CN112326910A - 一种线虫微流控芯片系统及其对环境水质检测的方法 - Google Patents

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刘楠
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Abstract

本申请实施例提供的一种线虫微流控芯片系统及其对环境水质检测的方法，包括：培养液和线虫进样口、环境水样进样口、与所述培养液和线虫进样口、环境水样进样口分别通过微通道连接的线虫培养池、多组分别与所述线虫培养池通过微通道相连的线虫观测区、与所述线虫观测区通过微通道一对一相连的多组第一微阀开关和废液出口；其中，所述线虫观测区包括用于观察所述线虫体长的标尺；所述线虫培养池和所述线虫观测区之间还连接有第二微阀开关。利用环境模式生物线虫，观察线虫的寿命、生殖能力、运动能力指标来评价环境水质和沉积物的潜在毒性，研制一种更为高效的毒性筛选评价技术。

Description

一种线虫微流控芯片系统及其对环境水质检测的方法
技术领域
本发明实施例涉及环境水质检测技术领域，具体涉及一种线虫微流控芯片系统及其对环境水质检测的方法。
背景技术
模式生物秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)是一种很微小的多细胞无脊椎动物，在自然情况下自由生活在土壤间水层中，以细菌为食，是一种经典的模式生物。线虫的基本特征表现为：通体透明，培养简单，可直接在显微镜下观察其体内器官；体积小，生命周期短，野生型线虫株N2在20℃可存活约20天；雌雄同体，细胞定数；神经系统结构简单，却含有编码脊椎动物大脑相关的多数基因，与人类在受体、神经递质等方面明显相似；线虫的基因测序已全部完成，可提供线虫的全部遗传信息，现已知线虫基因组约相当于人基因组的1/30，但几乎所有重要的人类发育和疾病基因都在线虫中存在直向同源基因且相关信号通路保守。这些独特的生物学和遗传学特征使线虫成为在基因组规模上研究人类信号传导路径，以及在活体内进行药物评价的最佳模式生物之一。
目前线虫研究主要在液体或琼脂板上进行，即通常使用移液枪手工将线虫培养于96孔板内的液体培养基或NGM琼脂培养基上，在培养过程中定期更换孔板或琼脂板。在对线虫行为进行研究时，需经过线虫大量培养、刺激施加、清洗、分选和检测等多个步骤，分析线虫行为响应；分析线虫的荧光成像特征时，研究者必须用铂金铲将单个线虫手工挑取出来，再用胶水或麻醉剂固定线虫，才能满足荧光成像的要求。显而易见，基于传统的研究手段，线虫培养群体数量多，但是试剂和耗材消耗量大，操作步骤较为繁琐、复杂，费时费力，通量低，难以对单个线虫实现精确的刺激传递、操控和追踪，且成像时固定线虫所用的胶水或者麻醉剂可能会对线虫的神经和行为产生一些潜在的副作用。
微流控芯片，是一种以在微米尺度空间对流体操控为主要特征的技术，它以微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，可以实现常规化学或生物实验室的各种功能，具有微型化、自动化、集成化、高通量以及可以在接近生理环境下运行等特点。相对传统线虫研究手段，微流控芯片具有很多不可比拟的优势：尺寸为微米至毫米级，可以与各个生长期的线虫大小相匹配；它能通过流体在微通道内实现对微小物体及其所处微环境的精确操控，因此可实现精确的刺激传递；易于实现高通量，可以满足大规模单线虫个体分析的要求；具有设计灵活、高度自动化和集成化的特点，有利于根据研究需要对线虫进行大规模筛选及多参数实时监控。鉴于微流控芯片用于线虫研究具有诸多优势，目前已经有很多研究者致力于这一交叉学科的研究。
发明内容
线虫生存状态的好坏在一定程度上反映环境水体的污染程度。根据受试样品的不同、试验终点的选择也不同，目前，常用的试验观察指标有生理指标、行为指标和生化指标。生理指标包括致死率、半数致死天数、最长寿命、个体发育、细胞调亡和生殖等；行为指标包括运动行为、学习行为和记忆行为等；生化指标包括蛋白、酶活性及DNA分子水平等的变化。采用秀丽线虫寿命、生殖能力、运动能为等指标对环境水质和沉积物的毒性进行研究。为了能够更好的对环境水质进行检测，本申请提供一种线虫微流控芯片系统及其对环境水质检测的方法，该系统利用环境模式生物线虫，观察线虫的寿命、生殖能力、运动能力指标来评价环境水质和沉积物的潜在毒性，研制一种更为高效的毒性筛选评价技术。其具体技术方案如下：
根据本发明实施例提供的一种线虫微流控芯片系统，包括：培养液和线虫进样口(1)、环境水样进样口(2)、与所述培养液和线虫进样口(1)、环境水样进样口(2)分别通过微通道连接的线虫培养池(3)、多组分别与所述线虫培养池(3)通过微通道相连的线虫观测区(4)、与所述线虫观测区(4)通过微通道一对一相连的多组第一微阀开关(6)和废液出口(7)；其中，所述线虫观测区(4)包括用于观察所述线虫体长的标尺(5)；所述线虫培养池(3)和所述线虫观测区(4)之间还连接有第二微阀开关(8)；
所述培养液和线虫进样口(1)用于注入待观测的培养液和线虫，所述培养液用于培养所述线虫；
所述环境水样进样口(2)用于注入对所述线虫有危害的环境水样；
所述线虫培养池(3)用于放置所述待观测的培养液和线虫、环境水样；
所述线虫观测区(4)用于连接显微镜，并使用所述显微镜观察所述线虫在环境水样下的多种生物指标，所述生物指标包括线虫的寿命指标、生殖指标和运动指标；
所述微阀开关(6)用于控制废液是否流出；
所述废液出口(7)用于将废液排出。
进一步的，所述微通道的宽度和深度均不小于50μm。
进一步的，所述寿命指标包括最长寿命、最短寿命及平均寿命；所述生殖指标包括后代数量；所述运动指标是以头部摆动频率和身体弯曲频率作为运动行为的评价指标。
本申请的另一方面提供一种线虫微流控芯片系统对环境水质检测的方法，包括步骤：
将包括线虫的培养液通过微通道从培养液和线虫进样口注入；
将环境水样通过微通道从环境水样进样口注入；
所述培养液和所述环境水样通过微通道进入线虫培养池后培养预设时间；
预设时间到达后，开启第二微阀开关，所述线虫培养池中包括带有线虫的培养液和环境水样的混合液体进入连接有显微镜的线虫观测区进行观察；
根据观察到的线虫生物指标判断环境水样的潜在毒性。
进一步的，还包括步骤：在第一微阀开关后，将观察后的所述混合液体通过微通道和废液出口排出。
进一步的，还包括步骤：使用标尺观察线虫的长度。
进一步的，所述微通道的宽度和深度均不小于50μm。
进一步的，所述寿命指标包括最长寿命、最短寿命及平均寿命；所述生殖指标包括后代数量；所述运动指标是以头部摆动频率和身体弯曲频率作为运动行为的评价指标。
本申请实施例提供的一种线虫微流控芯片系统及其对环境水质检测的方法，利用环境模式生物线虫，观察线虫的寿命、生殖能力、运动能力指标来评价环境水质和沉积物的潜在毒性，研制一种更为高效的毒性筛选评价技术。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
图1为本申请实施例提供的一种线虫微流控芯片系统的优选实施方式的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种线虫微流控芯片系统的立体结构示意图；
图3本发申请实施例提供的一种线虫微流控芯片系统对环境水质检测的方法流程图；
图中：0：线虫微流控芯片系统；1：培养液和线虫进样口；2：环境水样进样口；3：线虫培养池；4：标尺；6：第一微阀开关；7：废液出口；8：第二微阀开关。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
本申请提供的一种视频与时空信息同步检测方法应用于具有控制和处理功能的设备。
参见图1、图2，图1为本申请实施例提供的一种线虫微流控芯片系统的优选实施方式的结构示意图，图2为本申请实施例提供的一种线虫微流控芯片系统的立体结构示意图；包括培养液和线虫进样口(1)、环境水样进样口(2)、与所述培养液和线虫进样口(1)、环境水样进样口(2)分别通过微通道连接的线虫培养池(3)、多组分别与所述线虫培养池(3)通过微通道相连的线虫观测区(4)、与所述线虫观测区(4)通过微通道一对一相连的多组第一微阀开关(6)和废液出口(7)；其中，所述线虫观测区(4)包括用于观察所述线虫体长的标尺(5)；所述线虫培养池(3)和所述线虫观测区(4)之间还连接有第二微阀开关(8)；所述培养液和线虫进样口(1)用于注入待观测的培养液和线虫，所述培养液用于培养所述线虫；所述环境水样进样口(2)用于注入对所述线虫有危害的环境水样；所述线虫培养池(3)用于放置所述待观测的培养液和线虫、环境水样；所述线虫观测区(4)用于连接显微镜，并使用所述显微镜观察所述线虫在环境水样下的多种生物指标，所述生物指标包括线虫的寿命指标、生殖指标和运动指标；所述微阀开关(6)用于控制废液是否流出；所述废液出口(7)用于将废液排出。
微流控芯片由左至右依次包括培养液和线虫进样口(1)和环境水样进样口(2)；线虫培养池(3)；线虫观测区(4)[含标尺(5)]；第一微阀开关(6)和废液出口(7)。各个组成功能区通过微通道相连，所有微通道的直径为50μm。第一微阀开关(6)可控制着液体向下一个功能区流动。线虫观测区(4)可通过显微镜对线虫进行寿命、生殖和运动等各个指标进行观察和观测，标尺(5)可大致测量线虫的体长，从而对线虫的生长发育进行初步评价。测试完毕后，通过加压，可将所有废液通过废液出口(7)排出。
在本申请的可选实施方式中，在线虫观测区(4)和标尺(5)之间设置第一微阀开关(6)，当第一微阀开关(6)打开后，观察后的线虫进入标尺(5)，标尺(5)可观察其身长。
上述寿命指标包括最长寿命、最短寿命及平均寿命；所述生殖指标包括后代数量；所述运动指标是以头部摆动频率和身体弯曲频率作为运动行为的评价指标。在本申请实施例中，进样通道的宽度和深度均为50μm，保证单个线虫顺利进入通道但不会对线虫造成挤压。线虫生存状态的好坏一定程度上反映水体的污染程度。根据受试样品的不同、试验终点的选择也不同，目前，常用的试验观察指标有生理指标和行为指标。生理指标包括寿命和生殖；行为指标多为运动行为。采用秀丽线虫寿命、生殖能力、运动能力指标对环境水质的毒性进行研究。
(1)秀丽线虫寿命：对照组和每个实验组各取状态相当的秀丽线虫至含有尿嘧啶缺陷型大肠杆菌(E.coli)OP50微流控孔内，直至受试的秀丽线虫死亡。确认秀丽线虫死亡的标准是对外部机械刺激没有应答。若连续3次金属挑针轻触无反应则认定为死亡。所有受试秀丽线虫从开始生长的时间记为第0天。通过观测该微流控区域内所有线虫，可观测所有线虫的最长寿命、最短寿命及平均寿命等指标。
(2)生殖能力：通过后代数量来评价。秀丽线虫在进入成虫时期后，直到没有后代产生为止，计算所有所得后代数量的总和。
(3)运动能力：运动行为以头部摆动频率和身体弯曲频率作为运动行为的评价指标。头部摆动频率测试时，将微孔加入60μL液体培养基，1分钟后计数1分钟内秀丽线虫头部从身体一侧摆向另一侧的次数。身体弯曲的测试是记录其在20s内身体弯曲的次数，一次身体弯曲定义为以身体形成的S型中轴线为轴，向前行进一个正弦波形的过程。
参见图3为本申请的另一方面提供的一种线虫微流控芯片系统对环境水质检测的方法流程图。包括：
将包括线虫的培养液通过微通道从培养液和线虫进样口注入；
将环境水样通过微通道从环境水样进样口注入；
所述培养液和所述环境水样通过微通道进入线虫培养池后培养预设时间；
预设时间到达后，开启第二微阀开关，所述线虫培养池中包括带有线虫的培养液和环境水样的混合液体进入连接有显微镜的线虫观测区进行观察，得到所述显微镜观察所述线虫在环境水样下的多种生物指标，所述生物指标包括线虫的寿命指标、生殖指标和运动指标；
根据观察到的线虫生物指标判断环境水样的潜在毒性。
进一步的，还包括步骤：在第一微阀开关后，将观察后的所述混合液体通过微通道和废液出口排出。
进一步的，还包括步骤：使用标尺观察线虫的长度。
进一步的，所述微通道的宽度和深度均不小于50μm。
进一步的，所述寿命指标包括最长寿命、最短寿命及平均寿命；所述生殖指标包括后代数量；所述运动指标是以头部摆动频率和身体弯曲频率作为运动行为的评价指标。
本申请实施例提供的一种线虫微流控芯片系统及其对环境水质检测的方法，利用环境模式生物线虫，观察线虫的寿命、生殖能力、运动能力指标来评价环境水质和沉积物的潜在毒性，研制一种更为高效的毒性筛选评价技术。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种线虫微流控芯片系统，其特征在于，包括：培养液和线虫进样口(1)、环境水样进样口(2)、与所述培养液和线虫进样口(1)、环境水样进样口(2)分别通过微通道连接的线虫培养池(3)、多组分别与所述线虫培养池(3)通过微通道相连的线虫观测区(4)、与所述线虫观测区(4)通过微通道一对一相连的多组第一微阀开关(6)和废液出口(7)；其中，所述线虫观测区(4)包括用于观察所述线虫体长的标尺(5)；所述线虫培养池(3)和所述线虫观测区(4)之间还连接有第二微阀开关(8)；
所述培养液和线虫进样口(1)用于注入待观测的培养液和线虫，所述培养液用于培养所述线虫；
所述环境水样进样口(2)用于注入对所述线虫有危害的环境水样；
所述线虫培养池(3)用于放置所述待观测的培养液和线虫、环境水样；
所述线虫观测区(4)用于连接显微镜，并使用所述显微镜观察所述线虫在环境水样下的多种生物指标，所述生物指标包括线虫的寿命指标、生殖指标和运动指标；
所述微阀开关(6)用于控制废液是否流出；
所述废液出口(7)用于将废液排出。
2.根据权利要求1所述的线虫微流控芯片系统，其特征在于，所述微通道的宽度和深度均不小于50μm。
3.根据权利要求1所述的线虫微流控芯片系统，其特征在于，所述寿命指标包括最长寿命、最短寿命及平均寿命；所述生殖指标包括后代数量；所述运动指标是以头部摆动频率和身体弯曲频率作为运动行为的评价指标。
4.一种线虫微流控芯片系统对环境水质检测的方法，其特征在于，包括步骤：
将包括线虫的培养液通过微通道从培养液和线虫进样口注入；
将环境水样通过微通道从环境水样进样口注入；
所述培养液和所述环境水样通过微通道进入线虫培养池后培养预设时间；
预设时间到达后，开启第二微阀开关，所述线虫培养池中包括带有线虫的培养液和环境水样的混合液体进入连接有显微镜的线虫观测区进行观察，得到所述显微镜观察所述线虫在环境水样下的多种生物指标；所述生物指标包括线虫的寿命指标、生殖指标和运动指标；
根据观察到的线虫生物指标判断环境水样的潜在毒性。
5.根据权利要求4所述的线虫微流控芯片系统对环境水质检测的方法，其特征在于，还包括步骤：在第一微阀开关(6)后，将观察后的所述混合液体通过微通道和废液出口排出。
6.根据权利要求4所述的线虫微流控芯片系统对环境水质检测的方法，其特征在于，还包括步骤：使用标尺观察线虫的长度。
7.根据权利要求4所述的线虫微流控芯片系统对环境水质检测的方法，其特征在于，所述微通道的宽度和深度均不小于50μm。
8.根据权利要求4所述的线虫微流控芯片系统对环境水质检测的方法，其特征在于，所述寿命指标包括最长寿命、最短寿命及平均寿命；所述生殖指标包括后代数量；所述运动指标是以头部摆动频率和身体弯曲频率作为运动行为的评价指标。
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