CN111272757A - 一种基于微藻电动运动速度判定船舶压载水中微藻活性的装置及方法 - Google Patents

一种基于微藻电动运动速度判定船舶压载水中微藻活性的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于微藻电动运动速度判定船舶压载水中微藻活性的装置及方法。本发明装置包括显微成像单元、微流控芯片、直流电源。显微成像单元包括智能手机、光源、物镜、目镜、反光镜、手动微进给台。手机摄像头对准目镜，微流控芯片置于物镜下方。微流控芯片中有一个用于样品分析的直微通道，微通道两端各有一个储液池，用于加样品和插入电极。检测时，将船舶压载水微藻样品加入到10％的PEG溶液中，再滴加到微流控芯片中，施加直流电后，利用智能手机实时拍摄样品中微藻的运动情况，并通过手机上的软件计算微藻的电动运动速度，根据微藻的运动速度与尺寸的关系判定死活。该装置可根据微藻的运动速度与尺寸的关系，快速判定微藻的活性，无需对样品进行标记。

Description

一种基于微藻电动运动速度判定船舶压载水中微藻活性的装 置及方法
技术领域
本发明涉及微流控芯片检测技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于微藻电动运动速度判定船舶压载水中微藻活性的装置及方法。
背景技术
随着运输业的发展，海运贸易由于其性价比高、运输规模大已成为货运的主要方式，船舶压载水为船舶航行和空载提供安全性和稳定性的同时也对海洋环境产生一定的影响，排放不当或者随意排放到其他海域，压载水中的微生物就会以入侵者的身份破坏该海域的物种多样性及生态平衡，所以经过处理后的船舶压载水中微生物活性的快速检测成为行业的焦点。
船舶压载水对海洋生物的有害入侵是国际上公认的问题，《2004年国际船舶压载水和沉积物控制与管理公约》(简称《公约》)要求通过指示性分析，迅速而准确地确定处理后的压载水中微生物的数量。由于压载水经过处理后，大部分微生物为微藻，因此港口国检查官可以通过现场分析处理，对压载水中微藻的活性进行初步的指示性分析。
目前，有一些方法可以用来判定微藻的活性，如叶绿素自发荧光法和染色法。
叶绿素自发荧光检测法是一种较流行的检测浮游植物活性的方法，通过测量活的浮游植物在受到激光发后发出的叶绿素荧光，来判定其活性。目前，基于此原理的商品化仪器既可以测量样品的总叶绿素荧光，也可以测定单个浮游植物的叶绿素荧光。该方法最大的不足是：部分微藻死亡后，在一定的时间内仍能发出叶绿素荧光，从而给检测带来较大的误差。
染色法主要包括非荧光染料和荧光染料两种方法。非荧光染料主要有中性红和台盼蓝。中性红是一种水溶性非荧光染料，可以将活细胞染成红色；台盼蓝则只能将死亡细胞染成蓝色。荧光染料种类较多，如荧光素二乙酸酯(FDA)和5-氯甲基二乙酸酯(CMFDA)等。FDA本身不发光，可以穿透细胞膜并且积蓄在存活细胞内，被原生质体的酯酶分解成为具有荧光的极性物质，而死亡细胞不能与FDA结合。为此，有研究者结合流式细胞仪、荧光计数器实现了基于FDA荧光染色的存活微藻检测和计数，但是FDA并不能对所有的细胞进行染色，容易低估真实存活微藻数量，进而导致结果偏差较大。总的来看，染色法最大的缺点是需要对样品进行染色和孵育，耗时长，需要专业技能。
如上所述，现有的区分海洋微藻活性的方法均存在一定的局限性，海洋微藻的多样性和压载水处理系统的多样化要求开发压载水符合性检测的新技术。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种基于微藻电动运动速度判定船舶压载水中微藻活性的装置及方法。由于本发明装置具有较小的体积，所以可以便携的对压载水中存活的微藻的活性进行检测。此外，由于仅需测量5-10s内微藻的运动速度，极大缩短了检测时间。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于微藻电动运动速度判定船舶压载水中微藻活性的装置，包括：直流电源、微流控芯片及显微成像单元；
所述微流控芯片中开设有一用于样品分析的直微通道，直微通道的两端分别开设有用于滴加样品和插入电极施加直流电场的储液池；
所述显微成像单元包括智能手机、光源、物镜、目镜、反光镜、手动微进给台；所述智能手机的摄像头对准目镜，反光镜与水平放置的目镜呈45°，物镜设置在反光镜正下方；所述微流控芯片放置在所述物镜正下方；同时，微流控芯片放置在所述手动微进给台上面，所述手动微进给台带动微流控芯片处于物镜便于观察的位置，光源向上正对微流控芯片，手动微进给台设置在整个装置的底部，同时处于光源右方；
检测时，将检测样品滴加到微流控芯片中，施加直流电后，利用智能手机实时拍摄样品中微藻的运动情况，并计算微藻的电动运动速度，根据微藻的电动运动速度与微藻直径的乘积来判定微藻的死活，完成检测。
进一步地，所述直微通道的直径为100μm，且直微通道用浓度为10％的PEG溶液改性8小时。
进一步地，所述直微通道中的直流电场强度为50V/cm。
进一步地，所述的检测样品为船舶压载水微藻样品，需与浓度为10％的PEG溶液混合后，再滴加到微流控芯片中。
本发明还提供了一种基于微藻电动运动速度判定微藻活性的方法，包括如下步骤：
S1、改性处理：将浓度为10％的PEG溶液用移液枪滴加到微流控芯片的直微通道处以及旋涂好的载玻片上，10min后用移液枪吸除直微通道中的PEG溶液，以及载玻片上的PEG溶液，将两者放到烘箱内烘烤8小时；
S2、样品滴加：在直微通道左端储液池滴加浓度为10％的PEG缓冲液，使直微通道中充满浓度为10％的PEG缓冲液，滴加完毕后向直微通道右端储液池滴加压载水待测液，通过控制两个储液池的液面高度，使直微通道(3)中压载水的微藻处于静止状态；
S3、施加电场：将正负电极分别插在直微通道左右两端的储液池中，通电时控制施加电压大小，保证直微通道中电场强度为50V/cm；
S4、检测：通电后，直微通道中的微藻在电场的作用下以不同速度向正极移动，微藻运动情况通过物镜、目镜、反光镜及智能手机的摄像头呈现在智能手机专用的测速软件上，该软件能够测量微藻的直径和电动运动速度，并根据事先标定好微藻电动运动速度-电动运动速度与微藻直径乘积的关系曲线，判定微藻死活。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的基于微藻电动运动速度判定其活性的装置及方法，在电场的作用下，利用不同活性微藻表面电荷不同引起的电动运动速度与微藻尺寸乘积的差异来判定微藻死活，达到检测目的，其具有分析时间短，可靠性高等优势，同时能够利用智能手机在现场分析压载水中存活微藻的活性，可方便用于非生物专业的港口国检查官使用。
基于上述理由本发明可在压载水现场检测等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明装置示意图。
图2为本发明微流控芯片结构示意图。
图中：1、直流电源；2、微流控芯片；3、直微通道；4、储液池；5、智能手机、6、光源；7、物镜；8、目镜；9、反光镜；10、手动微进给台。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种基于微藻电动运动速度判定微藻活性的装置，直流电源1、微流控芯片2及显微成像单元；
如图2所示，微流控芯片2中开设有一用于样品分析的直微通道3，直微通道3的两端分别开设有用于滴加样品和插入电极施加直流电场的储液池4；进一步地作为本发明优选的实施方式，直微通道3的直径为100μm，且直微通道(3)用浓度为10％的PEG溶液改性8小时。直微通道3中的直流电场强度为50V/cm。
显微成像单元包括智能手机5、光源6、物镜7、目镜8、反光镜9、手动微进给台10；智能手机5的摄像头对准目镜8，反光镜9与水平放置的目镜8呈45°，物镜7设置在反光镜9正下方；微流控芯片2放置在物镜7正下方；同时，微流控芯片2放置在手动微进给台10上面，手动微进给台10带动微流控芯片2处于物镜7便于观察的位置，光源6向上正对微流控芯片2，手动微进给台10设置在整个装置的底部，同时处于光源6右方；
检测时，将检测样品滴加到微流控芯片2中，施加直流电后，利用智能手机5实时拍摄样品中微藻的运动情况，并计算微藻的电动运动速度，根据微藻的电动运动速度与微藻直径的乘积来判定微藻的死活，完成检测。
进一步地作为本发明优选的实施方式，检测样品为船舶压载水微藻样品，需与浓度为10％的PEG溶液混合后，再滴加到微流控芯片2中。
实施例2
在实施例1的基础上，本发明还提供了一种基于微藻电动运动速度判定微藻活性的方法，包括如下步骤：
S1、改性处理：将浓度为10％的PEG溶液用移液枪滴加到微流控芯片2的直微通道3处以及旋涂好的载玻片上，10min后用移液枪吸除直微通道3中的PEG溶液，以及载玻片上的PEG溶液，将两者放到烘箱内烘烤8小时；
S2、样品滴加：在直微通道3左端储液池4滴加浓度为10％的PEG缓冲液，使直微通道3中充满浓度为10％的PEG缓冲液，滴加完毕后向直微通道3右端储液池4滴加压载水待测液，通过控制两个储液池4的液面高度，使直微通道3中压载水的微藻处于静止状态；
S3、施加电场：将正负电极分别插在直微通道3左右两端的储液池4中，通电时控制施加电压大小，保证直微通道3中电场强度为50V/cm；
S4、检测：通电后，直微通道3中的微藻在电场的作用下以不同速度向正极移动，微藻运动情况通过物镜7、目镜8、反光镜9及智能手机5的摄像头呈现在智能手机5专用的测速软件上，该软件能够测量微藻的直径和电动运动速度，并根据事先标定好微藻电动运动速度-电动运动速度与微藻直径乘积的关系曲线，判定微藻死活。
综上所述，本发明在实验室验证中，利用微通道中电泳和电渗流的共同作用，使得压载水中存活的浮游植物尺寸大小与其本身速度乘积不同，进而判定浮游植物的死活，以达到检测目的；
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种基于微藻电动运动速度判定船舶压载水中微藻活性的装置，其特征在于，包括：直流电源(1)、微流控芯片(2)及显微成像单元；
所述微流控芯片(2)中开设有一用于样品分析的直微通道(3)，直微通道(3)的两端分别开设有用于滴加样品和插入电极施加直流电场的储液池(4)；
所述显微成像单元包括智能手机(5)、光源(6)、物镜(7)、目镜(8)、反光镜(9)、手动微进给台(10)；所述智能手机(5)的摄像头对准目镜(8)，反光镜(9)与水平放置的目镜(8)呈45°，物镜(7)设置在反光镜(9)正下方；所述微流控芯片(2)放置在所述物镜(7)正下方；同时，微流控芯片(2)放置在所述手动微进给台(10)上面，所述手动微进给台(10)带动微流控芯片(2)处于物镜(7)便于观察的位置，光源(6)向上正对微流控芯片(2)，手动微进给台(10)设置在整个装置的底部，同时处于光源(6)右方；
检测时，将检测样品滴加到微流控芯片(2)中，施加直流电后，利用智能手机(5)实时拍摄样品中微藻的运动情况，并计算微藻的电动运动速度，根据微藻的电动运动速度与微藻直径的乘积来判定微藻的死活，完成检测。
2.根据权利要求1所述的基于微藻电动运动速度判定船舶压载水中微藻活性的装置，其特征在于，所述直微通道(3)的直径为100μm，且直微通道(3)用浓度为10％的PEG溶液改性8小时。
3.根据权利要求1所述的基于微藻电动运动速度判定船舶压载水中微藻活性的装置，其特征在于，所述直微通道(3)中的直流电场强度为50V/cm。
4.根据权利要求1所述的基于微藻电动运动速度判定船舶压载水中微藻活性的装置，其特征在于，所述的检测样品为船舶压载水微藻样品，需与浓度为10％的PEG溶液混合后，再滴加到微流控芯片(2)中。
5.一种如权利要求1-4任意权利要求所述的基于微藻电动运动速度判定船舶压载水中微藻活性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、改性处理：将浓度为10％的PEG溶液用移液枪滴加到微流控芯片(2)的直微通道(3)处以及旋涂好的载玻片上，10min后用移液枪吸除直微通道(3)中的PEG溶液，以及载玻片上的PEG溶液，将两者放到烘箱内烘烤8小时；
S2、样品滴加：在直微通道(3)左端储液池(4)滴加浓度为10％的PEG缓冲液，使直微通道(3)中充满浓度为10％的PEG缓冲液，滴加完毕后向直微通道(3)右端储液池(4)滴加压载水待测液，通过控制两个储液池(4)的液面高度，使直微通道(3)中压载水的微藻处于静止状态；
S3、施加电场：将正负电极分别插在直微通道(3)左右两端的储液池(4)中，通电时控制施加电压大小，保证直微通道(3)中电场强度为50V/cm；
S4、检测：通电后，直微通道(3)中的微藻在电场的作用下以不同速度向正极移动，微藻运动情况通过物镜(7)、目镜(8)、反光镜(9)及智能手机(5)的摄像头呈现在智能手机(5)专用的测速软件上，该软件能够测量微藻的直径和电动运动速度，并根据事先标定好微藻电动运动速度-电动运动速度与微藻直径乘积的关系曲线，判定微藻死活。
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