CN106872341A - 一种基于智能手机的移动即时微生物诊断仪 - Google Patents
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Abstract
本工作是一种基于智能手机的微生物诊断仪的发明，拟以微生物代谢产物作为功能单元，在微生物选择性培养基孕育基础之上，结合智能手机平台，实现病害微生物的即时检测（Mobile‑based Point‑of‑Care Testing，mPOCT）。项目主要内容为：重点设计功能化的微生物代谢产物与传感器响应材料识别机制和反应动力学，考察这些识别响应的功能模块在微生物快速检测和微生物即时表达分析中作用规律，设计研发基于云服务的智能手机数据采集和分析软件。本工作创新性体现在：基础研究水平上揭示活性小分子识别响应与微生物作用关系，特别为解决涉及微生物检测方法中“在线”、“便携式”和“全自动”的机电工程与生物学复合问题提供参考和借鉴。
Description
技术领域
本发明设计一种基于智能手机的移动即时微生物诊断仪。
背景技术
微生物是与我们人类的生产生活紧密联系：一方面它们积极参与生命系统活动，调整与促进生态系统动态平衡，保持其环境生命力和生产力；另一方面某些微生物严重威胁着人类的生产生活，迫使人类必须对其保持警惕。根据世界各国的统计，每年因微生物感染造成的直接年经济损失超过5000亿。如采取有效的防措施，微生物导致的损失能够减小三分之一。因此，开展其检测和鉴定方法研究对国民经济建设有重大意义。
在海洋环境中，病原微生物污染、水体富营养化、微生物腐蚀、微生物污损等都是微生物威胁人类生产生活的表观形式，也是快速微生物检测技术需求的客观条件。现有数据表明，病原微生物污染的损失与微生物鉴定种类快慢密切相关，鉴定确定时间越长，损失也就越大。这是因为，一方面微生物增长和传播的速度快，使环境污染和人类疾病加剧；另一方面无法明确微生物种类导致无法实施针对性防护方案，进而导致某些药物或抗菌剂的滥用。在ISO4883-2003标准中，微生物鉴定时间被认定为微生物检测技术等级划分的重要参数。因此，采取有效的方法快速检测微生物是降低海洋环境中微生物病害和污损有效的手段。
1970年代以来，研究者们根据细菌生物学性状和代谢产物的差异，研制了一系列微量和快速生化反应的微生物检测系统，并实现了从生化模式到数字模式的转化。目前主要微生物检测仪包括Tempo检测仪、Bactrac检测仪、Soleris检测系统、PN-INS32型检测仪、Biolog微生物鉴定系统和BAX System Q7检测系统。Tempo系统基于酶底物荧光计数，Bactract系统基于阻抗，信号影响因素多。Soleris系统也是基于酶底物对培养液颜色的变化进行实时监测。PN-INS32和Soleris检测系统原理相近，同时检测颜色变化和荧光信号。Biology系统采用独创的碳源利用方法，用其对不同碳源代谢率的差异，针对每一类微生物筛选不同碳源，配合四唑类显色物质，检测其新陈代谢过程中产生的氧化还原酶与显色物质发生反应而导致颜色及浊度差异，与标准菌株数据库进行比对，即可得出鉴定结果。BAXSystem Q7系统，使用聚合酶链式反应系统检测微生物，系统最多可进行5色荧光同时检测，使单孔检测多种微生物成为可能。微生物商业检测仪已取得了巨大的进步，但上述各种微生物检测仪存在以下两个方面的问题：一是体积比较大，无法便携式携带；二是复杂的分析测量操作（需要专门技术培训）。同时，我国对微生物快速诊断的商业仪器研究与国外先进水平还存在差距，特别是便携式微生物检测仪器还相对薄弱，难以适应环境保护、食品安全和医疗卫生等领域日益增长的需求。微生物诊断仪的商品化和实验室中微生物检测技术存在技术转化壁垒。因此，研制一种便携式和低成本的微生物检测仪有潜在商业需求。
微生物检测技术并非完美，还需要持续发展和创新。微生物检测领域创新点可能基于以下四个方面：一是利用微纳新型电子器件和光电器件在微生物检测上的应用。 二是多功能器件集成系统对微生物进行分离、筛选以及检测分析。三是多样品的分析系统结合多通道数据采集系统对微生物进行分析或进行同步多模检测系统。四是基于智能手机的便携式即时检验(point-of-care testing，POCT)技术，使个性化的便携式器件与移动互联网结合。这些都是创新发展微生物检测研究的方向。
本专利将针对海洋环境中微生物污损和病原微生物诊断的迫切需求，从mPOCT特异性和便携式微生物检测仪的实用性两个方面入手，开展mPOCT在海洋微生物检测中的研究。本项目开展是集电子工程学、移动技术、电化学海洋生物学、医学、微生物学，纳米材料学和分析化学为一体的一项具有较强的学科交叉性的研究，对环境中微生物检测和诊断研究具有重要科学意义和实用价值。
发明内容
为实现上述目的，本发明采用技术方案为：
一种基于智能手机的移动即时微生物诊断仪，其特征在于：包括外壳，设置在外壳顶部的微生物样品培育装置，该装置可以培育1-10个微生物样品，设置在外壳上的显示面板，状态指示灯。所述外壳内设置有工作电源模块，所述电源模板包含电源滤波器和降压稳压器。还有可以一次性使用的含有传感器的微生物测试管。
如权利1中智能手机的移动即时微生物诊断仪所述的外壳内设置有微控制处理器采集和处理相关的光电管获取的数据，及把采集处理的数据传输到智能手机应用软件。配置六个数字输入/输出通道来操控外在的数模转换器和模数转换器，并设定一个数字输出通道来传输基于频移键控的数据。
如权利1中智能手机的移动即时微生物诊断仪所述的外壳内设置有温度传感器器和温度传感器反馈电路。所述的温度传感器反馈电路用于调节微生物测量仪内部的温度平衡，为了在特定的条件下培育相关的微生物。
如权利1中智能手机的移动即时微生物诊断仪所述的外壳内设置有LED光源和光电检测管。所述的LED光源作为信号激发光源，光电检测管用来探测传感器表面信号显色的变化。
如权利1中智能手机的移动即时微生物诊断仪所述的外壳内设置有无线网卡，用于传输采集的温度、微生物浓度、测定时间等相关信息和参数。
如权利1中智能手机的移动即时微生物诊断仪所述的外壳内设置可充电锂离子电池，为无电源环境提供在线分析。
如权利1中智能手机的移动即时微生物诊断仪所述的外壳内设置集成运放阵列，用于运放三路电极的弱电压信号。
如权利1中智能手机的移动即时微生物诊断仪所述的外壳内设置单片机，单片机用于用于运放三路电极的弱电压信号的模数转换及获取转换后的三路电极的弱电压信号根据算法等到的微生物浓度值。
如权利1中智能手机的移动即时微生物诊断仪所述一次性使用的含有传感器的微生物测试管，一次性微生物测试管中含有特定微生物选择性培养，包括：大肠杆菌选择性培养基、金黄色葡萄球菌选择性培养基、沙门杆菌选择性培养基。
如权利9中所述一次性使用的含有传感器的微生物测试管，其传感器平台包括二氧化碳传感器，硫化氢传感器。
附图说明
图1: 便携式海洋微生物mPOCT系统。
图2：微生物检测仪装置示意图
(A):10指示灯；11外壳；12顶盖；13液晶显示屏；(B):14一次性微生物测试管；15温度传感器；16无线网卡；17LED光源；18电源滤波器；19降压稳压器；20光电检测管；21集成电路板；22锂离子充电电池；23单片机；24集成运放阵列；25微控制处理器；26温控调节器。
图3：硫酸盐还原菌检测的标准曲线。
图4：大肠杆菌检测的标准曲线。
图 5：金黄色葡萄球菌检测的标准曲线。
图6：沙门杆菌检测的标准曲线。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：
硫酸盐还原菌的检测：
实验中用到的微生物利用溶菌肉汤（蛋白胨1%，氯化钠1%，酵母膏0.5%，水100 mL）悬浮培养，单个菌落于30℃，200转摇床条件下过夜培养后4500转/分离心十分钟，并用PBS缓冲溶液稀释到不同浓度。
将100 µL 浓度（10 cfu ml-1）硫酸盐还原菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基, 并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（102 cfu ml-1）硫酸盐还原菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基, 并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（103 cfu ml-1）硫酸盐还原菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基, 并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（104 cfu ml-1）硫酸盐还原菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基, 并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（105 cfu ml-1）硫酸盐还原菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基, 并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（106 cfu ml-1）硫酸盐还原菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基, 并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（107 cfu ml-1）硫酸盐还原菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基, 并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（108 cfu ml-1）硫酸盐还原菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基, 并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
综合上述的数据，绘制不同浓度下硫酸盐还原菌的标准曲线。
实施例2：
大肠杆菌检测
实验中用到的微生物利用溶菌肉汤（蛋白胨1%，氯化钠1%，酵母膏0.5%，水100 mL）悬浮培养，单个菌落于30℃，200转摇床条件下过夜培养后4500转/分离心十分钟，并用PBS缓冲溶液稀释到不同浓度。
将100 µL 浓度（10 cfu ml-1）大肠杆菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基,并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（102 cfu ml-1）大肠杆菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基,并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（103 cfu ml-1）大肠杆菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基,并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（104 cfu ml-1）大肠杆菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基,并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（105 cfu ml-1）大肠杆菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基,并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（106 cfu ml-1）大肠杆菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基,并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（107 cfu ml-1）大肠杆菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基,并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（108 cfu ml-1）大肠杆菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基,并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
综合上述的数据，绘制不同浓度下大肠杆菌的标准曲线。
实施例3：
金黄色葡萄球菌检测
实验中用到的微生物利用溶菌肉汤（蛋白胨1%，氯化钠1%，酵母膏0.5%，水100 mL）悬浮培养，单个菌落于30℃，200转摇床条件下过夜培养后4500转/分离心十分钟，并用PBS缓冲溶液稀释到不同浓度。
将100 µL 浓度（10 cfu ml-1）金黄色葡萄球菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基, 并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（102 cfu ml-1）金黄色葡萄球菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基, 并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（103 cfu ml-1）金黄色葡萄球菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基, 并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（104 cfu ml-1）金黄色葡萄球菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基, 并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（105 cfu ml-1）金黄色葡萄球菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基, 并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（106 cfu ml-1）金黄色葡萄球菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基, 并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（107 cfu ml-1）金黄色葡萄球菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基, 并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（108 cfu ml-1）金黄色葡萄球菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基, 并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
综合上述的数据，绘制不同浓度下金黄色葡萄球菌的标准曲线。
实施例4：
沙门杆菌检测
实验中用到的微生物利用溶菌肉汤（蛋白胨1%，氯化钠1%，酵母膏0.5%，水100 mL）悬浮培养，单个菌落于30℃，200转摇床条件下过夜培养后4500转/分离心十分钟，并用PBS缓冲溶液稀释到不同浓度。
将100 µL 浓度（10 cfu ml-1）沙门杆菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基,并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（102 cfu ml-1）沙门杆菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基,并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（103 cfu ml-1）沙门杆菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基,并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（104 cfu ml-1）沙门杆菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基,并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（105 cfu ml-1）沙门杆菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基,并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（106 cfu ml-1）沙门杆菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基,并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（107 cfu ml-1）沙门杆菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基,并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
将100 µL 浓度（108 cfu ml-1）沙门杆菌菌液加入到一次性硫酸盐还原菌培养基,并于 37 °C 反应8小时。用微生物诊断仪的激发光源激发传感器平台，产生光信号，测量得到该浓度下的微生物信号。
综合上述的数据，绘制不同浓度下沙门杆菌的标准曲线。
Claims (10)
1.一种基于智能手机的移动即时微生物诊断仪，其特征在于：包括外壳，设置在外壳顶部的微生物样品培育装置，该装置可以培育1-10个微生物样品，设置在外壳上的显示面板，状态指示灯；所述外壳内设置有工作电源模块，所述电源模板包含电源滤波器和降压稳压器；还有可以一次性使用的含有传感器的微生物测试管。
2.如权利1中智能手机的移动即时微生物诊断仪所述的外壳内设置有微控制处理器采集和处理相关的光电管获取的数据，及把采集处理的数据传输到智能手机应用软件；配置六个数字输入/输出通道来操控外在的数模转换器和模数转换器，并设定一个数字输出通道来传输基于频移键控的数据。
3.如权利1中智能手机的移动即时微生物诊断仪所述的外壳内设置有温度传感器器和温度传感器反馈电路；所述的温度传感器反馈电路用于调节微生物测量仪内部的温度平衡，为了在特定的条件下培育相关的微生物。
4.如权利1中智能手机的移动即时微生物诊断仪所述的外壳内设置有LED光源和光电检测管；所述的LED光源作为信号激发光源，光电检测管用来探测传感器表面信号显色的变化。
5.如权利1中智能手机的移动即时微生物诊断仪所述的外壳内设置有无线网卡，用于传输采集的温度、微生物浓度、测定时间等相关信息和参数。
6.如权利1中智能手机的移动即时微生物诊断仪所述的外壳内设置可充电锂离子电池，为无电源环境提供在线分析。
7.如权利1中智能手机的移动即时微生物诊断仪所述的外壳内设置集成运放阵列，用于运放三路电极的弱电压信号。
8.如权利1中智能手机的移动即时微生物诊断仪所述的外壳内设置单片机，单片机用于用于运放三路电极的弱电压信号的模数转换及获取转换后的三路电极的弱电压信号根据算法等到的微生物浓度值。
9.如权利1中智能手机的移动即时微生物诊断仪所述一次性使用的含有传感器的微生物测试管，一次性微生物测试管中含有特定微生物选择性培养，包括：大肠杆菌选择性培养基、金黄色葡萄球菌选择性培养基、沙门杆菌选择性培养基。
10.如权利9中所述一次性使用的含有传感器的微生物测试管，其传感器平台包括二氧化碳传感器，硫化氢传感器。
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