CN106867881B - 一种用于作物病害孢子检测的集成微流控芯片系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于作物病害孢子检测的集成微流控芯片系统，微流控芯片的进样通道、气体混合通道、游离孢子分离通道以及游离孢子富集板块从左至右依次串联，在游离孢子分离通道进口端的前侧方设有与外部气流相通的恒流净化通道，游离孢子分离通道的后侧壁水平横截面的轮廓线是抛物线形状、前侧壁是平板形，恒流净化通道中的气流作用于游离孢子分离通道进口端，不同质量的孢子在相同恒力作用下以不同的加速度向游离孢子分离通道的后侧壁方向做不同轨迹的抛物线形的运动；暗盒内的顶部设置前后方向布置的滚珠丝杆，滚珠丝杆通过螺母组件的下端固定连接摄像头，摄像头悬置于游离孢子富集板块的正上方，可针对空气真菌的现场快速检测分析。

Description

一种用于作物病害孢子检测的集成微流控芯片系统

技术领域

本发明涉及作物病害检测和微流控检测领域，具体是一种用于作物病害孢子检测的微流控芯片系统。

背景技术

作物真菌性病害和细菌性病害是引起作物组织坏死、腐烂、萎蔫、灼伤、溃疡、组织增生等病害症状的病原菌。真菌孢子是真菌的主要繁殖器官，孢子在适宜条件下发芽，形成菌丝而进行分裂繁殖，当外界环境不适宜时，可以呈休眠状态而生存很长时间；细菌孢子为细菌在恶劣环境下所生成，由于细菌孢子的环境抗性很强，它们具有高度传播性，当环境适宜的时候，细菌孢子就会发芽。因此，检测空气中游动孢子的种类和含量能为预测作物病害提供基础数据。

微流控芯片具有体积小、反应迅速、精确及试剂消耗量的优点。中国发明专利申请号为201510275959.0的文献中公开了一种用于捕获空气中真菌孢子的微流控芯片，其特点是芯片内含有气体流动通道和孢子截留通道，呈辐射状排列，汇聚于芯片中央的抽气孔，与往复泵相连接，并能够通过与微流控芯片结合进行分子生物学分析；但是孢子种类分离环节步骤繁琐，需另设培养基洗脱芯片管道中的真菌孢子，使得后续数据处理较为困难。

发明内容

本发明的内容是针对目前空气包子检测技术存在的缺陷，提出的一种用于作物病害孢子高精度检测的集成微流控芯片系统，具备样本微混合和游离孢子的分离以及分集功能，并能实时观测到孢子的富集状况，快速、便携且自动化程度高。

本发明一种用于作物病害孢子检测的集成微流控芯片系统采用的技术方案是：本发明设有一个暗盒，微流控芯片水平放置于暗盒内部，微流控芯片由进样通道、气体混合通道、恒流净化通道、游离孢子分离通道以及游离孢子富集板块组成，进样通道、气体混合通道、游离孢子分离通道以及游离孢子富集板块从左至右依次串联，在游离孢子分离通道进口端的前侧方设有与外部气流相通的恒流净化通道，游离孢子分离通道的后侧壁水平横截面的轮廓线是抛物线形状、前侧壁是平板形，恒流净化通道中的气流作用于游离孢子分离通道进口端，给进入游离孢子分离通道的孢子群提供一个向后方的恒定气流吹力，不同质量的孢子在相同恒力的作用下以不同的加速度向游离孢子分离通道的后侧壁方向做不同轨迹的抛物线形的运动；暗盒内的顶部设置前后方向布置的滚珠丝杆，滚珠丝杆通过螺母组件的下端固定连接摄像头，摄像头悬置于游离孢子富集板块的正上方且能沿滚珠丝杆前后移动，摄像头经信号线连接于控制器。

进一步地，暗盒内部设有电机传动装置，滚珠丝杆同轴连接电机传动装置，电机传动装置通过控制线连接控制器。

进一步地，摄像头在多个游离孢子富集板块的正上方前后移动，在每个游离孢子富集板块上均匀涂有凡士林，游离孢子富集板块的出口端连接位于暗盒外部的微型风扇，微型风扇通过控制线连接控制器。

本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点：

（1）本发明具有操作简单的特点，只需开动微型风扇、微型逆流风机以及内置摄像头持续工作即可自动检测，通过内置摄像头实时观测到孢子的富集状况，具有快速、便携且自动化程度高的优点，可用于针对空气真菌的现场快速检测分析。

（2）本发明的芯片中分为五个独立的通道，可同时对空气中各个方向的气体进行精确的含量检测。

（3）本发明的芯片内进样通道设有独特的超细障碍气体混合结构，并且由超细通道可对进样气体产生一定的压力，加快气体的流速，让气体样本在孢子分离环节前得到充分的混合。

（4）本发明能在整个检测过程中实现了全自动化，孢子的分离过程和富集过程自动进行，采用液晶触屏显示，实现良好的人机一体化，集成化程度高，体积小。

（5）本发明的摄像头的图像采集采用滚珠丝杆进行定位，精确度高，效率高，并且此传动元件具有可逆性。

附图说明

图1是本发明一种用于作物病害孢子检测的集成微流控芯片系统的总体结构示意图；

图2是图1中微流控芯片的结构放大示意图；

图3是图2的俯视结构以及工作原理示意图；

图4是图2中气体混合通道的内部结构以及工作原理示意图；

图5是图2中恒流净化通道的内部结构放大示意图。

图中各部件的序号和名称：1：暗盒，2：微流控芯片，3：微型风扇，4：滚珠丝杆，5：摄像头，6：控制器，7：液晶显示屏，8：螺母组件，9：暗盒侧盖，10：进样通道，11：游离孢子富集板块，12：气体混合通道，13：恒流净化通道，14：游离孢子分离通道，15：对接口，16：凡士林，17：挡板，18：轴承部件，19：电机传动装置，20：微型逆流风机，21：初效过滤膜，22：中效过滤膜，23：高效过滤膜。

具体实施方式

参见1，本发明设有一个暗盒1，暗盒1外部的右侧设微型风扇3。微流控芯片2水平放置于暗盒1的内部，微流控芯片2通过暗盒1右侧壁上的小孔实现与外部的微型风扇3相连接。在暗盒1内的顶部内置滚珠丝杆4，滚珠丝杆4的丝杆轴是前后方向布置，滚珠丝杆4的前后端分别通过轴承部件18连接暗盒1。滚珠丝杆4配合连接螺母组件8，螺母组件8的下端固定连接摄像头5，滚珠丝杆4通过与之配合的螺母组件8连接摄像头5，使摄像头5悬挂在滚珠丝杆4下方和微流控芯片2的上方。

在暗盒1的顶面设有控制器6和液晶显示屏7，控制器6通过控制线连接微型风扇3，控制微型风扇3的启停。在暗盒1的内部还设置电机传动装置19，电机传动装置19包含有电机，电机通过输出轴同轴连接滚珠丝杆4，且通过控制线连接控制器6，控制器6控制电机传动装置19工作，带动滚珠丝杆4转动，摄像头5在滚珠丝杆4和螺母组件8的作用下能沿滚珠丝杆4的轴向前后移动。控制器6通过信号线分别连接液晶显示屏7与摄像头5，摄像头5采集到的画面信息传输至控制器6，控制器6将处理后的结果通过液晶显示屏7显示。在暗盒1的左侧壁上开有安装暗盒侧盖9的孔，暗盒侧盖9用于微流控芯片2的安装操作。

参见图2和图3，微流控芯片2总体由进样通道10、气体混合通道12、恒流净化通道13、游离孢子分离通道14以及游离孢子富集板块11组成。进样通道10、气体混合通道12、游离孢子分离通道14以及游离孢子富集板块11从左至右依次串联，进样通道10的出口端紧密连接着气体混合通道12的进口端，气体混合通道12的出口端再紧密连接着游离孢子分离通道14的进口端。其中有5个进样通道10，这5个进样通道10都是圆柱形管道，两两互相垂直，这5个进样通道10的进口端分别通过暗盒1的前侧壁、后侧壁、上壁、下壁、左壁的小孔与外界大气相通，可同时对空气中各个方向的气体进气，便于精确地检测。这5个进样通道10的出口端同时紧密连接着气体混合通道12。在游离孢子分离通道14进口端的前侧方设有恒流净化通道13，恒流净化通道13前后布置，恒流净化通道13的前端与外部气流相通，后端连接且连通游离孢子分离通道14的进口端。平稳的气流是从外部加进恒流净化通道13中，再在恒流净化通道13中设置过滤膜等起净化作用，气流经恒流净化通道13进行净化处理后进入游离孢子分离通道14中。游离孢子分离通道14出口端经管道连接游离孢子富集板块11，有多块游离孢子富集板块11前后并列摆放，游离孢子分离通道14出口端分多个前后并列的支路，一个支路分别连接一块游离孢子富集板块11。游离孢子富集板块11的数量与所检测孢子的种类相同（图2和图3中仅示出了3块游离孢子富集板块11）。

摄像头5悬置于游离孢子富集板块11的正上方，在多个游离孢子富集板块11的正上方前后移动，使摄像头5分别对准多个游离孢子富集板块11，对游离孢子富集板块11进行图像采集。此外，在每个游离孢子富集板块10上均匀涂有凡士林16，便于实现孢子的富集。游离孢子富集板块11的出口端连接对接口15，通过对接口15连接外部的微型风扇3。

游离孢子分离通道14的后侧壁是抛物线形的侧壁，即游离孢子分离通道14的后侧壁的水平横截面的轮廓线是抛物线形状，而前侧壁采用的是平板形的侧壁。恒流净化通道13的后端出口端连接于游离孢子分离通道14的进口端处。当空气孢子经过气体混合通道12到达游离孢子分离通道14的进口端处时，从恒流净化通道13后端出口端的平稳净化气流作用于游离孢子分离通道14的进口端，给刚进入游离孢子分离通道14的孢子群提供一个向后方的恒定气流吹力，根据牛顿第二定律，不同质量的孢子在相同恒力的作用下会以不同的加速度向游离孢子分离通道14的后侧壁方向做不同轨迹的抛物线形的运动，如图3中游离孢子分离通道14内的箭头所示，如此达到分离不同质量孢子的目的。

参见图4，气体混合通道12采用斜坡式级联结构，每级通道的内侧壁上都设置挡板17，挡板17沿通道方向周期性布置，相邻的两个挡板17分别位于对面的内侧壁上。通道较窄部位气流流速大，所产生的压强小，而较宽部位气流流速小，所产生的压强大，起到止回流作用，可使气体混合通道12中的空气孢子得到充分的混合。

参见图5，在恒流净化通道13内部，从其前端进口端至后端出口端之间依次设有微型逆流风机20、初效过滤膜21、中效过滤膜22和高效过滤膜23。微型逆流风机20卡放在恒流净化通道13的进口端，微型逆流风机20经控制线连接控制器6，由控制器6控制微型逆流风机20工作。在通道内部依次内置初效过滤膜21、中效过滤膜22和高效过滤膜23，用以净化微型逆流风机20输送至微流控芯片2的空气，减小平稳气流提供恒力检测时带来的误差。

参见图1-5，本发明一种用于作物病害孢子高精度检测的集成微流控芯片系统工作时，首先人工手动开启暗盒侧盖9，将空白微流控芯片2手动装入暗盒1中并固定好。由控制器6启动微型风扇3进行抽气，3min后暂停抽气，空气中的孢子从进样通道10进入微流控芯片2，在气体混合通道12中充分混合，在进入游离孢子分离通道14时，受到来自恒流净化通道13的恒定气流力，根据牛顿第二定律，不同质量的孢子将沿不同轨迹运动，以达到在游离孢子分离的目的，游离孢子分离通道14中的孢子通过凡士林16粘附在不同的游离孢子富集板块11上。控制器6控制电机传动装置19工作，调整摄像头5的前后位置，摄像头5的前后移动，分别移动到多块游离孢子富集板块11的正上方，对多块游离孢子富集板块11进行图像采集，图像采集信息输入至控制器6中，控制器6对图像采集信息进行位置灰度化处理，采用常规的计数方法来计算出三种不同空气孢子的浓度，并且将孢子的浓度通过液晶显示屏7显示，以此获得作物病害的程度。

Claims (5)

1.一种用于作物病害孢子检测的集成微流控芯片系统，设有一个暗盒（1），微流控芯片（2）水平放置于暗盒（1）内部，其特征是：微流控芯片（2）由进样通道（10）、气体混合通道（12）、恒流净化通道（13）、游离孢子分离通道（14）以及游离孢子富集板块（11）组成，进样通道（10）、气体混合通道（12）、游离孢子分离通道（14）以及游离孢子富集板块（11）从左至右依次串联，在游离孢子分离通道（14）进口端的前侧方设有与外部气流相通的恒流净化通道（13），游离孢子分离通道（14）的后侧壁水平横截面的轮廓线是抛物线形状、前侧壁是平板形，恒流净化通道（13）中的气流作用于游离孢子分离通道（14）进口端，给进入游离孢子分离通道（14）的孢子群提供一个向后方的恒定气流吹力，不同质量的孢子在相同吹力的作用下以不同的加速度向游离孢子分离通道（14）的后侧壁方向做不同轨迹的抛物线形的运动；暗盒（1）内的顶部设置前后方向布置的滚珠丝杆（4），滚珠丝杆（4）通过螺母组件（8）的下端固定连接摄像头（5），摄像头（5）悬置于游离孢子富集板块（11）的正上方且能沿滚珠丝杆（4）前后移动，摄像头（5）经信号线连接控制器（6）；气体混合通道（12）是斜坡式级联结构，每级通道的内侧壁上都设置挡板（17），相邻的两个挡板（17）分别位于对面的内侧壁上。

2.根据权利要求1所述一种用于作物病害孢子检测的集成微流控芯片系统，其特征是：暗盒（1）内部设有电机传动装置（19），滚珠丝杆（4）同轴连接电机传动装置（19），电机传动装置（19）通过控制线连接控制器（6）。

3.根据权利要求1所述一种用于作物病害孢子检测的集成微流控芯片系统，其特征是：摄像头（5）在多个游离孢子富集板块（11）的正上方前后移动，在每个游离孢子富集板块（11）上均匀涂有凡士林（16），游离孢子富集板块（11）的出口端连接位于暗盒（1）外部的微型风扇（3），微型风扇（3）通过控制线连接控制器（6）。

4.根据权利要求1所述一种用于作物病害孢子检测的集成微流控芯片系统，其特征是：恒流净化通道（13）内部从前端进口端至后端出口端之间依次设有微型逆流风机（20）、初效过滤膜（21）、中效过滤膜（22）和高效过滤膜（23），微型逆流风机（20）卡放在恒流净化通道（13）的进口端且连接控制器（6）。

5.根据权利要求1所述一种用于作物病害孢子检测的集成微流控芯片系统，其特征是：有5个互相垂直的进样通道（10）分别通过暗盒（1）的前侧壁、后侧壁、上壁、下壁、左壁的小孔与外界大气相通，5个进样通道（10）的出口端都紧密连接气体混合通道（12）的进口端。