基本信息
- 项目名称：
- 食源性致病菌阻抗芯片检测微系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 针对食源性致病菌检测分析中存在耗时长的问题，基于介电电泳、阻抗检测、微机电加工（MEMS）、集成电路设计等技术，研发了食源性致病菌阻抗芯片检测微系统，其由集成阻抗检测芯片、集成电路控制PCB板、激励信号产生与控制、响应信号采集与显示、计算机等单元组成。其对大肠杆菌检测信噪比大于3，检测时间为5min。 本作品可为食源性致病菌的快速检测提供高效、实用的测试微系统和测试新方法。
- 详细介绍：
- 针对食源性致病菌分析中存在的耗时长、系统集成和微型化不够及致病菌定量分析方法不成熟等问题，本作品提出食源性致病菌阻抗芯片检测微系统，建立致病菌快速、高效的定量分析新途径和新方法。本作品对于食品安全卫生检测和环境监测、临床诊断等研究领域都有着重要研究意义和良好的潜在应用前景。 本作品基于芯片介电电泳（dielectrophoresis, DEP）和阻抗（Impedance，IM）检测原理，首先设计了具有阵列对电极和叉指式电极芯片，借助微机电加工技术（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）完成了芯片的制作，对加工的芯片进行尺寸结构表征和电场模拟，结果表明芯片满足设计和研发要求。以细菌阻抗检测芯片为核心，结合集成电路设计制作技术及细菌介电电泳操纵与阻抗检测方法，设计制作应用于致病菌检测的食源性致病菌阻抗芯片检测微系统，其由细菌阻抗检测芯片、集成检测电路、激励信号产生与控制单元、响应信号采集与显示单元和计算机组成，各部分通过控制电路连接组成一套完整稳定的细菌阻抗芯片检测微系统，整个系统的大小为20cm×15cm×10cm。 基于所构建的食源性致病菌阻抗芯片检测微系统，通过阻抗检测响应信号对微流控芯片上检测区域等效电路模拟，结合细菌本身电性质，对阻抗响应信号与细菌浓度之间的关系进行了探索与分析研究，建立了致病菌检测分析的新技术和新方法。在检测电压10V，检测频率200/500KHz的优化操作条件下，阻抗检测响应信号Y1（mV）与溶液中细菌浓度C（CFU/mL）呈线性关系Y1=5.856×10-6C+98，相关系数为0.972，RSD=6.52%；介电电泳阻抗检测响应Y2（mV）与溶液中细菌浓度C（CFU/mL）呈线性关系Y2=5.912×10-6C+133，相关系数为0.97，RSD=6.71%。样本分析结果显示，对检测区域内6-7个大肠杆菌有明显响应，检测的信噪比大于3，5min内可完成样本中致病菌的检测分析。 作品成员以第1作者身份共发表论文5篇，其中SCI期刊收录3篇，EI期刊收录1篇。作品成员以第1作者身份在审论文3篇。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1.研究目的 针对食源性致病菌检测中存在的耗时长、对仪器设备要求高等问题，拟研发食源性致病菌阻抗芯片检测微系统，建立高效、快速的致病菌定量分析新方法。 2.设计思路 基于芯片介电电泳、电化学阻抗检测、MEMS加工以及集成电路设计等技术，提出了集成介电电泳分离富集和原位阻抗检测的致病菌阻抗检测芯片设计，以此为基础构建食源性致病菌阻抗芯片检测微系统，进行微系统搭建与致病菌检测定量分析方法研究。 3. 关键技术 ① 介电电泳（DEP）-阻抗检测（IM）芯片设计和制作； ② 集激励信号产生与控制、响应信号采集与显示、阻抗检测器等电路单元于一体，构建微系统； ③ 探索阻抗信号与细菌浓度之间的对应关系，建立致病菌快速高效定量分析方法。 4. 创新点 ① 设计制作含介电电泳与阻抗检测双重功能的集成微电极结构与微管道结构的芯片； ② 设计制作阻抗检测器、激励信号产生与制作、响应信号采集与显示单元，构建食源性致病菌阻抗芯片检测微系统； ③ 建立高效的食源性致病菌快速定量分析方法。 5. 作品主要技术指标 原理样机技术指标如下： ①细菌阻抗检测芯片：2块； ②微系统尺寸：20cm×15cm×10cm ③检测电压：10V ④检测频率：200KHz/500KHz ⑤信噪比：大于3
科学性、先进性
- ① 国内外文献综述显示，作品提出的食源性致病菌阻抗芯片检测微系统设计方案具有理论与技术基础。实验研究显示，构建的食源性致病菌阻抗芯片检测微系统可行。采用MEMS技术获得细菌阻抗检测芯片，显微与模拟结果显示芯片具有介电电泳与阻抗检测的双重功能；通过IC技术获得系统的集成控制电路并组建出作品的微系统，模拟与实验结果证明微系统可以实现相应的功能。实验优化大肠杆菌介电电泳捕获和阻抗检测的测试条件，建立了高效快速分析的方法，显示作品的有效性。 ② 作品的先进性体现在：其集激励信号产生与控制、响应信号采集与显示和阻抗检测等单元于一体的设计理念，由此构建的具有介电电泳富集、原位阻抗检测功能的“食源性致病菌阻抗芯片检测微系统，可实现致病菌快速高效定量分析。科技查新显示：在所检国内外文献范围内，未见与本作品所构建的阻抗芯片检测微系统类同的文献报道。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室研究阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 本作品以实物形式展示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.使用说明 ① 打开微系统，开启电脑，启动程序，设置参数，采集信号； ② 切换进样阀，通入待测溶液，按照程序进行处理与检测，完成信号采集与处理； ③ 保存数据，关闭微系统和电脑，清洗芯片。 2.作品技术特点与优势 作品构建了食源性致病菌阻抗芯片检测微系统， 建立快速、高效的致病菌定量分析方法，实现了集成化、微型化，具有体积小、操作简单、检测时间短的特点。 3、适应范围、技术推广、市场分析与经济效益预测 该微系统适用于食品安全和环境监测等领域中致病菌快速、高效检测。本作品在致病菌快速检测技术方面有突破，相关技术具有技术辐射作用，为仪器小型化提供技术借鉴。 微系统与方法在食品安全和环境监测领域有广阔的市场需求。随着该微系统的自动化发展，应用将平民化，将大幅度提高该微系统的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 20世纪90年代提出的微全分析系统（μ-TAS），其基于微机电加工（MEMS）技术，将分析实验室功能集成到小芯片上，为细菌检测带来了新机遇和新途径。通过文献总结和查新，国内外相关研究分别集中在芯片介电电泳和阻抗分析两个方面，而本作品将相关研究有机结合，具有明确的创新和特色。相关文献综述如下： 1.芯片介电电泳研究进展 目前芯片介电电泳用于细菌操纵的理论和实验研究在国内外发展迅速。芯片介电电泳的核心在微电极设计、操作模式选择组建。 DEP芯片主要有金属电极和绝缘式电极。激发源为交流信号，则采用金属电极；激发源为直流信号，则用绝缘式电极。微电极主要有叉指式电极、堡式电极、抛物线电极和三维电极。Pethig通过显微镜观察，在抛物线电极上实现了酵母菌的定位与富集。 DEP操纵模式分为静态原位富集、芯片DEP与流体力学耦合、DEP与激光镊子耦合等。Hadi Shafiee等根据介电电泳原理，设计制作非接触式介电电泳（contactless DEP, c-DEP）系统，并通过THP-1白血病细胞捕获实验进行验证。 2.芯片阻抗检测研究进展 芯片阻抗检测关键在芯片设计与制作、等效电路模拟分析以及检测模式的选择。 在阻抗检测芯片设计中，电极材料对阻抗检测灵敏度起重要作用。常用电极材料有金、铂、钛及ITO。电极形状、间距、宽度、长度、厚度等因素对检测灵敏度有重要影响。Stulik等深入研究了微电极对阻抗检测灵敏度影响。Yang设计等效电路解释微阵列电极的行为。Gomez采用理论等效电路来拟合实验数据。 3.细菌阻抗检测技术进展 国内外芯片细菌阻抗检测主要分为以下四种模式：（1）通过细菌代谢活动进行阻抗测定，Owicki等作了相关研究；（2）利用细菌膜的电绝缘性进行阻抗检测，Bayoudh基于此原理研究了细菌吸附动力学；（3）利用细菌内液的高电导率进行阻抗检测，Suehiro等利用电穿透提高细菌阻抗检测灵敏度；（4）Yang提出利用细菌溶液在微电极表面的阻抗特性对细菌进行定量分析。 在微系统研究方面，David等集成商品化阻抗分析仪和荧光检测仪，构建了细菌阻抗-荧光检测系统。 国内外尚无将细菌介电电泳与阻抗检测两种技术有机耦合，并构建集成化微系统的研究报道。
