个暗箱，暗箱内部设有微型气泵、气动电磁阀组、微流控芯片、步进电机、发光二极管、光敏二极管和微处理器，微流控芯片水平布置，步进电机的输出轴垂直向上且固定连接于微流控芯片的中心；在微流控芯片上设置有多级相同的微流控检测通道，每级微流控检测通道都由芯片进样区、曲线渐深型分离通道、富集检测区、芯片抽气通道、芯片抽气口依次由外而内串接组成，芯片进样区通过进样管与外部空气相通，富集检测区的正上方和正下方分别是发光二极管和光敏二极管；气动电磁阀组由多个相同结构的气动电磁阀组成，每个气动电磁阀均具有一个气动电磁阀进气口、一个金属通道、一个气动电磁阀阀门以及一个电磁继电器，每个气动电磁阀进气口一端均经一根抽气软管连接微流控芯片的一个芯片抽气口，每个气动电磁阀进气口的另一端均经对应的一个金属通道连接一个气动电磁阀气道一端，每个金属通道上装有一个气动电磁阀阀门，气动电磁阀气道另一端经气动电磁阀出气口与微型气泵相连；微型气泵、步进电机分别通过各自的控制线连接微处理器，微处理器控制气动电磁阀阀门的开关。

本发明基于微流控芯片的作物真菌病害预防检测装置的检测方法采用的技术方案是按以下步骤：

A、微处理器打开微型气泵和第一个气动电磁阀阀门，其余气动电磁阀阀门均关闭，空气进入第一级微流控检测通道中；光敏二极管得到实时电压信号U₀，微处理器将实时电压信号U₀和预先设定孢子饱和时光敏二极管检测到的饱和电压值为U进行比较，当U₀<U时，继续收集孢子，当U₀=U时，关闭微型气泵和第一个气动电磁阀阀门，并记录此时收集孢子的时间为T₁，

B、微处理器驱动步进电机旋转，将第二级微流控检测通道转到发光二极管和光敏二极管之间，打开微型气泵和第二个气动电磁阀阀门，通过第二级微流控检测通道收集孢子，并记录此时收集孢子的时间为T₂，

C、以此类推地通过下一次微流控检测通道收集孢子直至最后一级微流控检测通道收集孢子完成，所用时间分别为T₂……T_i，i是流控检测通道的级数；

D、从暗箱中取出微流控芯片，用显微镜对各级微流控检测通道中的孢子进行计数，得到第一级、第二级直到第i级微流控检测通道中的孢子的个数分别为N₁，N₂，……N_i，通过公式计算出孢子浓度值，V是微型气泵的气体通量V。

本发明和已有的方法和技术相比，具有如下优点：

1.本发明检测装置设计了多个集成的微流控孢子检测通道对真菌孢子进行检测，适应范围广，普适性强。

2.本发明检测装置利用光的散射现象，使用蓝色发光二极管作为发射的光源，其散射现象较为明显，使检测孢子检测的准确度更高。

3.本发明检测装置采用阵列旋转式的微流控芯片捕捉结构，具有自发过滤、负压吸气、富集检测、电动抽气等功能；微流控芯片旋转，既能实现野外现场同一种作物真菌病害的高通量检测，也能实现不同作物真菌病害的便携、快速、高效的捕捉，实现病害早期检测预警。

4.本发明检测装置利用步进电机和光电检测电路协同工作，当光电检测富集区域真菌孢子饱和时，驱动步进电机切换定位至下一级检测通道，实现了自动捕捉、检测、切换、再捕捉的闭环。

5.本发明检测装置中的气动电磁阀结构，拥有共同的气道源，通过步进电机驱动切换到下一级电磁阀，成本低，实用性强。

6.本发明检测装置体积小、结构简单、便携化、自动化程度高，易于商品化推广。

附图说明

图1是本发明基于微流控芯片的作物真菌病害预防检测装置的总体结构示意图；

图2是图1中微流控芯片2的结构放大示意图；

图3是图2中一个微流控检测通道31的立体结构放大示意图；

图4是图2中微流控检测通道31进样、孢子与杂质分离通道、富集检测与吸气的工作原理示意图；

图5是图1中气动电磁阀组14的立体结构放大示意图；

图6是图1中微流控检测通道31的切换工作示意图。

附图中的各部件的序号和名称：1：暗箱，2：微流控芯片，3：芯片进样区，4：曲线渐深型分离通道，5：富集检测区，6：芯片抽气通道，7：芯片抽气口，8：发光二极管，9：光敏二极管，10：步进电机，11：12V电源，12：24V电源，13：5V电源，14：气动电磁阀组，15：微处理器，16：透明塑料层，17：抽气软管，18：微型气泵，19：支架，20：气动电磁阀出气口，21：气动电磁阀进气口，22：金属通道，23：进样管，25：步进电机固定座，26：固定旋钮，27：气动电磁阀气道，28：底座，29：电磁继电器，31：微流控检测通道；32：气动电磁阀阀门。

具体实施方式

参见图1，本发明基于微流控芯片的作物真菌病害预防检测装置最外部是一个暗箱1，暗箱1的底面是水平布置的底座28。暗箱1为方形结构，其底部四角处各固定连接一根垂直的支架19，暗箱1可通过支架19水平放置。

在暗箱1内部设有微型气泵18、气动电磁阀组14，微流控芯片2、步进电机10、发光二极管8、光敏二极管9、微处理器15以及电池等。

微流控芯片2水平布置，微流控芯片2的正下方是步进电机10，步进电机10通过固定座25垂直固定在底座28上，步进电机10的输出轴垂直向上并且固定连接于微流控芯片2的中心，步进电机10旋转带动微流控芯片2旋转。在微流控芯片2上设置多级微流控检测通道31。微型气泵18与气动电磁阀组14相连，气动电磁阀组14有多个进气口，多个管道输入，进行吸气。气动电磁阀组14的每个进气口各通过一根抽气软管17连接微流控芯片2上的一个微流控检测通道31，每级微流控检测通道31还通过一个进样管23与外部大气相通。微流控检测通道31的数量和抽气软管17、进样管23的数量都相同。每根抽气软管17都是两端口径不等的软管，口径较大的一端和气动电磁阀组组14相连，口径较小的一端和微流控检测通道31相连。

在微流控芯片2的一个微流控检测通道31的正上方和正下方设置一对发光二极管8和光敏二极管9，发光二极管8在一级微流控检测通道31的正上方，光敏二极管9在一级微流控检测通道31的正下方。发光二极管8发出蓝色光。在支架19上固定连接固定旋钮26一端，固定旋钮26另一端连接且支撑发光二极管8，用于调节蓝色发光二极管8的上下高度。在步进电机10壳体上表面固定一水平的透明塑料层16，透明塑料层16粘在步进电机10壳体上，用于放置光敏二极管9，使光敏二极管9位于发光二极管8的正下方，发光二极管8通过微流控检测通道31透射下来的光信号，经光敏二极管9转化成电信号。

本发明设置三个电池同时给装置供电，分别是电池11、12、13。电池11是12V电源，用于为微型气泵18供电，电池12是24V电源，用于为气动电磁阀组14供电；电池13是5V电源，用于为微处理器15供电。

参见图1、图2和图3，微流控芯片2上具有多级相同的微流控检测通道31，图2仅以六级相同的微流控检测通道31为例。这多级相同的微流控检测通道31沿圆周方向均匀设置，每级微流控检测通道31都是径向布置，都由芯片进样区3、曲线渐深型分离通道4、富集检测区5、芯片抽气通道6、芯片抽气口7共五个部分依次由外而内串接组成。芯片进样区3和进样管23外端相连，发光二极管8和光敏二极管9分别位富集检测区5的正上方和正下方。芯片进样区3内端连接曲线渐深型分离通道4的外端，曲线渐深型分离通道4的内端连接富集检测区5，曲线渐深型分离通道4的上下纵向深度由外向内逐渐变深，直至富集检测区5，富集检测区5的深度与曲线渐深型分离通道4内端深度相同。在富集检测区5和芯片抽气口7之间连接三个芯片抽气通道6，三个芯片抽气通道6呈上、中、下布置。每个芯片抽气口7均通过一根抽气软管17连接气动电磁阀组14的一个进气口。作物真菌孢子以及空气中的灰尘杂志从进样管23进入微流控检测通道31，但是这些杂质的吸入会给孢子计数增加一定的难度，由于孢子和杂质的质量不同，所受的浮力以及来自芯片抽气口7的力均不同，使孢子和杂质在微流控检测通道31中其所受的合力不同，曲线渐深型分离通道4用以增加微流控检测通道31的长度以达到分离所需的距离，孢子经过曲线渐深型分离通道4，从而在纵向上形成不同的运动轨迹达到分离的效果，曲线渐深型分离通道4的内端底部逐步平滑的向芯片底部延伸直至富集检测区5，孢子和杂质在富集检测区5分离开。

参见图4，微型气泵18进行抽气时，芯片进样区3经进样管23从空气中吸取带有杂质的孢子混合物，经过芯片进样区3和曲线渐深型分离通道4到达富集检测区5。富集检测区5正上方是蓝色的发光二极管8，正下方是光敏二极管9，光敏二极管9接收上方发光二极管8穿透芯片的光强信号。之后，富集检测区5的空气从芯片抽气通道6进入芯片抽气口7，三个相同的芯片抽气通道6使孢子混合物可以顺利的进入芯片抽气口7。

参见图1和图5，气动电磁阀组14由多个相同结构的气动电磁阀组成，气动电磁阀的数量要大于等于微流控检测通道31的数量。每个气动电磁阀均具有一个气动电磁阀进气口21、一个金属通道22、一个气动电磁阀阀门32以及一个电磁继电器29。每个气动电磁阀进气口21一端连接一根抽气软管17，经对应的一根抽气软管17连接微流控芯片2的一个芯片抽气口7。每个气动电磁阀进气口21的另一端均经对应的一个金属通道22连接一个共同的气动电磁阀气道27一端，在每个金属通道22上装一个气动电磁阀阀门32，气动电磁阀气道27另一端经气动电磁阀出气口20与微型气泵18相连。

微型气泵18、步进电机10分别通过各自的控制线连接微处理器15，微处理器15驱动步进电机10转动，控制微型气泵18抽气和停止。电磁继电器29经开关连接电池12，微处理器15经控制线连接开关，控制开关的开和关，当启动开关后，电磁继电器29中的线圈在通电的情况下会产生磁场，打开相应的气动电磁阀阀门32，实现微处理器15对气动电磁阀阀门32的控制。微型气泵18开始抽气，气体经过气动电磁阀进气口21进入气动电磁阀气道27，而后通过打开的气动电磁阀阀门32经过金属通道22到达气动电磁阀出气口20，从而完成整个气动电磁阀的工作过程。

微处理器15还通过信号线连接光敏二极管9，将经光敏二极管9光信号转化成电信号，计算出电压信号的大小。当电信号小于一定的值时，当富集检测区5区域内孢子饱和时，透过的光强信号达到最弱，相应的气动电磁阀阀门3关闭，此时微处理器15控制步进电机10自动切换下一级微流控检测通道31，即微处理器15驱动步进电机10旋转使发光二极管8和光敏二极管9之间的微流控检测通道31旋转至下一级微流控检测通道31。通过选取合适的步进电机10进行驱动、自动旋转、切换，以定位相应的阵列式圆形微流控芯片2，可以对野外一种或多种作物病害真菌孢子实施连续、高效的捕捉、监测，从而实现检测对象多元化，自动化程度高。

参见图1至图6，本发明基于微流控芯片的作物真菌病害预防检测装置采用多级微流控检测通道31进行采集，可只对一种孢子进行采集，对同一地点不同时间的同一类别的孢子进行采集，得到一段时间内孢子量的变化趋势，也可对多种孢子进行采集，提高检测装置的利用率。具体实施步骤如下：

微处理器15根据实验经验，预先设定孢子饱和时光敏二极管9检测到的饱和电压值为U。微处理器15控制微型气泵18打开和第一个气动电磁阀阀门32打开，其余气动电磁阀阀门32均关闭，此时，微型气泵18抽气，空气经与第一个气动电磁阀阀门32相对应的进样管23进入第一级微流控检测通道31中，对孢子实现收集。发光二极管8和光敏二极管9工作，发光二极管8的蓝光通过第一级微流控检测通道31的富集检测区5透射下来，被光敏二极管9接收，经光敏二极管9转化成实时电压信号U₀，该实时电压信号U₀输入微处理器15中。微处理器15将实时电压信号U₀和饱和电压值为U进行比较，当U₀<U时，继续收集孢子，当U₀=U时，关闭微型气泵18和第一个气动电磁阀阀门32，并记录此时收集孢子的时间为T₁。而后微处理器15驱动步进电机10顺时针旋转，针对六级微流控检测通道31时，步进电机10顺时针旋转60°，将第二级微流控检测通道31转到发光二极管8和光敏二极管9之间的光电检测区，参见图6所示，打开微型气泵18和第二个气动电磁阀阀门32，光敏二极管9检测到第二级微流控检测通道31中的富集检测区5检测区域中电信号，如此通过第二级微流控检测通道31继续收集孢子，并记录此时收集孢子的时间为T₂。以此类推地旋转步进电机10，依序地通过下一次微流控检测通道31收集孢子，直到最后一级微流控检测通道31完成孢子收集，所用的时间分别记为T₂……T_i，i是流控检测通道31的级数。等到各级微流控检测通道31中的孢子完全收集后，从暗箱1中取出微流控芯片2，用显微镜对各级微流控检测通道31中的孢子进行计数，得到第一级、第二级直到第i级微流控检测通道31中的孢子的个数分别记为N₁，N₂，……N_i。

微处理器15先根据收集每级微流控检测通道31中孢子时所用的时间来计算微型气泵18抽出的气体体积V₁，V₂，……V_i。，再计算出气体体积V₁，V₂，……V_i的平均值V，即微型气泵18的气体通量V （min/s），最后根据公式计算出孢子浓度值，即每升空气中孢子的个数:

，

根据计算得到的孢子浓度值，可将该值与专家经验值相比较，对病害等级做出判断，而后作出相应的应对措施，实现作物真菌的实时检测，有效防止病害的发生。

由于空气中有多种孢子的存在，利用粒子在微流控检测通道31中运动时所受到的合力不同来分离所需检测的目标孢子，其纵向的动力由重力提供，横向的动力由微型气泵18来提供。当微型气泵18的气体通量改变时，它所提供的横向力就会发生改变，即粒子所受的合力就会不同，则粒子进入微流控检测通道31中的轨迹也就会发生改变，即落在富集检测区5的粒子就不相同。当本发明装置检测不同种类的真菌孢子时，只需改变微型气泵18的气体通量，即可改变检测对象，使新的目标粒子落在检测区，可实现对另一种孢子的检测，从而实现同一装置对不同种孢子的检测任务。

Claims (5)

1.一种基于微流控芯片的作物真菌病害预防检测装置，最外部是一个暗箱（1），暗箱（1）内部设有微型气泵（18）、气动电磁阀组（14）、微流控芯片（2）、步进电机（10）、发光二极管（8）、光敏二极管（9）和微处理器（15）；微流控芯片（2）水平布置，步进电机（10）的输出轴垂直向上且固定连接于微流控芯片（2）的中心；在微流控芯片（2）上设置有多级相同的微流控检测通道（31），每级微流控检测通道（31）都由芯片进样区（3）、曲线渐深型分离通道（4）、富集检测区（5）、芯片抽气通道（6）、芯片抽气口（7）依次由外而内串接组成，芯片进样区（3）通过进样管（23）与外部空气相通，富集检测区（5）的正上方和正下方分别是发光二极管（8）和光敏二极管（9）；气动电磁阀组（14）由多个相同结构的气动电磁阀组成，每个气动电磁阀均具有一个气动电磁阀进气口（21）、一个金属通道（22）、一个气动电磁阀阀门（32）以及一个电磁继电器（29），每个气动电磁阀进气口（21）一端均经一根抽气软管（17）连接微流控芯片（2）的一个芯片抽气口（7），每个气动电磁阀进气口（21）的另一端均经对应的一个金属通道（22）连接一个气动电磁阀气道（27）一端，每个金属通道（22）上装有一个气动电磁阀阀门（32），气动电磁阀气道（27）另一端经气动电磁阀出气口（20）与微型气泵（18）相连；微型气泵（18）、步进电机（10）分别通过各自的控制线连接微处理器（15），微处理器（15）控制气动电磁阀阀门（32）的开关，其特征是：

曲线渐深型分离通道（4）的上下纵向深度由外向内逐渐变深，富集检测区（5）的深度与曲线渐深型分离通道（4）内端深度相同，在富集检测区（5）和芯片抽气口（7）之间连接呈上、中、下布置的三个芯片抽气通道（6）。

2.根据权利要求1所述基于微流控芯片的作物真菌病害预防检测装置，其特征是：暗箱（1）内部具有三个电池，第一个电池（11）是12V电源，为微型气泵（18）供电，第二个电池（12）是24V电源，为气动电磁阀组（14）供电；第三个电池（13）是5V电源，为微处理器（15）供电。

3.根据权利要求2所述基于微流控芯片的作物真菌病害预防检测装置，其特征是：电磁继电器（29）经开关连接第二个电池（12），微处理器（15）经控制线连接开关，启动开关后，电磁继电器（29）中的线圈通电，相应的气动电磁阀阀门（32）打开。

4.根据权利要求1所述基于微流控芯片的作物真菌病害预防检测装置，其特征是：多级相同的微流控检测通道（31）沿圆周方向均匀设置，每级微流控检测通道（31）都是径向布置。

5.一种如权利要求1所述基于微流控芯片的作物真菌病害预防检测装置的检测方法，其特征是按以下步骤：

A、微处理器（15）打开微型气泵（18）和第一个气动电磁阀阀门（32），其余气动电磁阀阀门（32）均关闭，空气进入第一级微流控检测通道（31）中；光敏二极管（9）得到实时电压信号U₀，微处理器（15）将实时电压信号U₀和预先设定孢子饱和时光敏二极管（9）检测到的饱和电压值为U进行比较，当U₀<U时，继续收集孢子，当U₀=U时，关闭微型气泵（18）和第一个气动电磁阀阀门（32），并记录此时收集孢子的时间为T₁，

B、微处理器（15）驱动步进电机（10）旋转，将第二级微流控检测通道（31）转到发光二极管（8）和光敏二极管（9）之间，打开微型气泵（18）和第二个气动电磁阀阀门（32），通过第二级微流控检测通道（31）收集孢子，并记录此时收集孢子的时间为T₂，

C、以此类推地通过下一次微流控检测通道（31）收集孢子直至最后一级微流控检测通道（31）收集孢子完成，所用时间分别为T₂……T_i，i是流控检测通道（31）的级数；

D、从暗箱（1）中取出微流控芯片（2），用显微镜对各级微流控检测通道（31）中的孢子进行计数，得到第一级、第二级直到第i级微流控检测通道（31）中的孢子的个数分别为N₁，N₂，……N_i，通过公式计算出孢子浓度值，V是微型气泵（18）的气体通量V。