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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于微流體芯片的海洋微生物快速定量檢測(cè)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 自然科學(xué)類(lèi)學(xué)術(shù)論文
- 簡(jiǎn)介：
- 本文報(bào)道了可實(shí)現(xiàn)海水中常見(jiàn)微生物濃度快速測(cè)定和尺寸判定的微流控芯片實(shí)驗(yàn)室裝置核心。該芯片裝置基于庫(kù)爾特電子檢測(cè)原理實(shí)現(xiàn)海洋微生物定量電子檢測(cè)，通過(guò)計(jì)數(shù)不同濃度樣品單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)檢測(cè)通道的生物個(gè)數(shù)，實(shí)驗(yàn)建立并驗(yàn)證了樣品濃度預(yù)測(cè)曲線，用于快速測(cè)定樣品的濃度；通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)顆粒對(duì)芯片進(jìn)行標(biāo)定，電子測(cè)算了小球藻的尺寸分布。這對(duì)于便攜式測(cè)定裝置的制作有重要意義。
- 詳細(xì)介紹：
- 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，近岸海域污染加劇、有害赤潮頻繁發(fā)生等突出問(wèn)題正受到全世界各國(guó)的高度重視，也更凸顯出海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要性。研究表明：通過(guò)監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境小尺度時(shí)間和空間變化過(guò)程對(duì)大尺度環(huán)境變化具有早期預(yù)警作用。如，定期檢測(cè)水體中指示微生物的數(shù)量、尺寸和種屬的變化過(guò)程，可有效監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)水體污染狀況，并且利用某些生物的行為變化和生理指標(biāo)，還可以對(duì)水體污染進(jìn)行定性分析。傳統(tǒng)的海洋調(diào)查需要由調(diào)查船到現(xiàn)場(chǎng)收集樣品再在船上實(shí)驗(yàn)室或岸上實(shí)驗(yàn)室分析，樣品消耗量大，分析周期長(zhǎng)，而且，樣品可能在轉(zhuǎn)移和儲(chǔ)存過(guò)程中受到污染或發(fā)生化學(xué)變化。因此，通過(guò)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用海洋環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)手段來(lái)增加采樣頻率，提高反映或記錄的實(shí)時(shí)性，顯得尤為迫切和重要。 當(dāng)前海洋微生物監(jiān)測(cè)的主要方法是顯微鑒定計(jì)數(shù)法、藻類(lèi)在線分析儀和流式細(xì)胞法。顯微鑒定計(jì)數(shù)法是通過(guò)生物顯微鏡連續(xù)鏡檢，工作強(qiáng)度大、效率低，同時(shí)要求實(shí)驗(yàn)人員必須具備豐富的水生生物學(xué)知識(shí)，能鑒定、識(shí)別常見(jiàn)藻類(lèi)。而藻類(lèi)在線分析儀是基于藻的色素分析來(lái)確定藻的濃度，只能宏觀地把藻分為四大類(lèi)，但無(wú)法精確地鑒定藻種并計(jì)算藻密度和尺寸。流式細(xì)胞儀法是利用細(xì)胞被激光束照射后產(chǎn)生熒光的原理進(jìn)行細(xì)胞的計(jì)數(shù)、分類(lèi)和尺寸測(cè)量，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，但是檢測(cè)結(jié)果處理耗時(shí)長(zhǎng)、要求專(zhuān)業(yè)人員處理，而且具有檢測(cè)成本高等局限性，難以用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。 微流體芯片實(shí)驗(yàn)室（Microfluidic Lab-on-chip），可將常規(guī)實(shí)驗(yàn)室中涉及的樣品制備、生物與化學(xué)反應(yīng)、分離檢測(cè)等基本操作集成在一塊幾平方厘米的芯片上，是便攜式、自動(dòng)化生化分析儀器的技術(shù)核心。因此，基于微流體芯片技術(shù)的庫(kù)爾特電子計(jì)數(shù)是面向海洋現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和調(diào)查便攜式快速檢測(cè)需求的最好解決方案。 本文設(shè)計(jì)了庫(kù)爾特電子計(jì)數(shù)微流體芯片，并搭建了實(shí)驗(yàn)室信號(hào)檢測(cè)和處理系統(tǒng)，采用電動(dòng)進(jìn)樣，實(shí)現(xiàn)了海水中不同尺寸藻類(lèi)的連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)及尺寸判定。本文的研究對(duì)于發(fā)展基于微流體芯片的海洋生物現(xiàn)場(chǎng)快速電子檢測(cè)技術(shù)原型具有重要意義。
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作品專(zhuān)業(yè)信息
撰寫(xiě)目的和基本思路
- 本文針對(duì)現(xiàn)有海洋微生物計(jì)數(shù)裝置體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適用于現(xiàn)場(chǎng)使用等不足，提出采用微流控芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)微生物的電子計(jì)數(shù)和尺寸判定，并通過(guò)微流控芯片和微加工，搭建檢測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)展代表性微生物的電子檢測(cè)、樣品濃度快速測(cè)定以及尺寸判定實(shí)驗(yàn)室研究。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 具有整體現(xiàn)代高科技內(nèi)涵的微流控芯片實(shí)驗(yàn)室（MicrofluidicLab-on-chip），是便攜式分析儀器的技術(shù)核心。本研究提出采用電動(dòng)微流控芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)樣品從進(jìn)樣到檢測(cè)過(guò)程的全自動(dòng)化定量檢測(cè)，無(wú)需任何外部的泵、閥等輔助器件，從本質(zhì)上方便了向功能齊全的便攜式分析儀器的集成，用于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 開(kāi)展便攜式海洋微生物定量檢測(cè)技術(shù)的研究對(duì)于開(kāi)展海洋環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和調(diào)查、保護(hù)海洋環(huán)境具有重要意義，但目前很多檢測(cè)儀器存在體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴等不足。本項(xiàng)目提出采用電動(dòng)微流控芯片來(lái)定量檢測(cè)海洋微生物，有望從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)儀器的便攜化和全自動(dòng)化，具有巨大的應(yīng)用潛力。另外，本研究對(duì)于發(fā)展具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的便攜化分析儀器，提高源頭創(chuàng)新能力也具有重要的意義。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 芯片實(shí)驗(yàn)室（lab-on-chip），被喻為21世紀(jì)生命科學(xué)的支撐技術(shù)，是便攜式生化分析儀器的技術(shù)核心。該技術(shù)是通過(guò)構(gòu)建微尺度的通道，將生物和化學(xué)等領(lǐng)域所涉及的樣品制備、生物與化學(xué)反應(yīng)分離與檢測(cè)等基本操作單元集成到一塊幾平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，能夠在短時(shí)間內(nèi)分析大量的生物分子，準(zhǔn)確獲取樣品中的大量信息，信息量是傳統(tǒng)檢測(cè)手段的成百上千倍。 本文報(bào)道了可實(shí)現(xiàn)海水中常見(jiàn)微生物濃度快速測(cè)定和尺寸判定的微流控芯片實(shí)驗(yàn)室裝置。該芯片裝置基于庫(kù)爾特電子檢測(cè)原理實(shí)現(xiàn)海洋微生物定量電子檢測(cè)，通過(guò)計(jì)數(shù)不同濃度樣品單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)檢測(cè)通道的生物個(gè)數(shù)，實(shí)驗(yàn)建立并驗(yàn)證了樣品濃度預(yù)測(cè)曲線，用于快速測(cè)定樣品的濃度；通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)顆粒對(duì)芯片進(jìn)行標(biāo)定，電子測(cè)算了小球藻的尺寸分布。本文設(shè)計(jì)的微流控芯片微生物電子檢測(cè)裝置具有簡(jiǎn)單、可靠及完全自動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，可發(fā)展成為便攜式的快速檢測(cè)儀器，在海洋壞境現(xiàn)場(chǎng)快速監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。
獲獎(jiǎng)情況
- 無(wú)
鑒定結(jié)果
- 本文采用微流體芯片技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海洋微生物定量檢測(cè)，為便攜式檢測(cè)裝置的研發(fā)提供核心技術(shù)，有著重大意義。
參考文獻(xiàn)
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同類(lèi)課題研究水平概述
- 開(kāi)展基于微流體芯片的電子檢測(cè)技術(shù)的研究是目前世界范圍內(nèi)的熱點(diǎn)和前沿，這主要是由于微流體芯片極易集成為便攜式或手持式的檢測(cè)裝置，而各種極端環(huán)境，如深空、深海探測(cè)、環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)以及其它大型常規(guī)儀器無(wú)法開(kāi)展使用的場(chǎng)合，對(duì)定量檢測(cè)都有較強(qiáng)的需求。 目前有多個(gè)學(xué)者開(kāi)展了微流體芯片生物電子檢測(cè)的研究，其中比較著名的是美國(guó)的Jiang Zhe領(lǐng)導(dǎo)的課題組，但主要關(guān)注與定性檢測(cè)以及高精度的單分子水平的檢測(cè)。另外，我國(guó)的浙江大學(xué)以及清華大學(xué)的課題組也開(kāi)展了一些初步定性研究。 微流體芯片電子檢測(cè)的核心是提高信噪比。提高信噪比可從提高信號(hào)幅值和降低噪音幅值兩方面入手，常規(guī)的提高信號(hào)幅值的方法是利用先進(jìn)的微納加工技術(shù)來(lái)減少檢測(cè)通道的尺寸。但目前微納加工技術(shù)存在極限，且成本很高。我們的思路是設(shè)計(jì)對(duì)稱兩路檢測(cè)通道，后續(xù)采用差分放大，從而可極大提高信噪比。該設(shè)計(jì)目前已申請(qǐng)多國(guó)專(zhuān)利。 微流體芯片微生物定量檢測(cè)的難點(diǎn)在于濃度快速判定。由于樣品全部通過(guò)微流體芯檢測(cè)區(qū)域費(fèi)時(shí)長(zhǎng)，而且很難保證樣品全部通過(guò)，因此無(wú)法通過(guò)讓樣品全部流過(guò)檢測(cè)區(qū)域的方法進(jìn)行濃度測(cè)定。本文提出建立樣本濃度—單位時(shí)間通過(guò)監(jiān)測(cè)區(qū)域藻類(lèi)數(shù)目的相關(guān)曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)樣品濃度的快速測(cè)定。 本文在通過(guò)芯片設(shè)計(jì)來(lái)提高信噪比以及樣品快速濃度判定方法兩方面的研究處于國(guó)際領(lǐng)先水平。
