基本信息
- 项目名称：
- 基于微流体芯片的海洋微生物快速定量检测
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本文报道了可实现海水中常见微生物浓度快速测定和尺寸判定的微流控芯片实验室装置核心。该芯片装置基于库尔特电子检测原理实现海洋微生物定量电子检测，通过计数不同浓度样品单位时间内通过检测通道的生物个数，实验建立并验证了样品浓度预测曲线，用于快速测定样品的浓度；通过使用标准颗粒对芯片进行标定，电子测算了小球藻的尺寸分布。这对于便携式测定装置的制作有重要意义。
- 详细介绍：
- 随着社会经济的快速发展，近岸海域污染加剧、有害赤潮频繁发生等突出问题正受到全世界各国的高度重视，也更凸显出海洋生态环境监测的重要性。研究表明：通过监测海洋环境小尺度时间和空间变化过程对大尺度环境变化具有早期预警作用。如，定期检测水体中指示微生物的数量、尺寸和种属的变化过程，可有效监测和评价水体污染状况，并且利用某些生物的行为变化和生理指标，还可以对水体污染进行定性分析。传统的海洋调查需要由调查船到现场收集样品再在船上实验室或岸上实验室分析，样品消耗量大，分析周期长，而且，样品可能在转移和储存过程中受到污染或发生化学变化。因此，通过开发和应用海洋环境现场观测手段来增加采样频率，提高反映或记录的实时性，显得尤为迫切和重要。 当前海洋微生物监测的主要方法是显微鉴定计数法、藻类在线分析仪和流式细胞法。显微鉴定计数法是通过生物显微镜连续镜检，工作强度大、效率低，同时要求实验人员必须具备丰富的水生生物学知识，能鉴定、识别常见藻类。而藻类在线分析仪是基于藻的色素分析来确定藻的浓度，只能宏观地把藻分为四大类，但无法精确地鉴定藻种并计算藻密度和尺寸。流式细胞仪法是利用细胞被激光束照射后产生荧光的原理进行细胞的计数、分类和尺寸测量，测量结果准确，但是检测结果处理耗时长、要求专业人员处理，而且具有检测成本高等局限性，难以用于现场检测。 微流体芯片实验室（Microfluidic Lab-on-chip），可将常规实验室中涉及的样品制备、生物与化学反应、分离检测等基本操作集成在一块几平方厘米的芯片上，是便携式、自动化生化分析仪器的技术核心。因此，基于微流体芯片技术的库尔特电子计数是面向海洋现场检测和调查便携式快速检测需求的最好解决方案。 本文设计了库尔特电子计数微流体芯片，并搭建了实验室信号检测和处理系统，采用电动进样，实现了海水中不同尺寸藻类的连续自动检测及尺寸判定。本文的研究对于发展基于微流体芯片的海洋生物现场快速电子检测技术原型具有重要意义。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本文针对现有海洋微生物计数装置体积大、结构复杂，不适用于现场使用等不足，提出采用微流控芯片来实现微生物的电子计数和尺寸判定，并通过微流控芯片和微加工，搭建检测系统，开展代表性微生物的电子检测、样品浓度快速测定以及尺寸判定实验室研究。
科学性、先进性及独特之处
- 具有整体现代高科技内涵的微流控芯片实验室（MicrofluidicLab-on-chip），是便携式分析仪器的技术核心。本研究提出采用电动微流控芯片来实现样品从进样到检测过程的全自动化定量检测，无需任何外部的泵、阀等辅助器件，从本质上方便了向功能齐全的便携式分析仪器的集成，用于现场快速检测。
应用价值和现实意义
- 开展便携式海洋微生物定量检测技术的研究对于开展海洋环境现场监测和调查、保护海洋环境具有重要意义，但目前很多检测仪器存在体积庞大、结构复杂、价格昂贵等不足。本项目提出采用电动微流控芯片来定量检测海洋微生物，有望从本质上实现仪器的便携化和全自动化，具有巨大的应用潜力。另外，本研究对于发展具有独立知识产权的便携化分析仪器，提高源头创新能力也具有重要的意义。
学术论文摘要
- 芯片实验室（lab-on-chip），被喻为21世纪生命科学的支撑技术，是便携式生化分析仪器的技术核心。该技术是通过构建微尺度的通道，将生物和化学等领域所涉及的样品制备、生物与化学反应分离与检测等基本操作单元集成到一块几平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化学反应过程，能够在短时间内分析大量的生物分子，准确获取样品中的大量信息，信息量是传统检测手段的成百上千倍。 本文报道了可实现海水中常见微生物浓度快速测定和尺寸判定的微流控芯片实验室装置。该芯片装置基于库尔特电子检测原理实现海洋微生物定量电子检测，通过计数不同浓度样品单位时间内通过检测通道的生物个数，实验建立并验证了样品浓度预测曲线，用于快速测定样品的浓度；通过使用标准颗粒对芯片进行标定，电子测算了小球藻的尺寸分布。本文设计的微流控芯片微生物电子检测装置具有简单、可靠及完全自动等优点，可发展成为便携式的快速检测仪器，在海洋坏境现场快速监测等领域具有广阔的应用空间。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 本文采用微流体芯片技术，实现海洋微生物定量检测，为便携式检测装置的研发提供核心技术，有着重大意义。
参考文献
- 1.Valdes J R, Price J F. A neutrally buoyant, upper ocean sediment trap[ J ]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2000, 17(1): 62-68. 2.Yongxin Song, Hongpeng Zhang. AnalyticaChimicaActa 681 (2010): 82-86. 3.Paauas, Cowles Jr U J．J Exp Bot, 1978, 29: 1011. 4.Brussaard C, Thyrhaug R, Dominique M, et al．J Phycol，1999．35：941. 5.D.P.Schrμm,C.T.CμLbertson,S.C.Jacobson,J.M.Ramsey,Anal.Chem.71(1999):4173-4177.
同类课题研究水平概述
- 开展基于微流体芯片的电子检测技术的研究是目前世界范围内的热点和前沿，这主要是由于微流体芯片极易集成为便携式或手持式的检测装置，而各种极端环境，如深空、深海探测、环境现场检测以及其它大型常规仪器无法开展使用的场合，对定量检测都有较强的需求。 目前有多个学者开展了微流体芯片生物电子检测的研究，其中比较著名的是美国的Jiang Zhe领导的课题组，但主要关注与定性检测以及高精度的单分子水平的检测。另外，我国的浙江大学以及清华大学的课题组也开展了一些初步定性研究。 微流体芯片电子检测的核心是提高信噪比。提高信噪比可从提高信号幅值和降低噪音幅值两方面入手，常规的提高信号幅值的方法是利用先进的微纳加工技术来减少检测通道的尺寸。但目前微纳加工技术存在极限，且成本很高。我们的思路是设计对称两路检测通道，后续采用差分放大，从而可极大提高信噪比。该设计目前已申请多国专利。 微流体芯片微生物定量检测的难点在于浓度快速判定。由于样品全部通过微流体芯检测区域费时长，而且很难保证样品全部通过，因此无法通过让样品全部流过检测区域的方法进行浓度测定。本文提出建立样本浓度—单位时间通过监测区域藻类数目的相关曲线来实现样品浓度的快速测定。 本文在通过芯片设计来提高信噪比以及样品快速浓度判定方法两方面的研究处于国际领先水平。
