CN116240095B - 一种深海环境下的微生物原位分选仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种深海环境下的微生物原位分选仪，包括基座、控制舱、流路舱、补偿舱、分析控制模块、激光器、光路组件、压力调节装置、微生物分选芯片、试剂袋组和流路控制组件，其中流路舱为装有流动性液体的湿舱结构并能够通过压力调节装置调节流路舱与海水之间的压力平衡，通过分析控制模块控制激光器、光路组件以及流路控制组件的工作状态协同微生物分选芯片和试剂袋组件完成目标微生物的识别、抓取、分选及贮存工作，即通过电路、光路以及流路三者之间的联动，利用拉曼‑光镊的识别分选方式，实现在深海原位环境下针对原位的微生物样品直接进行有效识别、分选以获取单一成分的原位微生物样品的功能。

Description

一种深海环境下的微生物原位分选仪

技术领域

本发明涉及微生物识别采样技术领域，具体涉及一种深海环境下的微生物原位分选仪。

背景技术

深海具备极其复杂的生态环境，其物种多样性非常丰富，被公认为未来重要的基因资源来源地，具有巨大的应用开发潜力。深海生物资源的开发研究可以充实人类的资源宝库，是国家海洋经济可持续发展的重点，并能够在高科技领域内增强与发达国家的国际竞争力，为满足国家未来发展的资源需求提供技术保障。

作为深海生物资源的重要组成部分，深海微生物的种类多、数量大、分布广，是深海生态系统中的初级生产者，在整个生态系统中占据极为重要的地位。研究深海微生物的群落、数量及分布信息，对了解深海生态系统动力学具有重要意义，同时也可以为深海生态系统保护、污染监控以及资源的开发利用等提供理论支持。目前，深海微生物资源已成为国家重要的战略资源储备，也是各国海洋战略的核心关注点之一。

然而，深海微生物种类极其繁多，特性非常复杂，目前广泛使用的诸如荧光、形态等辨别方式尚无法对广泛的未知生物做到有效探知和识别，不仅分析速度较慢，在种类的辨别上还存在着相当程度的模糊区间，比如同等尺寸或者同等形态就对应着多种不同的微生物；另外，研究的样品（如深海原位样品）中通常包含多种微生物，即便是将所需研究的微生物识别出来了，想要将其从其它微生物中分选出来以获取单品种的样品也是比较困难的，多数情况下还需要经过过滤、离心、沉淀等一系列复杂步骤；并且当前的仪器设备基本上都需要在常压、常温的陆地实验室环境下进行分选，所分析的深海样品也是从深海原位环境下取出水面后的“非原位”样品。由于出水后压力、温度的剧烈改变，样品中微生物的形态、特性也将发生很大变化，导致其科学研究意义大打折扣；而且根据目前的统计，超过90%的深海微生物是不可培养的。这就更加凸显了原位测试的意义。目前尚无可以在深海原位环境下针对原位的微生物样品直接进行有效识别、分选以获取单一成分样品的设备。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术中存在的不足之处，提出一种深海环境下的微生物原位分选仪，旨在解决上述问题。

本发明提供了一种深海环境下的微生物原位分选仪，包括：

基座，所述基座上设置有控制舱、流路舱和补偿舱，所述控制舱与所述流路舱连接，所述控制舱内设置有分析控制模块、激光器和光路组件，所述控制舱为干舱结构，所述流路舱为装有流动性液体的湿舱结构；

压力调节装置，所述压力调节装置设置在所述补偿舱处并用于调节所述流路舱与海水之间的压力平衡；

微生物分选芯片，所述微生物分选芯片设置在所述控制舱与所述流路舱连接处，所述微生物分选芯片内部设置有流路通道；

试剂袋组，所述试剂袋组设置在所述流路舱内部并用于储存无菌液、样品和海水，所述流路通道分别与所述试剂袋组和海水连通；

流路控制组件，所述流路控制组件设置在所述流路舱处并用于控制所述流路通道、试剂袋组和海水之间的连通性，所述分析控制模块与所述流路控制组件电气连接并能够控制所述流路控制组件的工作状态；

所述光路组件能够将所述激光器发射的激光引导至所述微生物分选芯片处并能够将激光光束整形以形成“光镊”，所述激光器发射的激光能够作为激发微生物“拉曼特征”的入射光，所述分析控制模块能够采集微生物的“拉曼特征”并据此操纵“光镊”以及流路控制组件的工作状态。

优选的，所述压力调节装置为内部装满流动性液体的囊袋，所述囊袋通过软管与所述流路舱连通。

优选的，所述微生物分选芯片为方形的透明状玻璃，所述流路通道为带有四个连通口的十字状交叉互通的通道，所述四个连通口分别为A口、B口、C口和D口，所述四个连通口均连通设置有连接管并分别通过所述连接管与所述试剂袋组和海水连通。

优选的，所述试剂袋组包括缓冲袋、无菌液储袋和样品袋，所述A口与所述无菌液储袋连通，所述B口与海水连通，所述C口与所述缓冲袋连通，所述D口与所述样品袋连通，所述缓冲袋与海水连通。

优选的，所述流路控制组件包括第一泵体、第二泵体、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀，所述第一泵体能够将所述无菌液储袋中的液体泵至所述A口处，所述第三电磁阀用于控制所述B口与海水的连通性，所述第一电磁阀用于控制所述C口与所述缓冲袋的连通性，所述第四电磁阀用于控制所述D口与所述样品袋的连通性，所述第二电磁阀用于控制所述缓冲袋与海水的连通性，所述第二泵体能够将海水经由所述第二电磁阀泵入所述缓冲袋中。

优选的，所述缓冲袋、所述无菌液储袋、所述样品袋和所述连接管均为柔性材质。

优选的，所述光路组件包括若干个实现反射、散光和汇聚功能光学镜片。

优选的，所述基座上设置有用于卡紧所述控制舱的卡箍，所述控制舱上设置有第一端盖，所述流路舱上设置有与所述第一端盖连接的第二端盖，所述第一端盖与所述第二端盖之间设置有间隔，所述微生物分选芯片设置在所述第一端盖与所述第二端盖间隔处。

优选的，所述控制舱、所述流路舱和所述补偿舱外壳均采用钛合金材质。

相对现有技术，本发明具有以下有益效果：

通过分析控制模块控制激光器、光路组件以及流路控制组件的工作状态协同微生物分选芯片和试剂袋组件完成目标微生物的识别、抓取、分选及贮存工作，即通过电路、光路以及流路三者之间的联动，利用拉曼-光镊的识别分选方式，实现在深海原位环境下针对原位的微生物样品直接进行有效识别、分选以获取单一成分的原位微生物样品的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，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为本发明某一实施例的结构示意图；

图2为本发明某一实施例中控制舱处的内部结构示意图；

图3为本发明某一实施例中流路舱处的内部结构示意图；

图4为本发明某一实施例中第一端盖和微生物分选芯片处的安装结构示意图；

图5为本发明某一实施例中试剂袋组、流路控制组件和微生物分选芯片处的连通结构示意图。

图中，1-基座；11-卡箍；2-控制舱；21-分析控制模块；22-激光器；23-光路组件；24-第一端盖；3-流路舱；31-第二端盖；4-补偿舱；5-压力调节装置；6-微生物分选芯片；61-流路通道；62-连接管；7-试剂袋组；71-缓冲袋；72-无菌液储袋；73-样品袋；8-流路控制组件；81-第一泵体；82-第二泵体；83-第一电磁阀；84-第二电磁阀；85-第三电磁阀；86-第四电磁阀。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1：

参照图1至图5，本发明提供了一种深海环境下的微生物原位分选仪，包括：

基座1，基座1上设置有控制舱2、流路舱3和补偿舱4，控制舱2与流路舱3连接，控制舱2内设置有分析控制模块21、激光器22和光路组件23，控制舱2为干舱结构，流路舱3为装有流动性液体的湿舱结构；

压力调节装置5，压力调节装置5设置在补偿舱4处并用于调节流路舱3与海水之间的压力平衡；

微生物分选芯片6，微生物分选芯片6设置在控制舱2与流路舱3连接处，微生物分选芯片6内部设置有流路通道61；

试剂袋组7，试剂袋组7设置在流路舱3内部并用于储存无菌液、样品和海水，流路通道61分别与试剂袋组7和海水连通；

流路控制组件8，流路控制组件8设置在流路舱3处并用于控制流路通道61、试剂袋组7和海水之间的连通性，分析控制模块21与流路控制组件8电气连接并能够控制流路控制组件8的工作状态；

光路组件23能够将激光器22发射的激光引导至微生物分选芯片6处并能够将激光光束整形以形成“光镊”，激光器22发射的激光能够作为激发微生物“拉曼特征”的入射光，分析控制模块21能够采集微生物的“拉曼特征”并据此操纵“光镊”以及流路控制组件8的工作状态。

通过分析控制模块21控制激光器22、光路组件23以及流路控制组件8的工作状态协同微生物分选芯片6和试剂袋组7件完成目标微生物的识别、抓取、分选及贮存工作，即通过电路、光路以及流路三者之间的联动，利用拉曼-光镊的识别分选方式，实现在深海原位环境下针对原位的微生物样品直接进行有效识别、分选以获取单一成分的原位微生物样品的功能。其中，分析控制模块21含多个STM32单片机组成的控制系统，分析控制模块21可以由水面母船供电和控制，分析控制模块21也可以自带电池在深海底自行开展工作，其工作流程可以由写入分析控制模块21内部的程序来控制。

具体的，压力调节装置5为内部装满流动性液体的囊袋，囊袋通过软管与流路舱3连通。其中，囊袋为柔性材料，囊袋和流路舱3中的流动性液体可以采用绝缘油。囊袋能够根据其所处海水环境的水压通过其内部的流动性液体和流路舱3中的流动性液体传导海水压力，以维持流路舱3内部液压与其外部的海水压力一致。

实施例2：

参照图1至图5，结合实施例1的技术方案，本实施例中，微生物分选芯片6为方形的透明状玻璃，流路通道61为带有四个连通口的十字状交叉互通的通道，四个连通口分别为A口、B口、C口和D口，四个连通口均连通设置有连接管62并分别通过连接管62与试剂袋组7和海水连通。其中，微生物分选芯片6为生物、化学、医学分析过程中用于样品制备、反应、分离检测所使用的微流控芯片。

具体的，试剂袋组7包括缓冲袋71、无菌液储袋72和样品袋73，A口与无菌液储袋72连通，B口与海水连通，C口与缓冲袋71连通，D口与样品袋73连通，缓冲袋71与海水连通。

具体的，流路控制组件8包括第一泵体81、第二泵体82、第一电磁阀83、第二电磁阀84、第三电磁阀85和第四电磁阀86，第一泵体81能够将无菌液储袋72中的液体泵至A口处，第三电磁阀85用于控制B口与海水的连通性，第一电磁阀83用于控制C口与缓冲袋71的连通性，第四电磁阀86用于控制D口与样品袋73的连通性，第二电磁阀84用于控制缓冲袋71与海水的连通性，第二泵体82能够将海水经由第二电磁阀84泵入缓冲袋71中。

流路控制组件8的工作过程如下：

S1:第一电磁阀83、第四电磁阀86关闭，第二电磁阀84、第三电磁阀85开启。第一泵体81开启，将无菌液泵入AB通道形成层流，并经由第三电磁阀85进入海水中；第二泵体82开启，将海水经由第二电磁阀抽入缓冲袋71中。

S2:第二电磁阀84、第四电磁阀86关闭，第一电磁阀83、第三电磁阀85开启。第一泵体81开启，将无菌液泵入AB通道形成层流，并经由第三电磁阀85进入海水中；第二泵体82关闭。此时缓冲袋71中海水里的微生物将沿第一电磁阀的通路扩散至接近AB通道中层流的地方，并由光镊将通过拉曼技术识别的微生物捕获并“抓取”至层流的另一侧（即相对AB通道从C口一侧抓取至D口一侧）。

S3:第三电磁阀85、第四电磁阀86关闭，第一电磁阀83、第二电磁阀84开启。第一泵体81开启，将无菌液泵入AC通道，把通道内残留的其它微生物冲洗至缓冲袋71中；第二泵体82关闭。

S4:第一电磁阀83、第三电磁阀85关闭，第二电磁阀84、第四电磁阀86开启。第一泵体81开启，将无菌液泵入AD通道，把通道内的被捕获的微生物泵入样品袋73；第二泵体82开启，将海水经由第二电磁阀84抽入缓冲袋71中。

具体的，缓冲袋71、无菌液储袋72、样品袋73和连接管62均为柔性材质。

缓冲袋71、无菌液储袋72、样品袋73和连接管62采用柔性材质可以确保了其内部和海水之间的压力平衡。

实施例3：

参照图1至图5，结合实施例1和实施例2的技术方案，本实施例中，光路组件23包括若干个实现反射、散光和汇聚功能光学镜片。

具体的，基座1上设置有用于卡紧控制舱2的卡箍11，控制舱2上设置有第一端盖24，流路舱3上设置有与第一端盖24连接的第二端盖31，第一端盖24与第二端盖31之间设置有间隔，微生物分选芯片6设置在第一端盖24与第二端盖31间隔处。

具体的，控制舱2、流路舱3和补偿舱4外壳均采用钛合金材质。

控制舱2、流路舱3和补偿舱4的外壳均使用钛合金制作，与微生物分选芯片6紧贴的光学镜片使用蓝宝石制作，这些材料均具备高强度、高抗腐蚀性，利于保证微生物采用工作的正常进行。

其中控制舱2与流路舱3同轴布置并，控制舱2上的第一端盖24与流路舱3上的第二端盖31通过螺钉实现连接、紧固；流路舱3与补偿舱4之间通过柔性的管体连接。

微生物分选芯片6由于制作工艺的原因，无法浸泡在绝缘油中；又由于需要对准控制舱2内部的光路，因此将其安装、浸泡在位于控制舱2与流路舱3之间的海水中（即图1中第一端盖24和第二端盖31两个端盖之间的空间）。

以上，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种深海环境下的微生物原位分选仪，其特征在于，包括：

基座，所述基座上设置有控制舱、流路舱和补偿舱，所述控制舱与所述流路舱连接，所述控制舱内设置有分析控制模块、激光器和光路组件，所述控制舱为干舱结构，所述流路舱为装有流动性液体的湿舱结构；

压力调节装置，所述压力调节装置设置在所述补偿舱处并用于调节所述流路舱与海水之间的压力平衡；

微生物分选芯片，所述微生物分选芯片设置在所述控制舱与所述流路舱连接处，所述微生物分选芯片内部设置有流路通道；

试剂袋组，所述试剂袋组设置在所述流路舱内部并用于储存无菌液、样品和海水，所述流路通道分别与所述试剂袋组和海水连通；

流路控制组件，所述流路控制组件设置在所述流路舱处并用于控制所述流路通道、试剂袋组和海水之间的连通性，所述分析控制模块与所述流路控制组件电气连接并能够控制所述流路控制组件的工作状态；

所述光路组件能够将所述激光器发射的激光引导至所述微生物分选芯片处并能够将激光光束整形以形成“光镊”，所述激光器发射的激光能够作为激发微生物“拉曼特征”的入射光，所述分析控制模块能够采集微生物的“拉曼特征”并据此操纵“光镊”以及流路控制组件的工作状态；

所述微生物分选芯片为方形的透明状玻璃，所述流路通道为带有四个连通口的十字状交叉互通的通道，所述四个连通口分别为A口、B口、C口和D口，所述四个连通口均连通设置有连接管并分别通过所述连接管与所述试剂袋组和海水连通；

所述试剂袋组包括缓冲袋、无菌液储袋和样品袋，所述A口与所述无菌液储袋连通，所述B口与海水连通，所述C口与所述缓冲袋连通，所述D口与所述样品袋连通，所述缓冲袋与海水连通；

所述流路控制组件包括第一泵体、第二泵体、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第四电磁阀，所述第一泵体能够将所述无菌液储袋中的液体泵至所述A口处，所述第三电磁阀用于控制所述B口与海水的连通性，所述第一电磁阀用于控制所述C口与所述缓冲袋的连通性，所述第四电磁阀用于控制所述D口与所述样品袋的连通性，所述第二电磁阀用于控制所述缓冲袋与海水的连通性，所述第二泵体能够将海水经由所述第二电磁阀泵入所述缓冲袋中。

2.根据权利要求1所述的一种深海环境下的微生物原位分选仪，其特征在于：

所述压力调节装置为内部装满流动性液体的囊袋，所述囊袋通过软管与所述流路舱连通。

3.根据权利要求1所述的一种深海环境下的微生物原位分选仪，其特征在于：

所述缓冲袋、所述无菌液储袋、所述样品袋和所述连接管均为柔性材质。

4.根据权利要求1所述的一种深海环境下的微生物原位分选仪，其特征在于：

所述光路组件包括若干个实现反射、散光和汇聚功能光学镜片。

5.根据权利要求1所述的一种深海环境下的微生物原位分选仪，其特征在于：

所述基座上设置有用于卡紧所述控制舱的卡箍，所述控制舱上设置有第一端盖，所述流路舱上设置有与所述第一端盖连接的第二端盖，所述第一端盖与所述第二端盖之间设置有间隔，所述微生物分选芯片设置在所述第一端盖与所述第二端盖间隔处。

6.根据权利要求1所述的一种深海环境下的微生物原位分选仪，其特征在于：

所述控制舱、所述流路舱和所述补偿舱外壳均采用钛合金材质。

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