CN113466172B - 一种基于谐振波导的植物器官全集成芯片系统与检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开生物传感及微纳加工领域中的一种基于谐振波导的植物器官全集成芯片系统与检测方法，三个细胞暂培及检测腔、缓冲腔通过主通道依次连接，每个细胞暂培及检测中心腔室的底部布置一个微环光波导，每个微环光波导下方各布置一个光波导，三个光波导通过光纤软管分别连接近红外光源激发装置和红外光谱分析仪，将根、茎、叶细胞分别注入对应的三个细胞暂培及检测腔中，细胞培养液依次流经三个细胞暂培及检测腔，得到植物细胞吸收的无机盐离子浓度，判别出无机盐离子的种类；本发明仿照双子叶植物叶片内叶脉细脉处结构设计的系统，将三个细胞培养腔的检测波导集成于一个近红外光源激发装置，保证检测过程的严谨性，便捷快速，精确度高。
Description
技术领域
本发明属于生物传感及微纳加工领域，具体是用于定性检测植物各器官的基本状况的芯片系统与检测方法。
背景技术
植物的生长离不开水和无机盐，其中多种无机盐离子更是为植物的茁壮成长提供了必要的支持，而植物的三大器官——根、茎、叶，主要与植物营养物质的吸收、合成、运输、贮藏等有关。传统的检测植物营养物质的方法主要是化学测定法，操作繁琐，不够环保；例如中国专利申请号为201010191832.8，名称为“植物营养成分含量的快速提取检测法”，其自动化程度低，操作繁琐，难以及时获得检测结果。
生物传感器是以生物活性单元作为生物敏感基元，对被测物具有高度选择性的探测器。微流控芯片集成度高，自动化程度高，试剂用量极少。近年来，随着光子集成技术及微流控芯片技术的不断发展，基于光波导微环谐振腔的生物传感器由于兼具检测速度快、灵敏度高、实时性好、无需标记、不受环境和工频干扰等优点被越来越多地采用。
发明内容
本发明的目的是利用近红外光谱分析技术，并基于光波导微环谐振腔，且复合微流控技术，提供一种微型化、集成度高、自动化、成本低、快速检测、灵敏度高的植物器官全集成芯片系统，以及该系统的检测方法，检测植物营养物质及判断植物器官基本状况，定性及定量地检测出植物各器官吸收常见无机盐离子的浓度。
本发明一种基于谐振波导的植物器官全集成芯片系统采用的技术方案是：具有一个微流控芯片，微流控芯片左侧设有注液口，右侧设有排液口，注液口下方连通缓冲及过滤腔，排液口下方连通缓冲腔，缓冲及过滤腔、三个细胞暂培及检测腔、缓冲腔通过主通道依次连接，微流控芯片的前后两侧旁外部分别设置的是近红外光谱分析仪和近红外光源激发装置，每个细胞暂培及检测腔的正中间是细胞暂培及检测中心腔室，细胞暂培及检测中心腔室的正上方连接样本细胞注入口，每个细胞暂培及检测中心腔室的底部布置一个微环光波导，每个微环光波导下方各布置一个光波导，三个光波导通过光纤软管分别连接近红外光源激发装置和红外光谱分析仪，三个细胞暂培及检测腔从左至右的第一细胞暂培及检测腔为根细胞暂培及检测腔，第二细胞暂培及检测腔为茎细胞暂培及检测腔，第三细胞暂培及检测腔为叶细胞的暂培及检测腔。
进一步地，每个细胞暂培及检测腔由内而外是依次连通的细胞暂培及检测中心腔室、二级子通道、环形通道和一级子通道，样本细胞注入口底部外围沿圆周方向均匀布置多个相同的第一类型实心微柱，每两个第一类型实心微柱之间形成一个二级子通道，所有的二级子通道均沿径向布置，样本细胞注入口和第一类型实心微柱之间形成细胞暂培及检测中心腔室，第一类型实心微柱和细胞暂培及检测腔侧壁之间形成环形通道，在主通道与细胞暂培及检测腔相连接处，多个第二类型实心微柱沿一段圆弧方向有间隔地布置形成一级子通道。
所述的全集成芯片系统检测植物器官的方法采用的技术方案是包括以下步骤：
步骤1)：将根、茎、叶细胞分别注入对应的三个细胞暂培及检测腔中，将配置好的细胞培养液注入注液口中，细胞培养液依次流经三个细胞暂培及检测腔，；
步骤2)：待三个细胞暂培及检测腔内的植物细胞培养充分后，开启近红外光源激发装置和近红外光谱仪，近红外光在光波导中传播，部分波长的光进入微环光波导内发生谐振；步骤3)：计算出培养液中的剩余各无机盐离子浓度，从而得到植物细胞吸收的无机盐离子浓度，根据近红外光谱上的谱线峰位的不同，与各无机盐离子的标准谱线峰位的分布作对比，判别出无机盐离子的种类。
本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点：
1.本发明仿照双子叶植物叶片内叶脉细脉处结构设计的植物器官(根、茎、叶细胞)全集成培养及检测的微流控芯片系统，将三个细胞培养腔的检测波导集成于一个近红外光源激发装置，保证检测过程的严谨性；结合了近红外光谱的分析技术，直接用于微型芯片的检测，便捷快速，精确度高。
2.本发明中的谐振波导的结构，U型波导与微环波导采用垂直耦合的方式，减小波导的传输损耗，利用光线在其中充分耦合，提高检测结果的精确度。
3.本发明中可优选1500nm、1550nm、1580nm中的一个近红外波长作为微环光波导的谐振波长，有利于检测和记录数据。
4.本发明根据根、茎、叶细胞对生长环境的不同需求，为根细胞暂培养及检测腔的上下部分加上了方形黑色遮光贴片及遮光推片，为茎、叶细胞设计了滤膜推片，透光性与透气性好，保证茎、叶对于光照和空气的需求。
5.本发明采用微孔径滤膜，包含里孔径300μm，0.2μm两种，前者为过滤较大杂质，后者为细胞培养创造无菌环境(0.2μm孔径的滤膜可达到完全除菌的效果)。
6.本发明的微孔径滤膜的网孔形状，表里孔径不一，表孔径大，里孔径小，待过滤液体从里孔径一侧流入，而较大的表孔径可增加流通量和过滤时的流速。
7.微流控芯片的上下夹板和波导的材质可选用PMMA，芯片基底和盖片的材质可选用PDMS，较大程度上降低了芯片系统的制作成本。
8.遮光推片、滤膜推片的螺纹杆只有两个螺纹卡槽，类似按动笔的按动装置，增强芯片系统操作的便捷化和自动化。
9.本发明的芯片系统，体积微型，集成度高，便于与多种检测设备进行结合研究与检测。
10.本发明的检测是自动化的，所需的试剂用量极少，检测快速，解放了人力、物力，环保度高。
附图说明
图1是本发明一种基于谐振波导的植物器官全集成芯片系统的结构图；
图2是图1左视图；
图3是图1中单个细胞培养及检测腔的结构和连接放大图；
图4是图3沿左右中轴线的半剖立体结构示意图；
图5是图3中微环光波导与光波导9的结构放大示意图；
图6是图5沿左右中轴线的半剖立体结构示意图；
图7是图1中遮光推片的结构放大示意图；
图8是图1中第一滤膜推片或第二滤膜推片的结构放大示意图。
附图中各部件的序号和名称：
1.微流控芯片；2.缓冲及过滤腔；3.注液口；4.300μm小孔径微型滤膜；5.缓冲腔；6.排液口；7.近红外光谱分析仪；8.近红外光源激发装置；9.第一光波导；10.第二光波导；11.第三光波导；12.第一光纤软管；13.第二光纤软管；14.第三光纤软管；15.第四光纤软管；16.第五光纤软管；17.第六光纤软管；18.第一细胞暂培及检测腔；19.第二细胞暂培及检测腔；20.第三细胞暂培及检测腔；21.遮光推片；22.第一滤膜推片；23.第二滤膜推片；24.方形黑色贴片；
111.基底；112.中间层；113.盖片；181.主通道；182.一级子通道；183.二级子通道；184.第一类型实心微柱；185.0.2μm小孔径微型滤膜；186.样本细胞注入口；187.细胞暂培及检测中心腔室；188.第二类型实心微柱；189.环形通道；
211.第一推帽；212.第一螺纹杆；213.第一推片；231.第二推帽；232.第二螺纹杆；233.第二推片；
1810.微环光波导。
具体实施方式
参见图1，本发明一种基于谐振波导的植物器官全集成芯片系统具有一个微流控芯片1，所有的流体微通道及光波导都布置在微流控芯片1中。
微流控芯片1的左侧上设置圆柱形的注液口3，右侧上设置圆柱形的排液口6，注液口3和排液口6均与外界相通。注液口3的下方连通的是圆形的缓冲及过滤腔2，在缓冲及过滤腔2中安放了300μm小孔径微型滤膜4。排液口6的下方连通的是圆形的缓冲腔5。
在微流控芯片1的前后两侧旁外部分别设置的是近红外光谱分析仪7和近红外光源激发装置8这两个外接设备，微流控芯片1在近红外光谱分析仪7和近红外光源激发装置8之间。
微流控芯片1中的液体从注液口3向排液口6流动，注液口3与排液口6中心之间的连线在微流控芯片1的左右水平中轴线上，沿着微流控芯片1的左右水平中轴线，从左至右依次布置有第一细胞暂培及检测腔18、第二细胞暂培及检测腔19和第三细胞暂培及检测腔20，第一细胞暂培及检测腔18为根细胞暂培及检测腔，第二细胞暂培及检测腔19为茎细胞暂培及检测腔，第三细胞暂培及检测腔20为叶细胞的暂培及检测腔，这样的布置顺序符合真实植物器官运输养分的先后次序。
在微流控芯片1中，第一细胞暂培及检测腔18、第二细胞暂培及检测腔19和第三细胞暂培及检测腔20下方各自分别一一对应地布置有第一光波导9、第二光波导10和第三光波导11。三个光波导通过相应的光纤软管分别连接近红外光源激发装置8和红外光谱分析仪7，光路的传输方向为由近红外光源激发装置8通过相应的光纤软管向近红外光谱分析仪7传输。其中，第一光波导9、第二光波导10和第三光波导11各自分别通过一个第一光纤软管12、第二光纤软管13、第三光纤软管14与近红外光谱分析仪7相连，第一光波导9、第二光波导10和第三光波导11各自分别通过一个第四光纤软管15、第五光纤软管16、第六光纤软管17与近红外光源激发装置8相连。
参见图1和图2，微流控芯片1的上下厚度约1厘米，从上至下共分为三层，分别是盖片113、中间层112和基底111。基底111的厚度约3毫米，中间层112的厚度约5毫米，盖片113的厚度约2毫米。第一光波导9、第二光波导10和第三光波导11嵌在基底111内。中间层112内部按设计进行镂空，分别布置了缓冲及过滤腔2、300μm小孔径微型滤膜4、缓冲腔5、第一细胞暂培及检测腔18、第二细胞暂培及检测腔19、第三细胞暂培及检测腔20。盖片113内嵌有遮光推片21、第一滤膜推片22、第二滤膜推片23、方形黑色贴片24。注液口3、排液口6从上到下贯穿盖片113后直至和中间层112相连通。
参见图1、图3和图4，第一细胞暂培及检测腔18、第二细胞暂培及检测腔19和第三细胞暂培及检测腔20的结构完全相同，以第一细胞暂培及检测腔18为例，参见图3。每个细胞暂培及检测腔都是轴对称结构，缓冲及过滤腔2、三个细胞暂培及检测腔以及缓冲腔5通过主通道181依次连接。第一细胞暂培及检测腔18通过主通道181与左侧的缓冲及过滤腔2连接，通过主通道181与右侧的第二细胞暂培及检测腔19连接，同样，第二细胞暂培及检测腔19通过主通道181与右侧的第三细胞暂培及检测腔20连接，第三细胞暂培及检测腔20通过主通道181与缓冲腔5连接。
每个细胞暂培及检测腔都是圆环形结构，正中间是细胞暂培及检测中心腔室187，由内而外是依次连通的细胞暂培及检测中心腔室187、二级子通道183、环形通道189、一级子通道182。细胞暂培及检测中心腔室187的正上方是样本细胞注入口186，样本细胞注入口186从上到下贯穿盖片113后和细胞暂培及检测中心腔室187相连通。
样本细胞注入口186底部的外围绕其一周布置有多个相同的第一类型实心微柱184，本发明优选6个相同的第一类型实心微柱184，多个相同的第一类型实心微柱184沿圆周方向均匀布置，并且相互之间留有距离，每两个第一类型实心微柱184之间形成了一个二级子通道183，所有的二级子通道183均沿径向布置，二级子通道183起分流缓冲的作用。在样本细胞注入口186和第一类型实心微柱184之间形成细胞暂培及检测中心腔室187。第一类型实心微柱184和细胞暂培及检测腔侧壁之间形成环形通道189，在环形通道189中置放圆环形的0.2μm小孔径微型滤膜185，0.2μm小孔径微型滤膜185与第一类型实心微柱184不接触。
在主通道181与细胞暂培及检测腔相连接处设置一级子通道182，细胞暂培及检测腔的左右两侧的相连接处均设置多个一级子通道182，并且左右对称，由多个二类型实心微柱188沿一段圆弧方向有间隔地布置形成。本发明优选一级子通道182有四个，是由三个第二类型实心微柱188沿一段圆弧方向有间隔地布置形成的通道，三个第二类型实心微柱188的内壁都在同一个圆弧面上，所有的一级子通道182都与环形通道189相连通，起分流缓冲的作用。
当液体从注液口3注入时，从左往右流经左侧的主通道181、左侧的一级子通道182、环形通道189左侧、0.2μm小孔径微型滤膜185左侧、左侧二级子通道183，至中心的细胞暂培及检测中心腔室187中，再至右侧二级子通道183、环形通道189右侧、0.2μm小孔径微型滤膜185右侧、右侧的一级子通道182、右侧的主通道181后流入下一个细胞暂培及检测腔中。其中，主通道181与各级子通道之间具有等级分岔特征，通道之间的水力直径满足Murray定律，即下一级分岔通道(一级子通道182或二级子通道183)的水力直径的三次方之和等于上一级分岔通道的水力直径的三次方。
细胞暂培及检测中心腔室187的水平截面为正六边形，即6个第一类型实心微柱184的内壁围成正六边形，6个二级子通道183在正六边形的6个顶角处，有助于使培养液形成间隙流动，在保证充分换液的前提下，降低细胞培养及检测腔内的流速与剪切力，减小外部扰动对细胞所处微环境的影响，营造一个均一、稳定的流体微环境，更适合细胞的生长与繁殖。
细胞的培养除了需要均一稳定的流体微环境，也需要无菌条件，为此设计了0.2μm小孔径微型滤膜185，该滤膜可达到完全除菌的效果。另外，为了避免在培养液灌注的过程中，将一些较大的杂质带入通道，使通道堵塞或者造成左右支路阻力不一，进而导致各细胞培养及检测腔内流体微环境不一致，本发明在注液口的缓冲及过滤腔2中安有300μm小孔径微型滤膜4，300μm小孔径微型滤膜4和0.2μm小孔径微型滤膜185两种微型滤膜皆为圆环形，两者除滤膜孔径尺寸不同外，形状相同。两者滤膜孔径在径向的内侧为大孔径，在径向的外侧为小孔径，即外侧孔径分别是300μm和0.2μm小孔径，小孔径过渡到大孔径之间的厚度约为100μm。
缓冲及过滤腔2、300μm小孔径微型滤膜4、缓冲腔5、第一细胞暂培及检测腔18、第二细胞暂培及检测腔19、第三细胞暂培及检测腔20及第一类型实心微柱184、第二类型实心微柱188、主通道181、一级子通道182、二级子通道183以及0.2μm小孔径微型滤膜4，它们的高度都与中间层112同高，上下底面与中间层112的上下底面同齐。
参见图3、图4和图5，在每个细胞暂培及检测中心腔室187的底部布置一个微环光波导1810，微环光波导1810外径小于样本细胞注入口186内径。微环光波导1810在中间层112上，高度为中间层112高度的千分之一，仅有微米级别，半径也是微米级别，其下底面与中间层112的下底面平齐。微环光波导1810与样本细胞注入口186同轴心，横截面是圆环形，垂直截面是圆形。
第一光波导9、第二光波导10、第三光波导11都是直波导，布置在微流控芯片1的基底111中，每根光波导在相应地一个微环光波导1810的下方，每根光波导的水平截面呈U型结构，U型开口朝左或右都可。现以第一细胞暂培及检测腔18为例描述第一光波导9与对应的一个微环光波导1810的相对位置关系，其余细胞暂培及检测腔中的光波导空间位置分布与此相同。第一光波导9位于微环光波导1810的下方，内嵌于基底111中，高度也仅有微米级别，其上下底面与基底111的上下底面不接触，其上底面与基底111上底面之间有微米级别的小间隙，其下底面与基底111下底面则有毫米级别的间隙。其中，对应的微环光波导1810与第一光波导9的U型结构部分的光耦合方式采用垂直耦合的方式，当满足条件2πrneff＝mλc(m＝0，1，2......)的波长为λc的光，进入微环光波导1810内发生谐振，相当于滤去了以λc为波长的光(其中，r为微环光波导1810半径，neff为微环光波导1810有效折射率，λc则为谐振波长)，其他波长的光将继续沿第一光波导9向近红外光谱分析仪7的方向传播。微环光波导1810设计成环形，与第一光波导9的U型结构部分相结合，能够使光在其中充分发生谐振且减小光在波导中的传输损耗，使得测量数据更精确。另外，微环光波导1810和光波导都为实心波导，材质为PMMA，波导宽度视具体应用的不同而不同，一般在300nm～1μm。
红外光谱分析仪7的近红外光波长范围按ASTM(美国试验和材料检测协会)定义为780nm2526nm，可优选1500nm、1550nm、1580nm中的一个作为微环光波导1810的谐振波长，有利于检测和记录数据。
参见图1和图7，在第一细胞暂培及检测腔18的正上方设有遮光推片21，遮光推片21在盖片113中。遮光推片21由第一推帽211、第一螺纹杆212和第一推片213依次连接组成，沿前后方向水平连接在一起。其中，第一推片213水平截面为矩形，上下高度为盖片113高度的二分之一，且其上下底面与盖片113的上下底面之间各有0.5毫米的间隙。盖片113上设有与第一螺纹杆212相配合的螺纹孔，将第一螺纹杆212与微流控芯片1通过螺纹连接，当第一螺纹杆212旋转时带动第一推片213前后移动。第一推片213整体为黑色不透光的矩形薄片，以便在注入样本细胞后起到迅速遮光及隔离注入口空气的效果，避免细菌的进入。由于根细胞需要在黑暗条件下培养且仅需稀薄的空气，所以在第一细胞暂培及检测腔18的中心正上方的微流控芯片1的中间层112的上表面贴有一方形的黑色贴片24，黑色贴片24厚约0.5毫米，在第一细胞暂培及检测腔18的中心正下方的中间层112的下底面内也贴有一方形的黑色贴片24，厚约0.5毫米，且方形的黑色贴片24的边长与第一细胞暂培及检测腔18的环形通道189的外径相同，样本细胞注入口186贯通上方的方形黑色贴片24的中心。
参见图1和图8，由于茎、叶细胞的培养需要较充足的光照和空气，所以在第二细胞暂培及检测腔19的正上方设有第一滤膜推片22，在第三细胞暂培及检测腔20正上方设有第二滤膜推片23。第一滤膜推片22和第二滤膜推片23的结构完全相同，都是由第二推帽231、第二螺纹杆232、第二推片233和0.2μm小孔径的微型滤膜185组成。第二推帽231、第二螺纹杆232和第二推片233依次连接，沿前后方向水平连接在一起。其中，第二推片233水平截面为矩形，上下高度为盖片113高度的二分之一，且其上下底面与盖片113的上下底面之间各有0.5毫米的间隙。盖片113上设有与第二螺纹杆232相配合的螺纹孔，将滤膜推片与微流控芯片1固定连接，第二螺纹杆232与微流控芯片1通过螺纹连接，当第二螺纹杆232旋转时带动推片前后移动。第二推片233为白色透明的矩形薄片，其非连接的端部设有0.2μm小孔径微型滤膜185，阻隔外界细菌的进入，为细胞培养营造无菌环境。
参见图1-8，本发明基于谐振波导的植物器官全集成芯片系统的检测步骤如下：
步骤1：首先选定需要检测的含有根茎叶器官的植物，人工事先取样适量根细胞且进行无菌处理，通过对应的样本细胞注入口186注入进第一细胞暂培及检测腔18的细胞暂培及检测中心腔室187中，随后立即推上遮光推片21，为根细胞的培养创造黑暗条件以及防止细菌进入。仿照同样操作，将茎细胞、叶细胞分别对应地注入第二细胞暂培及检测腔19、第三细胞暂培及检测腔20的相应的细胞暂培及检测中心腔室187中，随后立即推上第一滤膜推片22、第二滤膜推片23，在保证茎、叶细胞拥有充足光照和空气的条件下，防止细菌的进入。
步骤2：提前配置好细胞培养液，已知培养液中的各无机盐浓度配比。采用标准移液枪，吸取一定量的细胞培养液从微流控芯片1的注液口3注入，此后，培养液会自动且迅速地完成多级过滤，依次流经根、茎、叶细胞的第一细胞暂培及检测腔18、第二细胞暂培及检测腔19、第三细胞暂培及检测腔20，由于仿照真实植物的根、茎、叶器官运输养分的次序，因此可较大程度地模拟植物根、茎、叶器官对养分的运输和选择吸收。
步骤3：待三个细胞暂培及检测腔内的细胞都已培养充分后，开启近红外光源激发装置8和近红外光谱仪7。以近红外光在第一光波导9和相应的微环光波导1810中的传播方式为例，其余第二光波导10和第三光波导11中的近红外光传播方式相同。近红外光在第一光波导9中传播，至U型结构部分，近红外光中部分波长的光，即满足条件2πrneff＝mλc(m＝0，1，2......)的波长为λc的光将进入微环光波导1810内发生谐振，，相当于滤去了以λc为波长的光，垂直耦合进微环光波导1810中发生谐振，被滤去。且由于细胞暂培及检测中心腔室187中的培养液及培养的植物细胞的不同，已知各无机盐浓度配比的培养液中的一部分无机盐离子会被植物细胞吸收，因此，要进一步计算出植物细胞吸收的各无机盐离子浓度，只需求出培养液中的剩余各无机盐离子浓度即可。培养液中的无机盐离子浓度将会吸收一部分特定波长的近红外光，这也会影响到谐振波长的耦合与滤除，会在近红外光谱上呈现不同谱峰值。接着，观察近红外光谱分析仪7所形成的近红外光谱，对照植物所需的不同无机盐离子的光谱的谱峰值，计算出培养液中的剩余各无机盐离子浓度。以钾离子为例，假设配置好的培养液中的钾离子浓度为C0(常数)，当植物细胞充分反应吸收后，由近红外光谱上呈现的钾离子谱峰值，计算出培养液中剩余钾离子的浓度C1，再根据C＝C0-C1计算出植物细胞吸收的无机盐离子浓度C。其他种类的无机盐离子的定量检测方法和所举例的钾离子测定方法相同。而定性检测各无机盐离子的种类，则是根据近红外光谱上的谱线峰位的不同，与各无机盐离子的标准谱线峰位的分布作对比，判别出具体的无机盐离子的种类。根据以上方法，即可定性定量地得出需检测的各无机盐离子在植物根、茎、叶器官中的不同浓度，以及科学判断各器官细胞的基本健康状况。
步骤4：检测结束后，利用一次性滴管从排液口6吸出废液，然后旋转遮光推片21，打开样本细胞注入口186，利用一次性滴管从样本细胞注入口186(也可作为废细胞排出口)吸出废根细胞。仿照同样操作，处理需废弃的茎、叶细胞。之后，向注液口3注入适量无菌水，让其在微流控芯片1中自由流过，再利用一次性滴管从排液口6吸出废液，多次重复操作，对微流控芯片1中的通道进行清洗，以便微流控芯片1的重复利用。
Claims (5)
1.一种基于谐振波导的植物器官全集成芯片系统，具有一个微流控芯片(1)，微流控芯片(1)左侧设有注液口(3)，右侧设有排液口(6)，注液口(3)下方连通缓冲及过滤腔(2)，排液口(6)下方连通缓冲腔(5)，其特征是：缓冲及过滤腔(2)、三个细胞暂培及检测腔、缓冲腔(5)通过主通道(181)依次连接，微流控芯片(1)的前后两侧旁外部分别设置的是近红外光谱分析仪(7)和近红外光源激发装置(8)，每个细胞暂培及检测腔的正中间是细胞暂培及检测中心腔室(187)，细胞暂培及检测中心腔室(187)的正上方连接样本细胞注入口(186)，每个细胞暂培及检测中心腔室(187)的底部布置一个微环光波导(1810)，每个微环光波导(1810)下方各布置一个光波导，三个光波导通过光纤软管分别连接近红外光源激发装置(8)和近红外光谱分析仪(7)，三个细胞暂培及检测腔从左至右的第一细胞暂培及检测腔(18)为根细胞暂培及检测腔，第二细胞暂培及检测腔(19)为茎细胞暂培及检测腔，第三细胞暂培及检测腔(20)为叶细胞的暂培及检测腔；
每个细胞暂培及检测腔由内而外是依次连通的细胞暂培及检测中心腔室(187)、二级子通道(183)、环形通道(189)和一级子通道(182)，样本细胞注入口(186)底部外围沿圆周方向均匀布置多个相同的第一类型实心微柱(184)，每两个第一类型实心微柱(184)之间形成一个二级子通道(183)，所有的二级子通道(183)均沿径向布置，样本细胞注入口(186)和第一类型实心微柱(184)之间形成细胞暂培及检测中心腔室(187)，第一类型实心微柱(184)和细胞暂培及检测腔侧壁之间形成环形通道(189)，在主通道(181)与细胞暂培及检测腔相连接处，多个第二类型实心微柱(188)沿一段圆弧方向有间隔地布置形成一级子通道(182)；
环形通道(189)中置放有圆环形的0.2μm小孔径微型滤膜(185)，缓冲及过滤腔(2)中置放有300μm小孔径微型滤膜(4)，滤膜孔在径向的内侧为大孔径，在径向的外侧为小孔径，外侧孔径分别是300μm和0.2μm小孔径；
每根光波导的水平截面呈U型结构，U型开口朝左或朝右；
第一细胞暂培及检测腔(18)的正上方设有遮光推片(21)，遮光推片(21)由第一推帽(211)、第一螺纹杆(212)和第一推片(213)沿前后方向水平依次连接组成，第一推片(213)为黑色不透光的矩形薄片，第一螺纹杆(212)与微流控芯片(1)通过螺纹连接；
第二细胞暂培及检测腔(19)和第三细胞暂培及检测腔(20)正上方各设有一个滤膜推片，滤膜推片由第二推帽(231)、第二螺纹杆(232)、第二推片(233)和0.2μm小孔径的微型滤膜(185)组成，第二推帽(231)、第二螺纹杆(232)和第二推片(233)沿前后方向水平依次连接，第二推片(233)为白色透明的矩形薄片，其非连接的端部设有0.2μm小孔径微型滤膜(185)，第二螺纹杆(232)与微流控芯片(1)通过螺纹连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于谐振波导的植物器官全集成芯片系统，其特征是：6个相同的第一类型实心微柱(184)的内壁围成正六边形，6个二级子通道(183)在正六边形的6个顶角处。
3.根据权利要求1所述的一种基于谐振波导的植物器官全集成芯片系统，其特征是：微流控芯片(1)从上至下分别是盖片(113)、中间层(112)和基底(111)，所述的光波导嵌在基底(111)内，中间层(112)内布置缓冲及过滤腔(2)、缓冲腔(5)、三个细胞暂培及检测腔，第一细胞暂培及检测腔(18)的中心正上方的中间层(112)的上表面和下底面各贴有一方形的黑色贴片(24)。
4.一种如权利要求1所述的全集成芯片系统检测植物器官的方法，其特征是包括以下步骤：
步骤1)：将根、茎、叶细胞分别注入对应的三个细胞暂培及检测腔中，将配置好的细胞培养液注入注液口(3)中，细胞培养液依次流经三个细胞暂培及检测腔，；
步骤2)：待三个细胞暂培及检测腔内的植物细胞培养充分后，开启近红外光源激发装置(8)和近红外光谱仪(7)，近红外光在光波导中传播，部分波长的光进入微环光波导(1810)内发生谐振；
步骤3)：计算出培养液中的剩余各无机盐离子浓度，从而得到植物细胞吸收的无机盐离子浓度，根据近红外光谱上的谱线峰位的不同，与各无机盐离子的标准谱线峰位的分布作对比，判别出无机盐离子的种类。
5.根据权利要求4所述的全集成芯片系统检测植物器官的方法，其特征是：步骤3)中，由近红外光谱上呈现的钾离子谱峰值，计算出培养液中的剩余钾离子的浓度C1，再根据C＝C0-C1计算出植物细胞吸收的无机盐离子浓度C，C0是配置好的细胞培养液中的钾离子浓度。
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