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基本信息

項(xiàng)目名稱：
食源性致病菌阻抗芯片檢測(cè)微系統(tǒng)
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
針對(duì)食源性致病菌檢測(cè)分析中存在耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題，基于介電電泳、阻抗檢測(cè)、微機(jī)電加工（MEMS）、集成電路設(shè)計(jì)等技術(shù)，研發(fā)了食源性致病菌阻抗芯片檢測(cè)微系統(tǒng)，其由集成阻抗檢測(cè)芯片、集成電路控制PCB板、激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生與控制、響應(yīng)信號(hào)采集與顯示、計(jì)算機(jī)等單元組成。其對(duì)大腸桿菌檢測(cè)信噪比大于3，檢測(cè)時(shí)間為5min。 本作品可為食源性致病菌的快速檢測(cè)提供高效、實(shí)用的測(cè)試微系統(tǒng)和測(cè)試新方法。
詳細(xì)介紹：
針對(duì)食源性致病菌分析中存在的耗時(shí)長(zhǎng)、系統(tǒng)集成和微型化不夠及致病菌定量分析方法不成熟等問(wèn)題，本作品提出食源性致病菌阻抗芯片檢測(cè)微系統(tǒng)，建立致病菌快速、高效的定量分析新途徑和新方法。本作品對(duì)于食品安全衛(wèi)生檢測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)、臨床診斷等研究領(lǐng)域都有著重要研究意義和良好的潛在應(yīng)用前景。 本作品基于芯片介電電泳（dielectrophoresis, DEP）和阻抗（Impedance，IM）檢測(cè)原理，首先設(shè)計(jì)了具有陣列對(duì)電極和叉指式電極芯片，借助微機(jī)電加工技術(shù)（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）完成了芯片的制作，對(duì)加工的芯片進(jìn)行尺寸結(jié)構(gòu)表征和電場(chǎng)模擬，結(jié)果表明芯片滿足設(shè)計(jì)和研發(fā)要求。以細(xì)菌阻抗檢測(cè)芯片為核心，結(jié)合集成電路設(shè)計(jì)制作技術(shù)及細(xì)菌介電電泳操縱與阻抗檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)制作應(yīng)用于致病菌檢測(cè)的食源性致病菌阻抗芯片檢測(cè)微系統(tǒng)，其由細(xì)菌阻抗檢測(cè)芯片、集成檢測(cè)電路、激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生與控制單元、響應(yīng)信號(hào)采集與顯示單元和計(jì)算機(jī)組成，各部分通過(guò)控制電路連接組成一套完整穩(wěn)定的細(xì)菌阻抗芯片檢測(cè)微系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的大小為20cm×15cm×10cm。 基于所構(gòu)建的食源性致病菌阻抗芯片檢測(cè)微系統(tǒng)，通過(guò)阻抗檢測(cè)響應(yīng)信號(hào)對(duì)微流控芯片上檢測(cè)區(qū)域等效電路模擬，結(jié)合細(xì)菌本身電性質(zhì)，對(duì)阻抗響應(yīng)信號(hào)與細(xì)菌濃度之間的關(guān)系進(jìn)行了探索與分析研究，建立了致病菌檢測(cè)分析的新技術(shù)和新方法。在檢測(cè)電壓10V，檢測(cè)頻率200/500KHz的優(yōu)化操作條件下，阻抗檢測(cè)響應(yīng)信號(hào)Y1（mV）與溶液中細(xì)菌濃度C（CFU/mL）呈線性關(guān)系Y1=5.856×10-6C+98，相關(guān)系數(shù)為0.972，RSD=6.52%；介電電泳阻抗檢測(cè)響應(yīng)Y2（mV）與溶液中細(xì)菌濃度C（CFU/mL）呈線性關(guān)系Y2=5.912×10-6C+133，相關(guān)系數(shù)為0.97，RSD=6.71%。樣本分析結(jié)果顯示，對(duì)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)6-7個(gè)大腸桿菌有明顯響應(yīng)，檢測(cè)的信噪比大于3，5min內(nèi)可完成樣本中致病菌的檢測(cè)分析。 作品成員以第1作者身份共發(fā)表論文5篇，其中SCI期刊收錄3篇，EI期刊收錄1篇。作品成員以第1作者身份在審論文3篇。

作品圖片

  • 食源性致病菌阻抗芯片檢測(cè)微系統(tǒng)
  • 食源性致病菌阻抗芯片檢測(cè)微系統(tǒng)
  • 食源性致病菌阻抗芯片檢測(cè)微系統(tǒng)

作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

1.研究目的 針對(duì)食源性致病菌檢測(cè)中存在的耗時(shí)長(zhǎng)、對(duì)儀器設(shè)備要求高等問(wèn)題，擬研發(fā)食源性致病菌阻抗芯片檢測(cè)微系統(tǒng)，建立高效、快速的致病菌定量分析新方法。 2.設(shè)計(jì)思路 基于芯片介電電泳、電化學(xué)阻抗檢測(cè)、MEMS加工以及集成電路設(shè)計(jì)等技術(shù)，提出了集成介電電泳分離富集和原位阻抗檢測(cè)的致病菌阻抗檢測(cè)芯片設(shè)計(jì)，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建食源性致病菌阻抗芯片檢測(cè)微系統(tǒng)，進(jìn)行微系統(tǒng)搭建與致病菌檢測(cè)定量分析方法研究。 3. 關(guān)鍵技術(shù) ① 介電電泳（DEP）-阻抗檢測(cè)（IM）芯片設(shè)計(jì)和制作； ② 集激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生與控制、響應(yīng)信號(hào)采集與顯示、阻抗檢測(cè)器等電路單元于一體，構(gòu)建微系統(tǒng)； ③ 探索阻抗信號(hào)與細(xì)菌濃度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立致病菌快速高效定量分析方法。 4. 創(chuàng)新點(diǎn) ① 設(shè)計(jì)制作含介電電泳與阻抗檢測(cè)雙重功能的集成微電極結(jié)構(gòu)與微管道結(jié)構(gòu)的芯片； ② 設(shè)計(jì)制作阻抗檢測(cè)器、激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生與制作、響應(yīng)信號(hào)采集與顯示單元，構(gòu)建食源性致病菌阻抗芯片檢測(cè)微系統(tǒng)； ③ 建立高效的食源性致病菌快速定量分析方法。 5. 作品主要技術(shù)指標(biāo) 原理樣機(jī)技術(shù)指標(biāo)如下： ①細(xì)菌阻抗檢測(cè)芯片：2塊； ②微系統(tǒng)尺寸：20cm×15cm×10cm ③檢測(cè)電壓：10V ④檢測(cè)頻率：200KHz/500KHz ⑤信噪比：大于3

科學(xué)性、先進(jìn)性

① 國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述顯示，作品提出的食源性致病菌阻抗芯片檢測(cè)微系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案具有理論與技術(shù)基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)研究顯示，構(gòu)建的食源性致病菌阻抗芯片檢測(cè)微系統(tǒng)可行。采用MEMS技術(shù)獲得細(xì)菌阻抗檢測(cè)芯片，顯微與模擬結(jié)果顯示芯片具有介電電泳與阻抗檢測(cè)的雙重功能；通過(guò)IC技術(shù)獲得系統(tǒng)的集成控制電路并組建出作品的微系統(tǒng)，模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明微系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。實(shí)驗(yàn)優(yōu)化大腸桿菌介電電泳捕獲和阻抗檢測(cè)的測(cè)試條件，建立了高效快速分析的方法，顯示作品的有效性。 ② 作品的先進(jìn)性體現(xiàn)在：其集激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生與控制、響應(yīng)信號(hào)采集與顯示和阻抗檢測(cè)等單元于一體的設(shè)計(jì)理念，由此構(gòu)建的具有介電電泳富集、原位阻抗檢測(cè)功能的“食源性致病菌阻抗芯片檢測(cè)微系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)致病菌快速高效定量分析?？萍疾樾嘛@示：在所檢國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)范圍內(nèi)，未見(jiàn)與本作品所構(gòu)建的阻抗芯片檢測(cè)微系統(tǒng)類同的文獻(xiàn)報(bào)道。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

無(wú)

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室研究階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無(wú)

作品可展示的形式

本作品以實(shí)物形式展示

使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

1.使用說(shuō)明 ① 打開(kāi)微系統(tǒng)，開(kāi)啟電腦，啟動(dòng)程序，設(shè)置參數(shù)，采集信號(hào)； ② 切換進(jìn)樣閥，通入待測(cè)溶液，按照程序進(jìn)行處理與檢測(cè)，完成信號(hào)采集與處理； ③ 保存數(shù)據(jù)，關(guān)閉微系統(tǒng)和電腦，清洗芯片。 2.作品技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì) 作品構(gòu)建了食源性致病菌阻抗芯片檢測(cè)微系統(tǒng)， 建立快速、高效的致病菌定量分析方法，實(shí)現(xiàn)了集成化、微型化，具有體積小、操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)時(shí)間短的特點(diǎn)。 3、適應(yīng)范圍、技術(shù)推廣、市場(chǎng)分析與經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè) 該微系統(tǒng)適用于食品安全和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中致病菌快速、高效檢測(cè)。本作品在致病菌快速檢測(cè)技術(shù)方面有突破，相關(guān)技術(shù)具有技術(shù)輻射作用，為儀器小型化提供技術(shù)借鑒。 微系統(tǒng)與方法在食品安全和環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有廣闊的市場(chǎng)需求。隨著該微系統(tǒng)的自動(dòng)化發(fā)展，應(yīng)用將平民化，將大幅度提高該微系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

同類課題研究水平概述

20世紀(jì)90年代提出的微全分析系統(tǒng)（μ-TAS），其基于微機(jī)電加工（MEMS）技術(shù)，將分析實(shí)驗(yàn)室功能集成到小芯片上，為細(xì)菌檢測(cè)帶來(lái)了新機(jī)遇和新途徑。通過(guò)文獻(xiàn)總結(jié)和查新，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究分別集中在芯片介電電泳和阻抗分析兩個(gè)方面，而本作品將相關(guān)研究有機(jī)結(jié)合，具有明確的創(chuàng)新和特色。相關(guān)文獻(xiàn)綜述如下： 1.芯片介電電泳研究進(jìn)展 目前芯片介電電泳用于細(xì)菌操縱的理論和實(shí)驗(yàn)研究在國(guó)內(nèi)外發(fā)展迅速。芯片介電電泳的核心在微電極設(shè)計(jì)、操作模式選擇組建。 DEP芯片主要有金屬電極和絕緣式電極。激發(fā)源為交流信號(hào)，則采用金屬電極；激發(fā)源為直流信號(hào)，則用絕緣式電極。微電極主要有叉指式電極、堡式電極、拋物線電極和三維電極。Pethig通過(guò)顯微鏡觀察，在拋物線電極上實(shí)現(xiàn)了酵母菌的定位與富集。 DEP操縱模式分為靜態(tài)原位富集、芯片DEP與流體力學(xué)耦合、DEP與激光鑷子耦合等。Hadi Shafiee等根據(jù)介電電泳原理，設(shè)計(jì)制作非接觸式介電電泳（contactless DEP, c-DEP）系統(tǒng)，并通過(guò)THP-1白血病細(xì)胞捕獲實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。 2.芯片阻抗檢測(cè)研究進(jìn)展 芯片阻抗檢測(cè)關(guān)鍵在芯片設(shè)計(jì)與制作、等效電路模擬分析以及檢測(cè)模式的選擇。 在阻抗檢測(cè)芯片設(shè)計(jì)中，電極材料對(duì)阻抗檢測(cè)靈敏度起重要作用。常用電極材料有金、鉑、鈦及ITO。電極形狀、間距、寬度、長(zhǎng)度、厚度等因素對(duì)檢測(cè)靈敏度有重要影響。Stulik等深入研究了微電極對(duì)阻抗檢測(cè)靈敏度影響。Yang設(shè)計(jì)等效電路解釋微陣列電極的行為。Gomez采用理論等效電路來(lái)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 3.細(xì)菌阻抗檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展 國(guó)內(nèi)外芯片細(xì)菌阻抗檢測(cè)主要分為以下四種模式：（1）通過(guò)細(xì)菌代謝活動(dòng)進(jìn)行阻抗測(cè)定，Owicki等作了相關(guān)研究；（2）利用細(xì)菌膜的電絕緣性進(jìn)行阻抗檢測(cè)，Bayoudh基于此原理研究了細(xì)菌吸附動(dòng)力學(xué)；（3）利用細(xì)菌內(nèi)液的高電導(dǎo)率進(jìn)行阻抗檢測(cè)，Suehiro等利用電穿透提高細(xì)菌阻抗檢測(cè)靈敏度；（4）Yang提出利用細(xì)菌溶液在微電極表面的阻抗特性對(duì)細(xì)菌進(jìn)行定量分析。 在微系統(tǒng)研究方面，David等集成商品化阻抗分析儀和熒光檢測(cè)儀，構(gòu)建了細(xì)菌阻抗-熒光檢測(cè)系統(tǒng)。 國(guó)內(nèi)外尚無(wú)將細(xì)菌介電電泳與阻抗檢測(cè)兩種技術(shù)有機(jī)耦合，并構(gòu)建集成化微系統(tǒng)的研究報(bào)道。
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