CN116904296A - 一种基于光电镊的微藻分离提纯装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光电镊的微藻分离提纯装置及方法，包括视觉采集模块、光电极投影模块、光诱导介电泳芯片和辅助模块；光诱导介电泳芯片包括由上至下依次设置的导电层、液体层和光电导层，光电导层为表面沉积有光敏材料氢化非晶硅的氧化铟锡导电玻璃；光电极投影模块用于在光诱导介电泳芯片上投影光图案，视觉采集模块用于采集光诱导介电泳芯片上图像信息；辅助模块包括信号发生器、计算机和三维移动平台，信号发生器分别连接导电层和光电导层，用于产生交流信号，计算机分别连接视觉采集模块和光电极投影模块，光诱导介电泳芯片安装于三维移动平台上。本发明能够对微藻进行高效精准的分离提纯，操作简单，提纯率高。
Description
技术领域
本发明涉及微藻的分离筛选提纯技术领域，特别是涉及一种基于光电镊的微藻分离提纯装置及方法。
背景技术
微藻的普遍定义是一类个体微小含有叶绿素并能进行光合作用的微生物，具有分布广泛、种类繁多、生长速度快、适应性强等特点。一方面微藻用途广泛，可以产生多种生物活性物质用于医药保健领域，如雨生红球藻、螺旋藻等极具经济价值的微藻逐渐产业化，本身还可以作为蛋白质来源用于养殖领域，甚至可以作为一种潜在的可再生燃料来源，在生物能源、生物医药、水产养殖、环境治理等方面日益发挥着重要的作用。另一方面，精准识别微藻的种类对由微藻造成的水污染进行针对性治理意义重大。由于原位水体中不同种类微藻混杂、形貌大小相似的微藻难以依靠视觉识别等方法标记区分，且微藻体积微小不便操作，因此微藻的分离提纯一直是微藻研究领域的重点与难点之一。
现有结合介电泳的技术中，大连海事大学王俊生课题组提出了《一种基于交流-介电泳的微藻表征与识别装置及方法》以及《一种结合多孔流动和交流-介电泳的微藻颗粒筛选与分离装置及方法》，分别使用微流控芯片结合介电泳固体微电极对微藻先后进行表征与识别、筛选与分离，但需要提前准备固体微电极、设计微流道，价格昂贵操作繁琐，且对微藻的筛分不够精准、纯度有待提高，具有局限性。
现有的微藻分离提纯方法操作复杂流程繁琐，而采用直接分离方法对原位水体进行稀释后挑取分离微藻，对操作技术要求高；采用扩增培养后再进行分离，耗时长效率低；通过向原位水体添加各种反应试剂后分离微藻，操作繁琐成本高；利用微流控芯片分离微藻，需要设计复杂流道且提纯率不高，即使结合介电泳也具有一定局限性。因此，有必要提出一种分离提纯微藻藻种的技术，对需要分离的藻种进行识别、分离、收集，以满足简单、高效、高纯度、操作难度低的微藻分离提纯要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光电镊的微藻分离提纯装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够对微藻进行高效精准的分离提纯，操作简单，提纯率高。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种基于光电镊的微藻分离提纯装置，包括视觉采集模块、光电极投影模块、光诱导介电泳芯片和辅助模块；所述光诱导介电泳芯片包括由上至下依次设置的导电层、液体层和光电导层，所述导电层为氧化铟锡导电玻璃，所述液体层储存有待控制微粒的悬浮溶液，所述光电导层为表面沉积有光敏材料氢化非晶硅的氧化铟锡导电玻璃；所述光电极投影模块用于在所述光诱导介电泳芯片上投影光图案，所述视觉采集模块用于采集所述光诱导介电泳芯片上图像信息；所述辅助模块包括信号发生器、计算机和三维移动平台，所述信号发生器分别连接所述导电层和所述光电导层，用于产生交流信号，所述计算机分别连接所述视觉采集模块和所述光电极投影模块，所述光诱导介电泳芯片安装于所述三维移动平台上。
优选地，所述视觉采集模块包括位于所述光诱导介电泳芯片上方的由下至上依次设置的第一物镜、半透半反镜、高波通滤光片和CCD相机，所述CCD相机与所述计算机连接。
优选地，所述光电极投影模块包括投影模块和照明模块，所述投影模块位于所述光诱导介电泳芯片下方，所述投影模块包括由下至上依次设置的投影仪、低波通滤光片、凸透镜和第二物镜，所述照明模块包括光源、所述半透半反镜和所述第一物镜，所述光源发出的光经所述半透半反镜和所述第一物镜照射于所述光诱导介电泳芯片上。
本发明还提供一种微藻分离提纯方法，采用以上所述的基于光电镊的微藻分离提纯装置，包括以下步骤：
(1)将含有微藻的缓冲液滴入所述导电层和所述光电导层之间，移动所述三维移动平台，调整所述视觉采集模块，直至可以在计算机人机交互窗口中清晰地观察到需要分离的微藻藻种；
(2)通过所述光电极投影模块在所述光诱导介电泳芯片上投影光图案，所述光敏材料氢化非晶硅暴露在光图案下的部分导电性增强，与所述导电层形成非均匀电场，产生介电泳力，通过不同种类微藻受介电泳力的不同，将微藻进行筛分分离。
优选地，采用二分法筛分分离微藻，所述二分法包括以下步骤：
S1：将交流信号的频率设定为第一频率；
S2：在第一频率下，根据微藻受到的介电泳力的不同，将微藻分为两类，一类为受正介电泳力的微藻，一类为受负介电泳力的微藻；
S3：改变所述交流信号的频率，根据微藻受到的介电泳力的不同，将分离得到两类微藻分别再次分为两类；
S4：重复进行S3，直至将不同种类微藻全部筛分分离。
优选地，微藻分离时，根据实际需求生成不同数量不同形状的光图案对微藻进行分离操作。
优选地，微藻分离时，在视野中生成圈住微藻的圆环或者空心矩形光图案，之后不断缩小光图案，直至微藻分别聚集在光图案中心和光图案内部，实现对微藻的分离。
优选地，在缩小后的光图案内部再生成一个光图案圈住受负介电泳力被排斥的微藻粒子，之后缓慢扩大缩小后的光图案至原位，再将内部的光图案移动到微吸管处收集被排斥的微藻粒子。
优选地，在缩小后的光图案轮廓上生成一个更亮的实心圆，将实心圆绕光图案一周，吸引光图案上受正介电泳力的微藻到实心圆内部，再将实心圆移动到微吸管处收集受正介电泳力的微藻粒子。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的基于光电镊的微藻分离提纯装置及方法，根据光学原理合理布置光学元器件搭建光电镊机器人系统，包括视觉采集模块、光电极投影模块、光诱导介电泳芯片和辅助模块，通过光电极投影模块投影到光诱导介电泳芯片上的光图案产生介电泳力对不同种类的微藻进行筛选分离，适用于原位水体稀少、水体内部多种微藻混杂、需要无损分离的情况，能够对微藻进行高效精准的分离提纯，操作简单，提纯率高。
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为本发明提供的基于光电镊的微藻分离提纯装置的结构示意图；
图2为本发明中光诱导介电泳芯片的示意图；
图3为本发明中分离提纯被排斥微藻示意图；
图4为本发明中分离提纯被吸引微藻示意图；
图中：1-光诱导介电泳芯片、2-导电层、3-光电导层、4-光敏材料氢化非晶硅、5-信号发生器、6-计算机、7-三维移动平台、8-第一物镜、9-半透半反镜、10-高波通滤光片、11-CCD相机、12-投影仪、13-低波通滤光片、14-凸透镜、15-第二物镜、16-光源。
具体实施方式
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。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。
本发明的目的是提供一种基于光电镊的微藻分离提纯装置及方法，以解决现有技术存在的问题，能够对微藻进行高效精准的分离提纯，操作简单，提纯率高。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-图4所示，本实施例提供一种基于光电镊的微藻分离提纯装置，包括视觉采集模块、光电极投影模块、光诱导介电泳芯片1和辅助模块；光诱导介电泳芯片1包括由上至下依次设置的导电层2、液体层和光电导层3，导电层2为氧化铟锡导电玻璃，液体层储存有待控制微粒的悬浮溶液，光电导层3为表面沉积有光敏材料氢化非晶硅4的氧化铟锡导电玻璃；光电极投影模块用于在光诱导介电泳芯片1上投影光图案，视觉采集模块用于采集光诱导介电泳芯片1上图像信息；辅助模块包括信号发生器5、计算机6和三维移动平台7，信号发生器5分别连接导电层2和光电导层3，用于产生交流信号，计算机6分别连接视觉采集模块和光电极投影模块，光诱导介电泳芯片1安装于三维移动平台7上。
三维移动平台7通过电机的转动带动光诱导介电泳芯片1实现宏观移动，计算机6负责光图案的投影控制，并显示视觉采集模块采集的图像信息；导电层2的材质为氧化铟锡导电玻璃，具有高导电性；液体层储存有待控制微粒的悬浮溶液，是光电镊微操作系统的实际操控空间；光电导层3由沉积有光敏材料氢化非晶硅4的氧化铟锡导电玻璃组成，光敏材料氢化非晶硅4在无光条件下电阻极高，近似于绝缘体，当其暴漏在光图案下时，导电性大大增强，会与导电层2形成非均匀电场，产生介电泳力，通过光电极投影模块投影到光诱导介电泳芯片1上的光图案产生介电泳力对不同种类的微藻进行筛选分离，能够对微藻进行高效精准的分离提纯，操作简单，提纯率高，适用于原位水体稀少、水体内部多种微藻混杂、需要无损分离的情况。
本实施例中，视觉采集模块包括位于光诱导介电泳芯片1上方的由下至上依次设置的第一物镜8、半透半反镜9、高波通滤光片10和CCD相机11，CCD相机11与计算机6连接，以将采集的图像信息传输至计算机6。
本实施例中，光电极投影模块包括投影模块和照明模块，投影模块位于光诱导介电泳芯片1下方，投影模块包括由下至上依次设置的投影仪12、低波通滤光片13、凸透镜14和第二物镜15，照明模块包括光源16、半透半反镜9和第一物镜8，光源16发出的光经半透半反镜9和第一物镜8照射于光诱导介电泳芯片1上。
一种微藻分离提纯方法，采用以上所述的基于光电镊的微藻分离提纯装置，包括以下步骤：
(1)将含有微藻的缓冲液滴入导电层2和光电导层3之间，移动三维移动平台7，调整视觉采集模块，直至可以在计算机人机交互窗口中清晰地观察到需要分离的微藻藻种；
(2)通过光电极投影模块在光诱导介电泳芯片1上投影光图案，光敏材料氢化非晶硅4暴露在光图案下的部分导电性增强，与导电层2形成非均匀电场，产生介电泳力，通过不同种类微藻受介电泳力的不同，将微藻进行筛分分离。
微藻分离时，可以根据实际需求生成不同数量不同形状的光图案对微藻进行分离操作。具体地，可以在视野中生成圈住微藻的圆环或者空心矩形光图案，之后不断缩小光图案，直至微藻分别聚集在光图案中心和光图案内部，实现对微藻的分离。在缩小后的光图案内部可以再生成一个光图案圈住受负介电泳力被排斥的微藻粒子，之后缓慢扩大缩小后的光图案至原位，再将内部的光图案移动到微吸管处收集被排斥的微藻粒子。也可以在缩小后的光图案轮廓上生成一个更亮的实心圆，将实心圆绕光图案一周，吸引光图案上受正介电泳力的微藻到实心圆内部，再将实心圆移动到微吸管处收集受正介电泳力的微藻粒子。
采用以上所述的基于光电镊的微藻分离提纯装置对微藻分离提纯的一种操作流程具体如下：
首先检查基于光电镊的微藻分离提纯装置连接是否正常，清洗光诱导介电泳芯片1的上下极板，之后将光诱导介电泳芯片1放置在三维移动平台7上并与信号发生器5连接，再将含有微藻的缓冲液滴入光诱导介电泳芯片1上下极板之间；移动三维移动平台7，调整视觉采集模块，直至可以在计算机人机交互窗口中清晰地观察到需要分离的微藻藻种；在视野中投影一个尽可能大的光圈(圆环状)，囊括视野中大部分的微藻，之后逐渐缩小光圈的大小；受到正介电泳力的微藻被吸引到光圈上，受到负介电泳力的微藻被排斥到光圈中心，随着光圈的缩小视野中所有微藻或被吸引到光圈上或被排斥到光圈中心；最后视野中的微藻被分为不同区域的两类微藻，可以在缩小后的光图案内部再生成一个光图案圈住受负介电泳力被排斥的微藻粒子，之后缓慢扩大最开始的光图案至原位，再将内部的光图案移动到微吸管处收集被排斥的微藻粒子。也可以在已经缩小后的光图案轮廓上生成一个更亮的实心圆，将实心圆绕光图案一周，吸引光图案上受正介电泳力的微藻到实心圆内部，再将实心圆移动到微吸管处收集受正介电泳力的微藻粒子。
对多种微藻混合的水体可利用二分法分离微藻藻种，所述二分法包括以下步骤：
S1：将交流信号的频率设定为第一频率；
S2：在第一频率下，根据微藻受到的介电泳力的不同，将微藻分为两类，一类为受正介电泳力的微藻，一类为受负介电泳力的微藻；
S3：改变所述交流信号的频率，根据微藻受到的介电泳力的不同，将分离得到两类微藻分别再次分为两类；
S4：重复进行S3，直至将不同种类微藻全部筛分分离。
例如，假设原位液体中有五种不同种类的微藻，它们的特异性频率各不相同。假设一种微藻在频率小于20KHz时受正介电泳力，频率大于20KHz时受负介电泳力；一种微藻在频率小于30KHz时受正介电泳力，频率大于30KHz时受负介电泳力；一种微藻在频率小于40KHz时受正介电泳力，频率大于40KHz时受负介电泳力；一种微藻在频率小于50KHz时受正介电泳力，频率大于50KHz时受负介电泳力；一种微藻在频率小于60KHz时受正介电泳力，频率大于60KHz时受负介电泳力；分离检测前，由于这五种微藻的特异性频率对我们来说是未知的，因此我们可以先设置装置的频率为45KHz(频率可以根据经验随机设置，也可以是30KHz、40KHz、50KHz)，对五种微藻进行分离操作，其中三种微藻受到负介电泳力，两种微藻受到正介电泳力，根据微藻受到的介电泳力性质，将这五种微藻分为两大类，一类为受负介电泳力的三种微藻，一类为受正介电泳力的两种微藻。对受负介电泳力的三种微藻的那一类再设置频率为35KHz进行分离，再分为两类，以此类推，直至将每一种微藻都分离出来；对受正介电泳力的两种微藻的那一类采取同样的操作，直至将每一种微藻都分离出来。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种基于光电镊的微藻分离提纯装置，其特征在于：包括视觉采集模块、光电极投影模块、光诱导介电泳芯片和辅助模块；所述光诱导介电泳芯片包括由上至下依次设置的导电层、液体层和光电导层，所述导电层为氧化铟锡导电玻璃，所述液体层储存有待控制微粒的悬浮溶液，所述光电导层为表面沉积有光敏材料氢化非晶硅的氧化铟锡导电玻璃；所述光电极投影模块用于在所述光诱导介电泳芯片上投影光图案，所述视觉采集模块用于采集所述光诱导介电泳芯片上图像信息；所述辅助模块包括信号发生器、计算机和三维移动平台，所述信号发生器分别连接所述导电层和所述光电导层，用于产生交流信号，所述计算机分别连接所述视觉采集模块和所述光电极投影模块，所述光诱导介电泳芯片安装于所述三维移动平台上。
2.根据权利要求1所述的基于光电镊的微藻分离提纯装置，其特征在于：所述视觉采集模块包括位于所述光诱导介电泳芯片上方的由下至上依次设置的第一物镜、半透半反镜、高波通滤光片和CCD相机，所述CCD相机与所述计算机连接。
3.根据权利要求2所述的基于光电镊的微藻分离提纯装置，其特征在于：所述光电极投影模块包括投影模块和照明模块，所述投影模块位于所述光诱导介电泳芯片下方，所述投影模块包括由下至上依次设置的投影仪、低波通滤光片、凸透镜和第二物镜，所述照明模块包括光源、所述半透半反镜和所述第一物镜，所述光源发出的光经所述半透半反镜和所述第一物镜照射于所述光诱导介电泳芯片上。
4.一种微藻分离提纯方法，其特征在于，采用权利要求1～3中任意一项所述的基于光电镊的微藻分离提纯装置，包括以下步骤：
(1)将含有微藻的缓冲液滴入所述导电层和所述光电导层之间，移动所述三维移动平台，调整所述视觉采集模块，直至可以在计算机人机交互窗口中清晰地观察到需要分离的微藻藻种；
(2)通过所述光电极投影模块在所述光诱导介电泳芯片上投影光图案，所述光敏材料氢化非晶硅暴露在光图案下的部分导电性增强，与所述导电层形成非均匀电场，产生介电泳力，通过不同种类微藻受介电泳力的不同，将微藻进行筛分分离。
5.根据权利要求4所述的微藻分离提纯方法，其特征在于：采用二分法筛分分离微藻，所述二分法包括以下步骤：
S1：将交流信号的频率设定为第一频率；
S2：在第一频率下，根据微藻受到的介电泳力的不同，将微藻分为两类，一类为受正介电泳力的微藻，一类为受负介电泳力的微藻；
S3：改变所述交流信号的频率，根据微藻受到的介电泳力的不同，将分离得到两类微藻分别再次分为两类；
S4：重复进行S3，直至将不同种类微藻全部筛分分离。
6.根据权利要求4所述的微藻分离提纯方法，其特征在于：微藻分离时，根据实际需求生成不同数量不同形状的光图案对微藻进行分离操作。
7.根据权利要求4所述的微藻分离提纯方法，其特征在于：微藻分离时，在视野中生成圈住微藻的圆环或者空心矩形光图案，之后不断缩小光图案，直至微藻分别聚集在光图案中心和光图案内部，实现对微藻的分离。
8.根据权利要求7所述的微藻分离提纯方法，其特征在于：在缩小后的光图案内部再生成一个光图案圈住受负介电泳力被排斥的微藻粒子，之后缓慢扩大缩小后的光图案至原位，再将内部的光图案移动到微吸管处收集被排斥的微藻粒子。
9.根据权利要求7所述的微藻分离提纯方法，其特征在于：在缩小后的光图案轮廓上生成一个更亮的实心圆，将实心圆绕光图案一周，吸引光图案上受正介电泳力的微藻到实心圆内部，再将实心圆移动到微吸管处收集受正介电泳力的微藻粒子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310860878.1A CN116904296A (zh) | 2023-07-13 | 2023-07-13 | 一种基于光电镊的微藻分离提纯装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310860878.1A CN116904296A (zh) | 2023-07-13 | 2023-07-13 | 一种基于光电镊的微藻分离提纯装置及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116904296A true CN116904296A (zh) | 2023-10-20 |
Family
ID=88364200
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310860878.1A Pending CN116904296A (zh) | 2023-07-13 | 2023-07-13 | 一种基于光电镊的微藻分离提纯装置及方法 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN116904296A (zh) |
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2023
- 2023-07-13 CN CN202310860878.1A patent/CN116904296A/zh active Pending
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