CN113125717B - 基于微流控芯片的食物中沙门氏菌浓度检测方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于微流控芯片的食物中沙门氏菌浓度检测方法与装置，装置从上至下是微流控管道区、丝网印刷电极层、电子制冷片层、双压电晶片层和PCB电路板层，微流控管道区底部玻璃基板上分别设有进样口、碳酸储液室、乙醇储液室、纳米金颗粒溶液储液室、脂多糖抗体溶液室、BSA溶液储液室和PBS缓冲液储液室，进样口通过管道依次串联第一微混合腔、第二微混合腔以及第一通孔；先进行丝网印刷电极的修饰，测出工作电极表面的第一次阻抗值，再将沙门氏菌样液滴入到进样口，液体滴入到工作区域表面，测出工作电极表面的第二次阻抗值，最后将两次阻抗值与关系图作比较，模拟得到沙门氏菌的浓度值，采用多管道式微流控芯片，快捷简便地检测且灵敏度高。
Description
技术领域
本发明属于生物医学检测领域，具体是基于微流控芯片的专用沙门氏菌的检测技术，用于检测食物中的沙门氏菌的浓度。
背景技术
沙门氏菌是一种常见的食源性致病菌，在种类细菌性食物中毒中，沙门氏菌引起的食物中毒列榜首。沙门氏菌病的病原体属肠杆菌科，革兰氏阴性肠道杆菌，可在水、乳及肉类等食品中生存数月，且感染沙门氏菌容易引起伤寒、感染性腹泻、肠热症、肠胃炎等疾病。因此，需要一种便携式的装置来简单快速地检测食物中的沙门氏菌的浓度。
目前，沙门氏菌的检测一直以传统检测方法为主，采用非选择性和选择性增菌、可疑细菌分离等常规方法，虽然经典可靠，但程序复杂、十分繁琐，不仅费时费力而且敏感性和特异性较差，漏检率较高。而免疫荧光法、酶联免疫吸附试验(ELISA)法、聚合酶链反应(PCR)法等都需要使用指定的仪器设备检测，需要具有相应的试验条件和技能，难以快速检测和推广，例如中国专利公开号为CN106702016，名称为“一种快速检测沙门氏菌的方法”的文献中公开的方法等。
发明内容
本发明的目的在于解决现有食物中沙门氏菌检测技术存在的问题，提出一种基于微流控芯片的食物中沙门氏菌浓度检测装置以及检测方法，采用多管道式微流控芯片，快捷简便地检测且灵敏度高。
为实现上述目的，本发明所述的基于微流控芯片的食物中沙门氏菌浓度检测装置采用的技术方案是：从上至下是微流控管道区、丝网印刷电极层、电子制冷片层、双压电晶片层和PCB电路板层，微流控管道区底部是长方体的第一层玻璃基板，第一层玻璃基板上分别设有进样口、装有0.1％浓度碳酸的碳酸储液室、装有液态乙醇的乙醇储液室、装有纳米金颗粒溶液的纳米金颗粒溶液储液室、装有O抗体溶液的脂多糖抗体溶液室、装有BSA溶液的BSA溶液储液室和装有PBS缓冲液的PBS缓冲液储液室，进样口通过管道依次串联第一微混合腔、第二微混合腔以及第一通孔，形成第一路通道，进样口和第一微混合腔之间的管道上连接第三电润湿阀门，第三电润湿阀门和第一微混合腔之间通过管道并联碳酸储液室，形成第一并联支路，第一并联支路的管道上装有第一平行板电容器和第一电润湿阀门；第一微混合腔和第二微混合腔之间的管道上连接第四电润湿阀门，第四电润湿阀门和第二微混合腔之间通过管道并联乙醇储液室，形成第二并联支路，第二并联支路的管道上装有第二平行板电容器和第二电润湿阀门，第二微混合腔和第一通孔之间的管道上连接有第五电润湿阀门；由纳米金颗粒溶液储液室和第二通孔连接成第二路通道，第二路通道上装有第六电润湿阀门和第三平行板电容器；由脂多糖抗体溶液储液室和第三通孔连接成第三路通道，第三路通道上装有第七电润湿阀门和第四平行板电容器；由BSA溶液储液室和第四通孔连接成第四路通道，第四路通道上装有第八电润湿阀门和第五平行板电容器；由PBS缓冲液储液室和第五通孔连接成第五路通道，第五路通道上装有第九电润湿阀门和第六平行板电容器；所述的丝网印刷电极层底部是长方形的第二层硬质塑料基板，丝网印刷电极嵌在第二层硬质塑料基板上设置的长方形凹槽中，丝网印刷电极包括有工作电极、参比电极和对电极，工作电极的中央是工作区域，第一、第二、第三、第四、第五通孔的正下方是工作电极的工作区域。
本发明基于微流控芯片的食物中沙门氏菌浓度检测方法采用的技术方案是包括以下步骤：
步骤1)：给双压电晶片层通电使其保持振动，使电子制冷片层朝上的一侧制冷，打开第六电润湿阀门，纳米金颗粒溶液到达第二通孔，滴入到丝网印刷电极层的工作区域；再使电子制冷片层朝上的一侧制热，打开第九电润湿阀门，PBS缓冲液流入第五通孔，冲洗工作电极表面；打开第七电润湿阀门，脂多糖抗体溶液流入到第三通孔，滴加到工作电极的表面；打开第九电润湿阀门，PBS缓冲液流入第五通孔，冲洗工作电极表面；打开第八电润湿阀门，BSA溶液流入到第四通孔，滴加到工作电极的表面；打开第九电润湿阀门，PBS缓冲液流入第五通孔，完成电极修饰，测出此时工作电极表面的第一次阻抗值；关闭双压电晶片层和关闭电子制冷片层的电源；
步骤3)将沙门氏菌样液滴入到进样口，再使双压电晶片层保持振动并使电子制冷片层朝上的一侧制热，打开第三电润湿阀门和第一电润湿阀门，样液与碳酸到达第一微混合腔混合；打开第四电润湿阀门和第二电润湿阀门，两种液体到达第二微混合腔混合；打开第五电润湿阀门，液体到达第一通孔，滴入到下方的工作电极的工作区域表面；测出此时工作电极表面的第二次阻抗值；
步骤4)：将第一次阻抗值和第二次阻抗值与阻抗—沙门氏菌浓度的关系图作比较，模拟得到沙门氏菌的浓度值。
本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点：
1、本发明有多个独立储液室，可储存多种试剂，试剂可供多次使用，无需次次添加试剂，使用方便。
2、本发明进样口设计为试剂瓶的结构，不用时盖紧瓶盖，可有效防止细菌污染进样口。
3、本发明设计有平行板电容器，用来检测储液室中试剂是否足够下一次的使用，可以及时提醒使用者添加储液室中的试剂。
4、本发明使用电润湿阀门，通过外部MCU的时序设计来控制液体流通与否，实现自动化进样。
5、本发明无需泵进样，依靠重力进样，且在微通道表面涂上一层亲水试剂，驱动液体流动。
6、本发明采用多管道式微流控，防止了多种试剂之间的交叉污染。
7、本发明采用了一种微混合腔，使液体可充分快速的混合。
8、本发明采用可插拔的丝网印刷电极，易于更换，方便检测。
9、本发明使用了双压电晶片，通过不断振动使液体能够均匀铺满工作电极表面，提高检测的灵敏度。
10、本发明使用电子制冷片，通过MCU自动改变电子制冷片电源的正反接方向，切换反应所需要的的制冷制热的温度，及时为反应提供适宜的温度。
11、本发明操作基本是自动化的，解放多余人力、物力。
附图说明
图1是本发明所述的基于微流控芯片的食物中沙门氏菌浓度检测装置的整体结构拆分示意图；
图2是图1中微流控管道区1的外部结构放大图；
图3是图2中储液室放大的结构分解图；
图4是图1中微流控管道区1内部结构剖面放大图；
图5是图4中电润湿阀门的结构放大图；
图6是图4中微混合腔的结构放大图；
图7是图1中丝网印刷电极层2的结构俯视图；
图8是图7中丝网印刷电极层2的轴侧图；
图9是图1中电子制冷片层3的结构俯视图；
图10是图1中双压电晶片层4的结构俯视图；
图11是本发明沙门氏菌检测装置的的检测流程图。
附图中各部件的序号和名称：
1.微流控管道区；2.丝网印刷电极层；3.电子制冷片层；4.双压电晶片层；5.PCB电路板层；10.第一层玻璃基板；11.进样口；12.碳酸储液室；13.乙醇储液室；14.纳米金颗粒溶液储液室；15.脂多糖抗体溶液室；16.BSA溶液储液室；17.PBS缓冲液储液室；18.试剂瓶盖；19.试剂瓶腔；20.第一平行板电容器；21.第二平行板电容器；22.第三平行板电容器；23.第四平行板电容器；24.第五平行板电容器；25.第六平行板电容器；30.第一电润湿阀门；31.第二电润湿阀门；32.第三电润湿阀门；33.第四电润湿阀门；34.第五电润湿阀门；35.第六电润湿阀门；36.第七电润湿阀门；37.第八电润湿阀门；38.第九电润湿阀门；27.第一微混合腔；28.第二微混合腔；40.第一通孔；41.第二通孔；42.第三通孔；43.第四通孔；44.第五通孔；301.亲水电极；302.疏水电极；271.细化微通道；272.五边形腔室；273.矩形挡板；51.丝网印刷电极；52.参比电极；53.工作电极；54.对电极；55.吸水垫；56.一圈硬质塑料件；61.电子制冷片；62.电子制冷片导线；71.双压电晶片；72.双压电晶片导线。
具体实施方式
参见图1，图1为本发明一种基于微流控芯片的沙门氏菌检测从上至下共分为五层结构，第一层为微流控管道区1，位于最上方，第二层是可插拔的丝网印刷电极层2，在微流控管道区1下方，第二层的下方依次是第三层的电子制冷片层3、第四层的双压电晶片层4以及第五层的PCB电路板层5，相邻层之间通过低温阳极键合的方式封接成一个整体。
参见图2所示的微流控管道区1，底部是一个长方体的第一层玻璃基板10，在第一层玻璃基板10上分别设有进样口11、碳酸储液室12、乙醇储液室13、纳米金颗粒溶液储液室14、脂多糖抗体溶液室15、BSA溶液储液室16和PBS缓冲液储液室17。进样口11在第一层玻璃基板10的左上角，其深度略低于第一层玻璃基板10的上表面。在进样口11的右前方是碳酸储液室12，其内装有0.1％浓度的碳酸，用于除去沙门氏菌表面的鞭毛抗原H抗原。在碳酸储液室12的右侧是乙醇储液室13，其内装有液态乙醇，用于处理沙门氏菌表面的Vi抗原，使其露出沙门氏菌的O抗原，便于发生反应。在进样口11的右后方是纳米金颗粒溶液储液室14，其内装有纳米金颗粒溶液，用于修饰电极表面，在纳米金颗粒溶液储液室14的左后方是脂多糖抗体溶液室15，其内装有O抗体溶液，与O抗原发生抗原抗体反应。在脂多糖抗体溶液室15的左后方是装有BSA溶液的BSA溶液储液室16，其作用是封闭修饰电极表面未固定抗体的空白位点，减少修饰电极表面的非特异性吸附。在BSA溶液储液室16的右后方是装有PBS缓冲液的PBS缓冲液储液室17，内装有PBS缓冲液，其作用是清洗电极表面残余液体，使它不影响电极的修饰过程。六个储液室均高于凸出第一层玻璃基板10的上表面，它们的顶面都在同一高度，底部均向下伸入在第一层玻璃基板10内，且六个储液室的内径和进样口11的内径相等。
结合图3，六个储液室都为相同的试剂瓶结构，由试剂瓶腔19和试剂瓶盖18组成，以碳酸储液室12为例，其顶部是可拿开的试剂瓶盖18，当加试剂时，将试剂瓶盖18向上揭开，加完后，用力向下按压，使其盖紧。试剂瓶盖18的下方是试剂瓶腔19，其材料为硬质塑料。
结合图4，进样口11通过管道依次串联第一微混合腔27、第二微混合腔28以及第一通孔40，形成沙门氏菌样液流经的第一路通道。在进样口11和第一微混合腔27之间的管道上连接第三电润湿阀门32，此阀门的作用是控制液体的流通与截止。在第三电润湿阀门32和第一微混合腔27之间通过管道并联碳酸储液室12，形成第一并联支路，第一并联支路的管道上安装第一平行板电容器20和第一电润湿阀门30，第一平行板电容器20安装在碳酸储液室12和第一电润湿阀门30之间。
在第一微混合腔27和第二微混合腔28之间的管道上连接有第四电润湿阀门33。在第四电润湿阀门33和第二微混合腔28之间通过管道并联乙醇储液室13，形成第二并联支路，第二并联支路的管道上安装第二平行板电容器21和第二电润湿阀门31，第二平行板电容器21安装在乙醇储液室13和第二电润湿阀门31之间。在第二微混合腔28和第一通孔40之间的管道上连接有第五电润湿阀门34。
在进样口11和第一通孔40形成的第一路通道的后方是由纳米金颗粒溶液储液室14和第二通孔41连接成的第二路通道，第二路通道上装的第六电润湿阀门35和第三平行板电容器22。在纳米金颗粒溶液储液室14和第二通孔41之间的管道上连接有第六电润湿阀门35，在纳米金颗粒溶液储液室14和第六电润湿阀门35之间的管道上连接有第三平行板电容器22。
在由纳米金颗粒溶液储液室14和第二通孔41连接成的第二路通道的后方是由脂多糖抗体溶液室15和第三通孔42连接成的第三路通道，第三路通道上装有第七电润湿阀门36和第四平行板电容器23。在脂多糖抗体溶液室15和第三通孔42之间的管道上连接有第七电润湿阀门36，在脂多糖抗体溶液室15和第七电润湿阀门36之间的管道上连接有第四平行板电容器23。
在由脂多糖抗体溶液室15和第三通孔42连接成的第三路通道的后方是由BSA溶液储液室16和第四通孔43连接成的第四路通道，第四路通道上装有第八电润湿阀门37和第五平行板电容器24。在BSA溶液储液室16和第四通孔43之间的管道上连接有第八电润湿阀门37。在BSA溶液储液室16和第八电润湿阀门37之间的管道上连接有第五平行板电容器24。
在BSA溶液储液室16和第四通孔43连接成的第四路通道的后方是由PBS缓冲液储液室17和第五通孔44连接成的第五路通道，第五路通道上装有第九电润湿阀门38和第六平行板电容器25。在PBS缓冲液储液室17和第五通孔44之间的管道神连接有第九电润湿阀门38，在PBS缓冲液储液室17和第九电润湿阀门38之间的管道上连接有第六平行板电容器25。
第一层玻璃基板10上的所有管道的水平宽度为200um，垂直深度为400um，管道的内表面涂有一层亲水材料，使试剂无需泵驱动，自行以0.7mm/s的速度沿着管道流动。
管道上连接的六个平行板电容器的结构完全相同，以第一平行板电容器20为例，它由两片金属薄片构成，分别嵌在碳酸储液室12和第一电润湿阀门30之间的前后管道内壁的两侧，均沿着液体流动的走向布置，两片金属薄片正对而放。平行板电容器的功能是用于检测储液室内是否有足够的液体进行下一次反应。根据平行板电容器的电容公式(ε是一个介质常数，S为电容极板的正对面积，d为电容极板的距离，k是静电力常量)，若有足够的液体，则电容的介质常数ε大，电容值大，若液体减少，则电容的介质常数ε变小，电容值变小，外部电路可通过检测电容值是否达到电容可允许的最小值来判断是否需要添加储液室中的试剂，从而可以及时提醒添加试剂，以防出现试剂不够影响检测结构的情况。
结合图5所示的电润湿阀门，图4中的每个电润湿阀门的结构相同，每个电润湿阀门都由亲水电极301和疏水电极302构成。以第一电润湿阀门30为例，在第一平行板电容器20和第一微混合腔27之间的管道上放置亲水电极301和疏水电极302，亲水电极301和疏水电极302垂直于管道壁，贴在管道的底部，液体从电极上流过，其中亲水电极301放置在更靠近液体来源的地方即靠近0.1％的碳酸储液室12，疏水电极302放置在更远离0.1％的碳酸储液室12的地方。电润湿阀门的功能是能够控制液体流通，在外部电路的时序控制下，可以使液体自动的在正确且合适的时间里流通与截止。
结合图6所示的微混合腔的结构，图4中所示的第一微混合腔27和第二微混合腔28的结构完全相同，以第一微混合腔27为例，其中间是一个五边形腔室272，在五边形腔室272设置矩形挡板273，矩形挡板273的四边与矩形挡板273内壁之间不接触，五边形腔室272的进口和出口分别通过一个细化微通道271连接管道，细化微通道271的通道截面积远小于管道截面积，是一个变细变窄的通道。从进样口11和碳酸储液室12流出的两种液体经管道共同流入细化微通道271，进入五边形腔室272，流过矩形挡板273，再通过细化微通道271，最终流出第一微混合腔27，再次进入管道。在此过程中，两种液体进行了较为充分的混合。其原理是利用对流效应，减缓液体流动的速度，给液体的混合提供了足够的时间。
参见图7所示的第二层的丝网印刷电极层2，其底部采用的是长方形的第二层硬质塑料基板，在其右侧设置长方形凹槽，放置经常更换的丝网印刷电极51，丝网印刷电极51伸出在硬质塑料基板外，长度长于凹槽的长度，方便丝网印刷电极51从长方形凹槽处插入和方便更换电极。丝网印刷电极51上表面低于硬质塑料基板上表面，避免其上表面与第一层的微流控管道区1发生摩擦，从而磨损电极表面。
参见图8所示的丝网印刷电极51，丝网印刷电极51上包括有工作电极53、参比电极52和对电极54。工作电极53的工作区域是中央圆形工作区域，也是丝网印刷电极层2、丝网印刷电极51的工作区域，其圆形区域位于第一层的微流控管道区1中的第一通孔40、第二通孔41、第三通孔42、第四通孔43、第五通孔44的正下面，以确保第一层上的五个通孔里流动的液体能滴落到工作电极53的圆形区域上。丝网印刷电极51的作用是将抗原抗体反应的产生的化学信号转变成电信号，便于检测。首先固定抗体，然后滴加抗原溶液，从而发生抗原抗体反应。外部电路通过测得发生反应前后的阻抗值的变化，计算出细菌的浓度值。每次检测完成后，及时更换丝网印刷电极51，实现了芯片的重复使用。
丝网印刷电极51嵌入硬质塑料基板的长方形凹槽时，有三个面和长方形凹槽接触，在这三个面的边缘固定一圈硬质塑料件56，其高度略低于丝网印刷电极层2上表面，避免与第一层的微流控管道区1发生摩擦。在一圈硬质塑料件56内紧贴着的是宽度为1mm的吸水垫55，为高吸水树脂，其高度略低于一圈硬质塑料件56的高度，其作用是若从微通道滴下的液体过多，溢出工作电极53表面时，吸水垫55可以吸收掉多余水分，而一圈硬质塑料件56将潮湿的吸水垫55与内部长方形凹槽隔绝，使长方形凹槽里保持干燥，起到防水防潮的作用。
参见图9所示的第三层的电子制冷片层3，其底部采用长方形的第三层硬质塑料基板，在基板上设置电子制冷片61，电子制冷片61嵌在基板上对应的凹槽中。电子制冷片61位于上方工作电极53的中央圆形工作区域的正下方，通过电子制冷片导线62连接PCB电路板层5外部电路。电子制冷片61为工作电极33表面的反应提供所需的温度。电子制冷片61采用PN结制冷结构，可以一面制冷，一面制热，且可通过改变电源正反向的接法，从而改变制冷制热的方向。
参见图10所示的第四层的双压电晶片层4，其底部采用长方形的第四层硬质塑料基板，基板上设置双压电晶片71，双压电晶片71位于其上的电子制冷片61的正下方。双压电晶片71嵌在基板上对应的凹槽中，通过双压电晶片导线72连接PCB电路板层5外部电路，双压电晶片71在电压的作用下，会产生机械振动，其作用是使滴加到工作电极33表面的液体在振动中能够均匀铺满在工作电极33表面，使反应误差更小，检测结果更为准确。
PCB电路板层5上集成了MCU、时序控制电路、电容测量电路和阻抗测量电路，MCU分别连接时序控制电路、电容测量电路和阻抗测量电路，每个电润湿阀门通过时序控制电路连接MCU，将每个平行板电容器通过电容测量电路连接MCU，将工作电极53通过阻抗测量电路连接MCU，将双压电晶片71和电子制冷片61也连接MCU，由电源给MCU供电。
如图1-10以及图11所示，本发明检测装置工作时，预先将MCU通过时序控制各个电润湿阀门的开通与关断，控制双压电晶片71和电子制冷片61的工作时间，控制电容测量电路和阻抗测量电路的运行。具体的检测步骤如下：
步骤一：进行丝网印刷电极51的修饰。
首先，将丝网印刷电极51插入第二层硬质塑料基板的凹槽处，MCU分别给六个平行板电容器通电，将检测得到电容值与设定值比较，若小于设定值，说明电容变小，则表明对应的储液室中的试剂的量不足以支持这一次的反应，则MCU发出警报，提醒及时给储液室添加试剂。若电容值正常，则关闭对六个平行板电容器的检测。接着，MCU给双压电晶片层4通电，使双压电晶片71一直保持振动，使试剂在滴入时能均匀的铺满在工作电极53表面。然后，MCU给电子制冷片61通电，使电子制冷片61朝上的一侧制冷，为纳米金溶液修饰在工作电极53表面时提供4度的反应温度，等待1min后，自动打开纳米金颗粒溶液储液室14处的第六电润湿阀门35，通电10s，使8uL的纳米金颗粒溶液流入管道，到达第二通孔41，滴入到丝网印刷电极51的工作电极53的中央圆形工作区域表面，液体在双压电晶片71的振动下均匀铺满工作电极53圆形工作区域表面，在4度的温度下等待1h，使纳米金溶液自然晾干成膜。而纳米金材料比表面积大，表面自由能高，具有良好的生物相容性，可用于生物大分子的固定并且能增大固定分子的数量，从而实现信号的放大。采用纳米金溶液修饰电极，能够使脂多糖抗体更好的且更多的固定在电极表面，以保证抗体与抗原结合的精确性。再然后，MCU控制使电子制冷片层3的电源反接，使电子制冷片61朝上的一侧制热，提前为脂多糖抗体溶液修饰在电极表面提供适宜的温度。接着，打开PBS缓冲液储液室17处的第九电润湿阀门38，通电10s，使8uL的PBS缓冲液流入管道，到达第五通孔44，让PBS缓冲液冲洗工作电极53表面，洗去工作电极53表面多余的纳米金颗粒溶液。1min后，MCU打开脂多糖抗体溶液室15处的第七电润湿阀门36，通电10s，使8uL的脂多糖抗体溶液流入到管道，到达第三通孔42，滴加到工作电极53的表面，让脂多糖抗体溶液在37度的温度下孵育2h，脂多糖抗体便成功地被吸附在纳米金溶液所修饰的电极上面，抗体便被固定下来。然后MCU，打开PBS缓冲液储液室17处的第九电润湿阀门38，通电10s，使8uL的PBS缓冲液流入管道，到达第五通孔44，让PBS缓冲液冲洗工作电极53表面，除去电极表面未被吸附的游离抗体。1min后，MCU打开BSA溶液储液室16处的第八电润湿阀门37，通电10s，使8uL的BSA溶液流入到管道，到达第四通孔43，滴加到工作电极53的表面，让BSA溶液在37度的温度下孵育2h，封闭工作电极53圆形工作区域表面的空白位点，减少工作电极53圆形工作区域表面上的非特异性吸附。然后，MCU打开PBS缓冲液储液室17处的第九电润湿阀门38，通电10s，使8uL的PBS缓冲液流入管道，到达第五通孔44，让PBS缓冲液再次冲洗工作电极53表面除去电极表面未结合的BSA溶液，电极修饰工作完成。关闭双压电晶片层4的电源，双压电晶片71停止工作，关闭电子制冷片层3的电源，电子制冷片61停止工作，MCU给外部阻抗测量电路供电，测出此时工作电极53表面的阻抗值，为第一次阻抗值，保存到MCU中。
步骤二：人工旋开进样口11的试剂瓶盖18，将沙门氏菌样液滴入到进样口11，盖上试剂瓶盖18，开始检测。首先，MCU给双压电晶片层4通电，使双压电晶片71一直保持振动，以使抗原溶液均匀铺满在工作电极53的圆形工作区域的表面。然后MCU控制使电子制冷片层3的电源反接，使电子制冷片61朝上的一侧制热，提前为抗原抗体反应提供适宜的温度。然后MCU打开第一路通道上的第三电润湿阀门32，使进样口11出口通道打开，同时打开第一并联支路上的第一电润湿阀门30，使碳酸储液室12出口通道打开，通电10s，使样液与0.1％的碳酸几乎同时到达第一微混合腔27，两种液体通过第一微混合腔27进行充分混合。0.1％的碳酸能够分解位于沙门氏菌表面的Vi抗原，而Vi抗原会阻止沙门氏菌内部的O抗原与脂多糖抗体进行反应，所以使用碳酸破坏掉Vi抗原。等待20s后充分混合，打开第一路通道上的第四电润湿阀门33和第二并联支路上的第二电润湿阀门31，乙醇储液室13出口通道打开，两种液体几乎同时到达第二微混合腔28，两种液体进行充分混合。混合的目的是让乙醇破坏覆盖在O抗原表面的鞭毛抗原H抗原，H抗原与Vi抗原一样都会阻止O抗原与相应的抗体发生反应，所以使用乙醇破坏H抗原，从而露出沙门氏菌内部的O抗原，便于发生抗原抗体反应。混合20s后，打开第一路通道上的第五电润湿阀门34，通电30s，液体流入管道，到达第一通孔40，滴入到下方的丝网印刷电极51的工作电极53的圆形工作区域表面。被剥离Vi抗原和H抗原从而露出O抗原的沙门氏菌与固定在工作电极53圆形工作区域表面的脂多糖抗体发生抗原抗体反应，在37度的环境下反应1h，而发生抗原抗体反应会使得电极表面的阻抗值发生变化。然后MCU控制外部阻抗测量电路，测出此时工作电极53圆形工作区域表面的第二次阻抗值，保存到MCU中。关闭双压电晶片层4即双压电晶片71的电源，关闭电子制冷片层3即电子制冷片61的的电源。
步骤三：人工将适量清水注入到进样口11，依次打开第三电润湿阀门32、第四电润湿阀门33和第五电润湿阀门34，冲洗第一路通道残留下来的样液，使之不影响下次检测的精度。先打开第三电润湿阀门32，清水流过，通电20s后断开，等待2min后，打开第四电润湿阀门33，清水流过，通电20s后断开。再等待2min后，打开第五电润湿阀门34，清水流过，通电20s后断开，清水流入第一通孔40，滴入到工作电极53的表面。进样通道清洗过程结束。之后再重复步骤二，进行下次检测。
步骤四：人工将MCU与电脑相连，将两次测得的阻抗值传送给电脑。电脑根据之预先存入其中的阻抗—沙门氏菌浓度的关系图，得出反应后检测的阻抗值和沙门氏菌的浓度在一定范围内成线性关系，其与实际的沙门氏菌浓度相比，相对偏差较小。将次阻抗值与阻抗—沙门氏菌浓度关系图进行比较，模拟出沙门氏菌的浓度值。
Claims (8)
1.一种基于微流控芯片的食物中沙门氏菌浓度检测装置，从上至下是微流控管道区(1)、丝网印刷电极层(2)、电子制冷片层(3)、双压电晶片层(4)和PCB电路板层(5)，其特征是：微流控管道区(1)底部是长方体的第一层玻璃基板(10)，第一层玻璃基板(10)上分别设有进样口(11)、装有0.1％浓度碳酸的碳酸储液室(12)、装有液态乙醇的乙醇储液室(13)、装有纳米金颗粒溶液的纳米金颗粒溶液储液室(14)、装有O抗体溶液的脂多糖抗体溶液室(15)、装有BSA溶液的BSA溶液储液室(16)和装有PBS缓冲液的PBS缓冲液储液室(17)，进样口(11)通过管道依次串联第一微混合腔(27)、第二微混合腔(28)以及第一通孔(40)，形成第一路通道，进样口(11)和第一微混合腔(27)之间的管道上连接第三电润湿阀门(32)，第三电润湿阀门(32)和第一微混合腔(27)之间通过管道并联碳酸储液室(12)，形成第一并联支路，第一并联支路的管道上装有第一平行板电容器(20)和第一电润湿阀门(30)；第一微混合腔(27)和第二微混合腔(28)之间的管道上连接第四电润湿阀门(33)，第四电润湿阀门(33)和第二微混合腔(28)之间通过管道并联乙醇储液室(13)，形成第二并联支路，第二并联支路的管道上装有第二平行板电容器(21)和第二电润湿阀门(31)，第二微混合腔(28)和第一通孔(40)之间的管道上连接有第五电润湿阀门(34)；由纳米金颗粒溶液储液室(14)和第二通孔(41)连接成第二路通道，第二路通道上装有第六电润湿阀门(35)和第三平行板电容器(22)；由脂多糖抗体溶液室(15)和第三通孔(42)连接成第三路通道，第三路通道上装有第七电润湿阀门(36)和第四平行板电容器(23)；由BSA溶液储液室(16)和第四通孔(43)连接成第四路通道，第四路通道上装有第八电润湿阀门(37)和第五平行板电容器(24)；由PBS缓冲液储液室(17)和第五通孔(44)连接成第五路通道，第五路通道上装有第九电润湿阀门(38)和第六平行板电容器(25)；所述的丝网印刷电极层(2)底部是长方形的第二层硬质塑料基板，丝网印刷电极(51)嵌在第二层硬质塑料基板上设置的长方形凹槽中，丝网印刷电极(51)包括有工作电极(53)、参比电极(52)和对电极(54)，工作电极(53)的中央是工作区域，第一、第二、第三、第四、第五通孔(40、41、42、43、44)的正下方是工作电极(53)的工作区域；
电子制冷片层(3)的底部是长方形的第三层硬质塑料基板，电子制冷片(61)嵌在第三层硬质塑料基板上的凹槽中，电子制冷片(61)位于工作电极(53)的工作区域的正下方，通过电子制冷片导线(62)连接PCB电路板层(5)；
双压电晶片层(4)的底部是长方形的第四层硬质塑料基板，第四层硬质塑料基板上设置双压电晶片(71)，双压电晶片(71)位于电子制冷片(61)的正下方，通过双压电晶片导线(72)连接PCB电路板层(5)。
2.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的食物中沙门氏菌浓度检测装置，其特征是：所述的第一、第二微混合腔(27、28)的中间是一个五边形腔室(272)，五边形腔室(272)设置矩形挡板(273)，矩形挡板(273)的四边与矩形挡板(273)内壁之间不接触，五边形腔室272的进口和出口分别通过一个细化微通道(271)连接管道，细化微通道(271)的截面积小于管道截面积。
3.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的食物中沙门氏菌浓度检测装置，其特征是：六个所述的储液室均高出第一层玻璃基板(10)的上表面，顶面都在同一高度，底部均向下伸入在第一层玻璃基板(10)内，六个所述的储液室的内径和进样口(11)的内径相等。
4.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的食物中沙门氏菌浓度检测装置，其特征是：第一层玻璃基板(10)上的所有管道内表面涂有一层亲水材料。
5.根据权利要求1所述的基于微流控芯片的食物中沙门氏菌浓度检测装置，其特征是：六个所述的平行板电容器均由两片金属薄片构成，分别嵌在管道内壁的两侧，两片金属薄片正对而放，均沿着液体流动的走向布置。
6.一种如权利要求1所述的基于微流控芯片的食物中沙门氏菌浓度检测装置的检测方法，其特征是包括以下步骤：
步骤1)：给双压电晶片层(4)通电，使其保持振动，使电子制冷片层(3)朝上的一侧制冷，打开第六电润湿阀门(35)，纳米金颗粒溶液到达第二通孔(41)，滴入到丝网印刷电极层(2)的工作区域；再使电子制冷片层(3)朝上的一侧制热，打开第九电润湿阀门(38)，PBS缓冲液流入第五通孔(44)，冲洗工作电极(53)表面；打开第七电润湿阀门(36)，脂多糖抗体溶液流入到第三通孔(42)，滴加到工作电极(53)的表面；打开第九电润湿阀门(38)，PBS缓冲液流入第五通孔(44)，冲洗工作电极(53)表面；打开第八电润湿阀门(37)，BSA溶液流入到第四通孔(43)，滴加到工作电极(53)的表面；打开第九电润湿阀门(38)，PBS缓冲液流入第五通孔(44)，完成电极修饰，测出此时工作电极(53)表面的第一次阻抗值；关闭双压电晶片层(4)和关闭电子制冷片层(3)的电源；
步骤2)：将沙门氏菌样液滴入到进样口(11)，再使双压电晶片层(4)保持振动并使电子制冷片层(3)朝上的一侧制热，打开第三电润湿阀门(32)和第一电润湿阀门(30)，样液与碳酸到达第一微混合腔(27)混合；打开第四电润湿阀门(33)和第二电润湿阀门(31)，两种液体到达第二微混合腔(28)混合；打开第五电润湿阀门(34)，液体到达第一通孔(40)，滴入到下方的工作电极(53)的工作区域表面；测出此时工作电极(53)表面的第二次阻抗值；
步骤3)：将第一次阻抗值和第二次阻抗值与阻抗—沙门氏菌浓度的关系图作比较，模拟得到沙门氏菌的浓度值。
7.根据权利要求6所述的基于微流控芯片的食物中沙门氏菌浓度检测装置的检测方法，其特征是：步骤2)中，在测出第二次阻抗值后，将清水注入到进样口(11)，依次打开第三电润湿阀门(32)、第四电润湿阀门(33)和第五电润湿阀门(34)，冲洗第一路通道残留下来的样液。
8.根据权利要求6所述的基于微流控芯片的食物中沙门氏菌浓度检测装置的检测方法，其特征是：步骤1)之前，给六个所述的平行板电容器通电，将检测得到电容值与设定值比较，若小于设定值，则给相应的储液室中添加试剂量。
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