CN204422470U - 微生物检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及微生物培养和检测，旨在解决现有微生物检测装置耗时长、成本高以及生物兼容性差等问题。为此目的，本实用新型提供一种微生物检测装置。该微生物检测装置包括：反应室，其用于容纳培养液；敏感元件，其与反应室连通并且与培养液接触，用于感测培养液的PH值变化并根据所述PH值变化产生电荷；以及有机薄膜场效应晶体管，其与敏感元件电连通，用于根据敏感元件的电荷来确定培养液中是否存在微生物以及存在何种微生物。由于采用有机薄膜场效应晶体管作为检测元件，本实用新型的检测装置能根据晶体管的沟道电流变化实时检测培养液中的微生物生长情况并快速得出检测结果，与现有检测装置相比成本很低并且生物兼容性良好。

Description

微生物检测装置

技术领域

本实用新型涉及微生物培养和检测领域，具体提供一种微生物检测装置。

背景技术

微生物广泛存在于自然界中。现有技术中所采用的主要检测方法为微生物培养。在培养过程中，样本被放置在培养基成分和培养条件受控的环境中，从而促进微生物生长。目前，市场上存在多种微生物培养装置，这些装置可以在12-48小时内检测出样本中微生物的存在，并且在5天内可以排除存在的任何传染性微生物。此外，通过对样本进行二次培养和试验，这些装置可以再用12-48小时的时间来鉴定微生物的性质。然而，在需要快速得到检测结果的应用场合，上述检测方法所需的时间长度是完全不可接受的。

国际专利申请WO2013096404描述了利用ISFET进行传染性微生物检测的方法。该检测方法能够在一定程度上缩短检测时间，但是也存在一些问题，例如成本高、生物兼容性差、灵敏度低等。

因此，需要开发一种微生物检测装置，其能够快速准确地检测微生物，并且能够避免现有技术中的上述问题。

实用新型内容

本实用新型旨在解决现有技术中存在的上述问题。具体而言，本实用新型旨在解决现有微生物检测方法无法进行实时检测、检测时间过长以及成本高、生物兼容性差、灵敏度低等问题。

为此目的，本实用新型提供一种微生物检测装置。该微生物检测装置包括：反应室，其用于容纳待检测样本；敏感元件，其与所述反应室连通并且与所述待检测样本接触，用于感测所述待检测样本的PH值变化并根据所述PH值变化产生电荷；以及检测仪，其与所述敏感元件电连通，用于根据所述敏感元件的电荷来确定所述待检 测样本中是否存在微生物以及存在何种微生物，其中所述检测仪是有机薄膜场效应晶体管。

在上述微生物检测装置的优选实施方式中，所述有机薄膜场效应晶体管包括衬底、设置在衬底上的栅极、设置在栅极上的介电层、以及设置在介电层上的源极、漏极和半导体层，并且所述敏感元件采用下列各项设置中的至少一种：所述敏感元件设置在所述衬底上并且与所述栅极电连通或者设置成所述栅极的一部分；所述敏感元件设置成所述介电层的一部分并且与所述栅极、所述源极、所述漏极或所述半导体层电连通；以及所述敏感元件与所述源极、所述漏极或所述半导体层电连通或者设置成所述源极、所述漏极或所述半导体层的一部分。

在上述微生物检测装置的优选实施方式中，所述反应室设置在所述敏感元件的顶部。

在上述微生物检测装置的优选实施方式中，所述反应室的体积大小设置成使得单个微生物在所述反应室中的状态改变所导致的PH值变化也能被检测到，并且使得所述反应室既能容纳微生物又能防止更大的哺乳动物细胞进入所述反应室。

在上述微生物检测装置的优选实施方式中，所述反应室的体积在1微升到1纳升的范围内。

在上述微生物检测装置的优选实施方式中，所述介电层上还设置有控制器，该控制器用于控制所述有机薄膜场效应晶体管的参数以便适应不同的检测对象和检测需求。

从上面的描述可以看出，本实用新型充分利用有机薄膜场效应晶体管(organic thin-film transistor,OTFT)高电子迁移率、高灵敏度的优势来快速检测微生物的行为。具体来说，将样本置于适于样本中微生物生长的条件中，能够实时地快速检测到样本中微生物的指标变化(例如二氧化碳浓度的变化所引起的PH值变化)，从而快速确定样本中是否存在微生物。此外，还可以根据这个数据绘制微生物生长曲线。通过对比获得的生长曲线与已知的标准微生物生长曲线，还可以鉴定样本中的微生物是何种微生物。再者，也可以监测样本成分的添加(如抗生素)所导致的增长率或细胞代谢活动的变化。

本领域技术人员容易理解的是，由于采用有机薄膜场效应晶体管作为检测仪，本实用新型的检测装置具有多个优势：1)可以实时监测微生物的培养并快速确定微生物是否存在以及微生物的种类；2)自身兼备信号转化和放大功能，便于与后续的信号处理电路集成；3)易于微型化，可以用于制备集成度高、检测功能复杂的芯片；4)利用可溶性的有机半导体、绝缘层材料，可以通过低温印刷工艺加工制备，并有利于选择耐热性差、普适化的衬底材料，从而可以大幅降低成本和生产能耗，提高生产效率。

附图说明

图1示出了根据本实用新型的微生物检测装置的结构图。

图2示出了多个根据本实用新型的微生物检测装置集成在一起的示意图。

图3示出了根据本实用新型的微生物检测方法的流程图。

具体实施方式

首先需要说明的是，下面将结合优选实施方式来描述本实用新型的技术方案。但是，本领域技术人员容易理解的是，本实用新型的技术方案显然不限于所述实施方式中的各种细节。在不偏离本实用新型的原理－即使用OTFT进行微生物检测的前提下，可以对所述实施方式作出各种改变，这些不需要付出任何创造性劳动，因此也将落入本实用新型的保护范围之内。

具体来说，如图1所示，本实用新型的微生物检测装置230包括：反应室18，其用于容纳培养液10；敏感元件11，其与反应室18连通并且与培养液10接触，用于感测培养液10的PH值变化并根据所述PH值变化产生电荷；以及检测仪，其与敏感元件11电连通，用于根据敏感元件11的电荷来确定培养液10中是否存在微生物以及存在何种微生物。根据本实用新型的技术方案，所述检测仪是有机薄膜场效应晶体管－即OTFT。

更具体地，所述有机薄膜场效应晶体管包括衬底12、设置在衬底上的栅极13、设置在栅极13上的介电层14、以及设置在介电层14上的源极17、漏极16和半导体层19。如图所示，敏感元件11也设置 在衬底12上并且与栅极13电连通。应当指出的是，尽管在图1中敏感元件11位于栅极13的右侧，但是这种位置关系仅仅是示例性，本领域技术人员可以根据具体应用对此作出调整，这种调整并不背离本实用新型的原理。类似地，尽管图1中的敏感元件11被示出为位于反应室18的底部，这种位置关系也是示例性的，本领域技术人员可以根据具体应用对此作出调整，只要敏感元件11能够感测到反应室18中的待检测样本－即培养液的PH值变化即可。优选地，所述反应室18可以与敏感元件11集成为单个元件，并且所述敏感元件11可以设置成所述栅极13的一部分－即反应室18直接设置在栅极13的顶部。备选地，所述敏感元件11可以设置成介电层14的一部分(例如其右侧部分)并且与栅极13、源极17、漏极16或半导体层19电连通，或者所述敏感元件11可以与源极17、漏极16或半导体层19电连通或者设置成源极17、漏极16或半导体层19的一部分。总而言之，只要敏感元件11能够感测到反应室18中的待检测样本的PH值变化并能因此使所述有机薄膜场效应晶体管的沟道电流发生变化即可。当然，如图1所示，最优选的设置是敏感元件11设置成栅极13的一部分或者与栅极13电连通，从而通过栅极13来改变所述有机薄膜场效应晶体管的沟道电流。

此外，敏感元件11的材料可以是金属、也可以是半导体，如硅、二氧化硅。当反应室18中的培养液的PH值发生改变时，会引起分子内电荷的转移，从而引起敏感元件11上的电荷重新分布，根据敏感元件11设置位置，所述电荷最终被耦合到所述晶体管中使沟道电流发生相应的变化。根据沟道电流的变化曲线可以确定培养液中是否存在微生物，并且通过与现有的微生物生长曲线相比较可以确定微生物的种类。

优选地，所述反应室18的体积大小设置成使得单个微生物在所述反应室中的状态改变所导致的PH值变化也能被所述有机薄膜场效应晶体管检测到，并且使得所述反应室18既能容纳微生物又能防止更大的哺乳动物细胞进入所述反应室18，从而避免得出错误的检测结果。更优选地，所述反应室18的体积可以在1微升到1纳升的范围内。此外，如图1所示，介电层14上还设置有控制器15，该控制器15用于控制所述有机薄膜场效应晶体管的参数以便适应不同的检测对 象和检测需求。所述控制器15例如可以是控制栅，并且其位置可以根据需要任意选择，而不必局限于图1所示。

接下来参阅图2，该图示出了多个根据本实用新型的微生物检测装置集成在一起的示意图。如图2所示，多个根据本实用新型的微生物检测装置230集成到了同一衬底上，从而形成了OTFT晶体管阵列220。

下面参阅图3，该图示出了根据本实用新型的微生物检测方法200的流程图。在步骤100中，首先提供上述微生物检测装置，该检测装置利用OTFT作为检测仪。在步骤101中，将培养液10放入反应室18中。在步骤102中，微生物在培养液10中的生长导致培养液10的PH值发生变化。在步骤103中，所述PH值变化导致敏感元件11产生电荷。在步骤104中，敏感元件11的电荷导致栅极13、源极17、漏极16或半导体层19上的感应电荷重新分布。接下来在步骤105中，栅极13、源极17、漏极16或半导体层19上的感应电荷重新分布通过电极耦合电容作用引起源极17和漏极16之间的电势发生变化。之后在步骤106中，源极17和漏极16之间的电势变化导致所述有机薄膜场效应晶体管的沟道电流发生变化。最后在步骤107中，本实用新型的方法根据所述沟道电流的变化曲线来确定培养液中是否存在微生物以及存在何种微生物。

本领域技术人员容易理解的是，反应室18的截面和开口可以是任何形状，包括但不限于矩形、立方形或圆柱形。反应室18的壁可以垂直的、倾斜的或任何其他造型。如上所述，可以通过优化反应室的大小使其能够容纳一个、两个、或者更多微生物。也可以通过控制微生物的数量来增加检测的灵敏度并缩短检测时间。

从具体反应的角度来讲，反应室18中被放入培养液10，可以利用外界环境控制培养条件，当有活的微生物进入反应室中并生长时，其有氧呼吸的方程是C₆H₁₂O₆+6O₂＝6H₂O+6CO₂+ATP，二氧化碳溶解在水中生成碳酸，碳酸的产生导致培养液的PH值发生变化。不同的生物体之间在代谢过程中或每个细胞分裂过程中所产生的质子或CO₂的量及细胞分裂的时间都是不同的。一旦敏感元件因培养液PH值变化而感应到电荷，就会在栅极13上产生感应电荷的重新分布，通过电极耦合电容作用，引起栅极17、16的电势发生变化。如果栅极17、 16因为探测到生物电信号而产生电势变化，那么沟道电流就可能产生成百上千倍的变化。也就是说，生物信号可以通过电学方法经OTFT放大很多倍而被检测到。有机薄膜晶体管OTFT因为载流子迁移率比现有的硅基晶体管高很多倍，其灵敏度也相应提高，进而可以在细胞分裂早期就进行检测监督，并且可以在更短的时间内识别出诸如传染性微生物等，为后续决策提供充分的保障。

更具体地，与现有技术相比，本实用新型的技术效果在于可以实时监测微生物的培养过程。微生物的生命活动过程会自动改变外界环境的PH值，其中PH改变有变酸和变碱两种过程，在一般微生物的培养中往往以变酸占优势。因此，随着培养时间延长，培养基的PH值会逐渐下降。在现有的培养体系下，无法对微生物培养过程的PH值进行监测，只能每隔一段时间进行一次测量，同时由于培养体系很大，因此很难在培养刚开始阶段就进行监测，只能在培养进行一段时间以后(例如4小时)以后才能检测出来。这样的问题在于，很难知道培养是否在发生。如果在较长时间以后才发现培养并未发生，则会导致时间损失。利用OTFT进行微生物检测可以有效解决这一问题。首先在微流体系下微生物的每一次生长都对体系的PH值影响较大，其次OTFT的高敏感度又能灵敏检测到这种PH值的变化，从而可以在最初阶段就实现对微生物培养的实时监测。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本实用新型的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本实用新型的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本实用新型的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种微生物检测装置，其特征在于包括：

反应室，其用于容纳待检测样本；

敏感元件，其与所述反应室连通并且与所述待检测样本接触，用于感测所述待检测样本的PH值变化并根据所述PH值变化产生电荷；以及

检测仪，其与所述敏感元件电连通，用于根据所述敏感元件的电荷来确定所述待检测样本中是否存在微生物以及存在何种微生物，

其中所述检测仪是有机薄膜场效应晶体管。

2.如权利要求1所述的微生物检测装置，其特征在于，所述有机薄膜场效应晶体管包括衬底、设置在衬底上的栅极、设置在栅极上的介电层、以及设置在介电层上的源极、漏极和半导体层，并且，

所述敏感元件采用下列各项设置中的至少一种：

所述敏感元件设置在所述衬底上并且与所述栅极电连通或者设置成所述栅极的一部分；

所述敏感元件设置成所述介电层的一部分并且与所述栅极、所述源极、所述漏极或所述半导体层电连通；以及

所述敏感元件与所述源极、所述漏极或所述半导体层电连通或者设置成所述源极、所述漏极或所述半导体层的一部分。

3.如权利要求2所述的微生物检测装置，其特征在于，所述反应室设置在所述敏感元件的顶部。

4.如权利要求1至3中任一项所述的微生物检测装置，其特征在于，所述反应室的体积在1微升到1纳升的范围内。

5.如权利要求1至3中任一项所述的微生物检测装置，其特征在于，所述介电层上还设置有控制器，该控制器用于控制所述有机薄膜场效应晶体管的参数以便适应不同的检测对象和检测需求。