CN107748138B - 基于滤光液原理的微藻活性检测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水体藻类活性检测技术领域，具体涉及一种基于滤光液原理的微藻活性检测装置与方法。该装置检测的光电单元采用微流控芯片部分盛放待测微藻样品液，置于光源部分和滤光液部分之间，滤光液部分盛装具有滤光特性的滤光液，能够实现选取特定波段的光的功能。本发明采用具有一定光学特性的染色液作为滤光液来替代传统的固体滤光片，不仅极大地节约光电检测的成本，而且滤光液在实现滤光的同时，还可以很好地冷却周围的光电元件，提高检测的质量；另外，还可根据需要灵活改变滤光区域的大小及形状，不同滤光特性的滤光液可自由组合，实现多光谱检测的目的，这极大地改善了检测的灵活性和便捷性，提高微藻检测的效率。
Description
技术领域
本发明属于水体藻类活性检测技术领域，具体涉及一种基于滤光液原理的微藻活性检测装置与方法。
背景技术
在船舶压载水中携带的外来物种之中，微藻占有相当一部分的比例，现在确认的对我国海洋造成实质性危害的外来藻类达十几种，这些藻类会严重破坏当地的海岸生态系统，给经济及环境带来巨大的损失和危害。近几年来，人为对大海的破坏导致附近海疆的水体越来越富营养化，微藻被带到其他近海后迅速繁衍，破坏性也日益扩大。一些藻类因为自身有很强的环境相容性，因此大量生殖后爆发后往往会彻底摧毁当地原有的生态系统结构并使其基本功能瘫痪，引发灾难性的后果。
目前，用于检测微藻活性的方法主要有：光学显微镜法、流式细胞仪法、分子及生化方法等。光学显微镜法是用细胞固定液固定从水中分离出来浮游植物细胞，在显微镜下直接观察浮游植物细胞的形态，根据细胞不同的形态来判断微藻细胞的活性。这种方法要求实验人员必须具备丰富的水生生物学知识，能鉴定识别常见藻类并判断活性，人为因素影响和误差较大，而且工作强度大、效率低。
流式细胞仪法了用荧光染料标记微藻细胞并将其制成的悬液，利用流式细胞仪测量通过激光照射区域的悬浮溶液中微藻细胞的荧光信号和散射光信号，通过这些信号判断微藻的活性。这种方法工作效率高，具有快速准确的优点，但是商用流式细胞仪价格昂贵、体积庞大，操作复杂。
分子及生化方法，主要包括：核酸杂交技术，聚合酶链反应(PCR)技术、基因芯片技术、DNA指纹技术、酶活性分析等。该方法具有检测灵敏度高的优点。其缺点是：对于微藻体积测量无能为力，所需设备昂贵、笨重，基本采用收集样品后拿回实验室进行培养鉴定，耗时费力，效率不高，并且进行检测的种类也相对有限。
在实际微藻检测工作中，使用单一染料并不能完全标记公约规定的所有的藻。为保证检测的准确性，实际检测应用中样品往往需要进行多重染色及多光谱检测，这就要求高效可靠的滤光手段。然而传统玻璃滤光片的生产流程固定，成品性强，在运用中不能灵活地滤取所要波长范围的光，对于已经安装到光电检测装置中的滤光片而言只能探测固定的光谱，更换困难，这些尺寸标准固定的滤光片对于一些检测实验来说是不适应的，来自高强度辐射热源的过多热量会使滤光片破裂，而且有效地冷却也是很困难的，实验中有时还需要其它几何形状的滤光片，但制作大量几何形状不同的滤光片造价很高，同样，也存在着过多的热量会使滤光片破裂的可能性，同时，拆卸机器更换滤光片也非常不方便。
具有一定光学特性的染色液体可很好地实现选取特定波段的光的功能，欲改变滤光特性只需更换染色液体即可，不同滤光特性的滤光液可自由组合，实现多光谱检测的目的，满足藻类检测的相关公约规定，且具有成本低、更换方便、能冷却反应器等诸多优势。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要提供一种基于滤光液原理的微藻活性检测装置与方法。
为了实现上述目的，本发明的技术发案如下：
基于滤光液原理的微藻活性检测装置，其特征在于，包括电源单元15、光电单元16、信号放大滤波单元17、信号采集单元18及数据处理单元19；
电源单元15用于给信号放大滤波单元17和光电单元16提供工作所需的电压；
光电单元16用于检测待测微藻，以及控制检测过程中的光电信号转换；光电单元16包括微流控芯片部分、光源部分、滤光液部分和光电检测部分；微流控芯片部分盛放待测微藻样品液，置于光源部分和滤光液部分之间，滤光液部分盛装具有滤光特性的滤光液，能够实现选取特定波段的光的功能；光电检测部分置于滤光液部分下端，接收滤光液部分的光信号并转换为电信号，发送给信号放大滤波单元17；
信号放大滤波单元17用于将光电单元16输出的电信号进行放大滤波处理，提高检测的精度及灵敏度；
信号采集单元18用于采集信号放大滤波单元17的电信号，发送给数据处理单元19；
数据处理单元19对信号采集单元18输出的电信号进行数据处理，然后在计算机端显示实时的信号图。
进一步地，所述光电单元16的微流控芯片部分，包括微流控芯片2和载玻片1，微流控芯片2与载玻片1粘合在一起，采用等离子清洗机进行粘合；微流控芯片2上的微通道两端设有注液孔3和废液孔6，微流控芯片2的注液孔3作为待测微藻样品液的注入口，微流控芯片2的废液孔6用来回收废液。
进一步地，所述的微流控芯片2的微通道上设置有变径段作为检测区域，变径段的通道直径小于微通道直径，使得经过检测区域的待测微藻样品液中的微藻细胞逐个有序地经过检测区域。
进一步地，所述光电单元16的光源部分，包括散热片7、LED灯8和聚光装置9，散热片7、LED灯8和聚光装置9组成光源部分作为外界激发光。
进一步地，所述光电单元16的光源部分的聚光装置，包括聚光罩和设置于聚光罩内的凸透镜，LED灯8发出光通过凸透镜发射出去，达到聚焦的效果。
进一步地，所述光电单元16的滤光液部分，包括PMMA芯片10，PMMA芯片10设置多个滤光液槽存放多种不同滤光波段的滤光液，不同滤光波段的滤光液可自由组合，从而一次性检测更多的不同类型的藻类，达到多光谱检测的目的。
进一步地，所述光电单元16的光源部分的LED灯8和聚光装置9与微流控芯片部分的微流控芯片2上的检测区域，以及滤光液部分的PMMA芯片10上的滤光液槽位于同一直线上，保证外界激发光对测微藻样品液的激发，以及微藻细胞受到激发后产生相应波段的荧光经滤光液滤光。
进一步地，所述光电单元16的光电检测部分包括光电二极管11和遮光外壳12，遮光外壳12用来屏蔽周围光源并起支撑光电单元16其他部分元件的作用，光电二极管11是光电转换元件，当荧光经滤光液部分滤光后，光电二极管11将接收到的光信号转换为电信号，发送给信号放大滤波单元17。
进一步地，所述光电单元16的光电检测部分的遮光外壳12用来屏蔽周围光源并起支撑光电单元16其他部分元件的作用，微流控芯片部分、滤光液部分和光电检测部分均设置于遮光外壳内。
进一步地，所述电源单元15包括电源和适配器。
使用上述基于滤光液原理的微藻活性检测装置进行微藻活性检测的方法，包括以下步骤：
(1)制备滤光液部分
在PMMA芯片10的滤光液槽内存放所需的不同滤光波段的滤光液，然后将PMMA芯片10放置在光电二极管11的上端；
(2)制备微流控芯片部分
微流控芯片2上的微通道两端设有注液孔3和废液孔6，微流控芯片2的微通道上设置有变径段作为检测区域，变径段的通道直径小于微通道直径；采用等离子清洗机将微流控芯片2粘合在载玻片1上，然后将其放置在PMMA芯片10的上端；
(3)注入待测微藻样品液
向微流控芯片2的注液孔3注入待测微藻样品液，使样品液中的微藻细胞流经检测区域，微流控芯片2的废液孔6用来回收废液；
(4)检测及结果处理
关闭周围光源，启动电源单元15，散热片7、LED灯8和聚光装置9组成光源部分作为外界激发光，对微流控芯片2上流经检测区域的待测微藻样品液进行照射，流经检测区域的待测微藻样品液中的微藻细胞受到激发后产生相应波段的荧光，荧光经滤光液部分后，被光电二极管11接收并转换成对应的电信号；光电二极管11将电信号传给信号放大滤波单元17，信号放大滤波单元17将电信号进行放大滤波处理，提高检测的精度及灵敏度，然后由信号采集单元18对信号采集并传给数据处理单元19，最终微藻的检测结果以信号图的方式在计算机屏幕上显示；
(5)检测结束后，停止检测程序，并断开电源单元15，对检测结果进行保存。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用具有一定光学特性的染色液作为滤光液来替代传统的固体滤光片，不仅可以极大地节约光电检测的成本，而且相对于常规的滤光手段，滤光液在实现滤光的同时，还可以很好地冷却周围的光电元件，提高检测的质量；
2、由于本发明采用滤光液来充当滤光介质，所以可根据需要灵活改变滤光区域的大小及形状，不同滤光特性的滤光液可自由组合，实现多光谱检测的目的，这极大地改善了检测的灵活性和便捷性，提高微藻检测的效率；
3、本发明基于滤光液原理，采用激光诱导荧光的方法检测微藻细胞的活性，克服了以往检测微藻样品方法设备昂贵、笨重，操作复杂、耗时费力、效率低，并且进行检测的种类也相对有限等缺点，具有工作量少、准确度高的特点；
4、由于本发明采用微流控芯片作为检测微藻活性的检测平台，相关的光电检测组件和数据处理组件体积较小，相对于大型贵重的检测设备，本发明具有结构简单、操作容易以及便携化等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中微藻活性检测装置的结构示意图；
图2为图1中光电单元的结构示意图；
图3为图2中微流控芯片的结构示意图；
图4为图2中PMMA芯片结构示意图；
图5为本发明实施例1中经FDA染色剂染色后的亚心型扁藻细胞荧光信号检测结果图；
图6为本发明实施例1杜氏盐藻细胞叶绿素荧光信号检测结果图；
图中：1、载玻片，2、微流控芯片，3、注液孔，4、检测区域，5、检测区域，6、废液孔，7、散热片，8、LED灯，9、聚光装置，10、PMMA芯片，11、光电二极管，12、遮光外壳，13、滤光液槽，14、滤光液槽，15、电源单元，16、光电单元，17、信号放大滤波单元，18、信号采集单元，19、数据处理单元。
具体实施方式
下面结合实例对本发明的技术方案作进一步具体说明。
实施例1
如图1所示，基于滤光液原理的微藻活性检测装置，包括电源单元15、光电单元16、信号放大滤波单元17、信号采集单元18及数据处理单元19；电源单元15包括电源和适配器，用于给信号放大滤波单元17和光电单元16提供工作所需的电压；光电单元16用于检测待测微藻，以及控制检测过程中的光电信号转换。
如图2所示，光电单元16包括微流控芯片部分、光源部分、滤光液部分和光电检测部分；微流控芯片部分盛放待测微藻样品液，置于光源部分和滤光液部分之间，滤光液部分盛装具有滤光特性的滤光液，能够实现选取特定波段的光的功能；光电检测部分置于滤光液部分下端，接收滤光液部分的光信号并转换为电信号，发送给信号放大滤波单元17；信号放大滤波单元17用于将光电单元16输出的电信号进行放大滤波处理，提高检测的精度及灵敏度；信号采集单元18用于采集信号放大滤波单元17的电信号，发送给数据处理单元19；数据处理单元19对信号采集单元18输出的电信号进行数据处理，然后在计算机端显示实时的信号图。
所述光电单元16的光源部分，包括散热片7、LED灯8和聚光装置9，散热片7、LED灯8和聚光装置9组成光源部分作为外界激发光；所述的聚光装置，包括聚光罩和设置于聚光罩内的凸透镜，LED灯8发出光通过凸透镜发射出去，达到聚焦的效果。
所述光电单元16的光电检测部分包括光电二极管11和遮光外壳12，遮光外壳12用来屏蔽周围光源并起支撑光电单元16其他部分元件的作用，微流控芯片部分、滤光液部分和光电检测部分均设置与遮光外壳内；光电二极管11是光电转换元件，当荧光经滤光液部分滤光后，光电二极管11将接收到的光信号转换为电信号，发送给信号放大滤波单元17。
如图3所示，所述光电单元16的微流控芯片部分，包括微流控芯片2和载玻片1，微流控芯片2与载玻片1粘合在一起，采用等离子清洗机进行粘合；微流控芯片2上的微通道两端设有注液孔3和废液孔6，注液孔3作为待测微藻样品液的注入口，废液孔6用来回收废液，微通道上设置有变径段作为红光检测区域4和绿光检测区域5，变径段的通道直径小于微通道直径，使得待测微藻样品液中的微藻细胞逐个有序地经过红光检测区域4和绿光检测区域5，微流控芯片2的红光检测区域4及绿光检测区域5分别是微流控芯片2上待测微藻样品液中微藻的叶绿素荧光和FDA染色后微藻荧光的检测区域。
如图4所示，所述光电单元16的滤光液部分，包括PMMA芯片10，PMMA芯片10上设置红光滤光液槽13和绿光滤光液槽14，红光滤光液槽13和绿光滤光液槽14分别存放红光滤光液和绿光滤光液。
如图2所示，LED灯8和聚光装置9、微流控芯片2上的红光检测区域4和绿光检测区域5、PMMA芯片10上的红光滤光液槽13和绿光滤光液槽14位于同一直线上，保证外界激发光对测微藻样品液的激发，以及微藻细胞受到激发后产生相应波段的荧光经滤光液滤光。
应用上述基于滤光液原理的微藻活性检测装置进行微藻活性检测的方法，步骤如下：
(1)制备滤光液部分
在PMMA芯片10的红光滤光液槽13和绿光滤光液槽14分别存放红光滤光液和绿光滤光液，然后将PMMA芯片10放置在光电二极管11的上端；
(2)制备微流控芯片部分
微流控芯片2上的微通道两端设有注液孔3和废液孔6，微流控芯片2的微通道上设置有变径段作为检测区域，变径段的通道直径小于微通道直径；采用等离子清洗机将微流控芯片2粘合在载玻片1上，然后将其放置在PMMA芯片10的上端；
(3)注入待测微藻样品液
用数字移液枪向微流控芯片2的注液孔3注入10μL待测微藻样品液，使样品液中的微藻细胞流经红光检测区域4和绿光检测区域5，微流控芯片2的废液孔6用来回收废液；
(4)检测及结果处理
放置好LED灯8和聚光装置9，使其与PMMA芯片10的红光滤光液槽13和绿光滤光液槽14及微流控芯片2上的红光检测区域4和绿光检测区域5位于同一直线位置上。
关闭周围光源，启动电源单元15，散热片7、LED灯8和聚光装置9组成光源部分作为外界激发光，对微流控芯片2上流经红光检测区域4和绿光检测区域5的待测微藻样品液进行照射，流经红光检测区域4和绿光检测区域5的待测微藻样品液中的微藻细胞受到激发后产生相应波段的荧光，荧光经滤光液部分后，被光电二极管11接收并转换成对应的电信号；光电二极管11将电信号传给信号放大滤波单元17，信号放大滤波单元17将电信号进行放大滤波处理，提高检测的精度及灵敏度，然后由信号采集单元18对信号采集并传给数据处理单元19，最终微藻的检测结果以信号图的方式在计算机屏幕上显示。如图5、图6所示，图中横坐标表示检测时间，纵坐标表示测得信号的电压幅值大小，表征微藻细胞的活性大小。图5为经FDA染色剂染色后的亚心型扁藻细胞荧光信号检测结果图，图6为杜氏盐藻细胞叶绿素荧光信号检测结果图。
(5)检测结束后，停止检测程序，并断开电源单元15，对检测结果进行保存。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.基于滤光液原理的微藻活性检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备滤光液部分
在PMMA芯片的滤光液槽内存放所需的不同滤光波段的滤光液，然后将PMMA芯片放置在光电二极管的上端；
(2)制备微流控芯片部分
微流控芯片上的微通道两端设有注液孔和废液孔，微流控芯片的微通道上设置有变径段作为检测区域，变径段的通道直径小于微通道直径；采用等离子清洗机将微流控芯片粘合在载玻片上，然后将其放置在PMMA芯片的上端；
(3)注入待测微藻样品液
向微流控芯片的注液孔注入待测微藻样品液，使样品液中的微藻细胞流经检测区域，微流控芯片的废液孔用来回收废液；
(4)检测及结果处理
关闭周围光源，启动电源单元，散热片、LED灯和聚光装置组成光源部分作为外界激发光，对微流控芯片上流经检测区域的待测微藻样品液进行照射，流经检测区域的待测微藻样品液中的微藻细胞受到激发后产生相应波段的荧光，荧光经滤光液部分后，被光电二极管接收并转换成对应的电信号；光电二极管将电信号传给信号放大滤波单元，信号放大滤波单元将电信号进行放大滤波处理，提高检测的精度及灵敏度，然后由信号采集单元对信号采集并传给数据处理单元，最终微藻的检测结果以信号图的方式在计算机屏幕上显示；
(5)检测结束后，停止检测程序，并断开电源单元，对检测结果进行保存；
所述方法是利用微藻活性检测装置实现的，微藻活性检测装置包括电源单元、光电单元、信号放大滤波单元、信号采集单元及数据处理单元；
电源单元用于给信号放大滤波单元和光电单元提供工作所需的电压；
光电单元用于检测待测微藻，以及控制检测过程中的光电信号转换；光电单元包括微流控芯片部分、光源部分、滤光液部分和光电检测部分；
所述光电单元的微流控芯片部分，包括微流控芯片和载玻片，微流控芯片与载玻片粘合在一起，采用等离子清洗机进行粘合；微流控芯片上的微通道两端设有注液孔和废液孔，注液孔作为待测微藻样品液的注入口，废液孔用来回收废液；
所述的微流控芯片上的微通道上设置有变径段作为检测区域，变径段的通道直径小于微通道直径，使得经过检测区域的待测微藻样品液中的微藻细胞逐个有序地经过检测区域；
微流控芯片部分盛放待测微藻样品液，置于光源部分和滤光液部分之间，滤光液部分盛装具有滤光特性的滤光液，能够实现选取特定波段的光的功能；光电检测部分置于滤光液部分下端，接收滤光液部分的光信号并转换为电信号，发送给信号放大滤波单元；
所述光电单元的光源部分，包括散热片、LED灯和聚光装置，散热片、LED灯和聚光装置组成光源部分作为外界激发光；
所述光电单元的光源部分的LED灯和聚光装置与微流控芯片部分的微流控芯片上的检测区域，以及滤光液部分的PMMA芯片上的滤光液槽位于同一直线上，保证外界激发光对测微藻样品液的激发，以及待测微藻细胞受到激发后产生相应波段的荧光经滤光液滤光；
所述光电单元的光源部分的聚光装置，包括聚光罩和设置于聚光罩内的凸透镜，LED灯发出光通过凸透镜发射出去，达到聚焦的效果；
所述光电单元的滤光液部分，包括PMMA芯片，PMMA芯片设置多个滤光液槽存放多种不同滤光波段的滤光液，不同滤光波段的滤光液可自由组合，从而一次性检测更多的不同类型的藻类，达到多光谱检测的目的；
所述光电单元的光电检测部分包括光电二极管和遮光外壳，遮光外壳用来屏蔽周围光源并起支撑光电单元其他部分元件的作用，微流控芯片部分、滤光液部分和光电检测部分均设置于遮光外壳内；光电二极管是光电转换元件，当荧光经滤光液部分滤光后，光电二极管将接收到的光信号转换为电信号，发送给信号放大滤波单元；
信号放大滤波单元用于将光电单元输出的电信号进行放大滤波处理，提高检测的精度及灵敏度；
信号采集单元用于采集信号放大滤波单元的电信号，发送给数据处理单元；
数据处理单元对信号采集单元输出的电信号进行数据处理，然后在计算机端显示实时的信号图。
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