基本信息
- 項目名稱：
- 食源性致病菌阻抗芯片檢測微系統(tǒng)
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 針對食源性致病菌檢測分析中存在耗時長的問題，基于介電電泳、阻抗檢測、微機電加工（MEMS）、集成電路設計等技術，研發(fā)了食源性致病菌阻抗芯片檢測微系統(tǒng)，其由集成阻抗檢測芯片、集成電路控制PCB板、激勵信號產(chǎn)生與控制、響應信號采集與顯示、計算機等單元組成。其對大腸桿菌檢測信噪比大于3，檢測時間為5min。 本作品可為食源性致病菌的快速檢測提供高效、實用的測試微系統(tǒng)和測試新方法。
- 詳細介紹：
- 針對食源性致病菌分析中存在的耗時長、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題，本作品提出食源性致病菌阻抗芯片檢測微系統(tǒng)，建立致病菌快速、高效的定量分析新途徑和新方法。本作品對于食品安全衛(wèi)生檢測和環(huán)境監(jiān)測、臨床診斷等研究領域都有著重要研究意義和良好的潛在應用前景。 本作品基于芯片介電電泳（dielectrophoresis, DEP）和阻抗（Impedance，IM）檢測原理，首先設計了具有陣列對電極和叉指式電極芯片，借助微機電加工技術（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）完成了芯片的制作，對加工的芯片進行尺寸結構表征和電場模擬，結果表明芯片滿足設計和研發(fā)要求。以細菌阻抗檢測芯片為核心，結合集成電路設計制作技術及細菌介電電泳操縱與阻抗檢測方法，設計制作應用于致病菌檢測的食源性致病菌阻抗芯片檢測微系統(tǒng)，其由細菌阻抗檢測芯片、集成檢測電路、激勵信號產(chǎn)生與控制單元、響應信號采集與顯示單元和計算機組成，各部分通過控制電路連接組成一套完整穩(wěn)定的細菌阻抗芯片檢測微系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的大小為20cm×15cm×10cm。 基于所構建的食源性致病菌阻抗芯片檢測微系統(tǒng)，通過阻抗檢測響應信號對微流控芯片上檢測區(qū)域等效電路模擬，結合細菌本身電性質(zhì)，對阻抗響應信號與細菌濃度之間的關系進行了探索與分析研究，建立了致病菌檢測分析的新技術和新方法。在檢測電壓10V，檢測頻率200/500KHz的優(yōu)化操作條件下，阻抗檢測響應信號Y1（mV）與溶液中細菌濃度C（CFU/mL）呈線性關系Y1=5.856×10-6C+98，相關系數(shù)為0.972，RSD=6.52%；介電電泳阻抗檢測響應Y2（mV）與溶液中細菌濃度C（CFU/mL）呈線性關系Y2=5.912×10-6C+133，相關系數(shù)為0.97，RSD=6.71%。樣本分析結果顯示，對檢測區(qū)域內(nèi)6-7個大腸桿菌有明顯響應，檢測的信噪比大于3，5min內(nèi)可完成樣本中致病菌的檢測分析。 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
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 1.研究目的 針對食源性致病菌檢測中存在的耗時長、對儀器設備要求高等問題，擬研發(fā)食源性致病菌阻抗芯片檢測微系統(tǒng)，建立高效、快速的致病菌定量分析新方法。 2.設計思路 基于芯片介電電泳、電化學阻抗檢測、MEMS加工以及集成電路設計等技術，提出了集成介電電泳分離富集和原位阻抗檢測的致病菌阻抗檢測芯片設計，以此為基礎構建食源性致病菌阻抗芯片檢測微系統(tǒng)，進行微系統(tǒng)搭建與致病菌檢測定量分析方法研究。 3. 關鍵技術 ① 介電電泳（DEP）-阻抗檢測（IM）芯片設計和制作； ② 集激勵信號產(chǎn)生與控制、響應信號采集與顯示、阻抗檢測器等電路單元于一體，構建微系統(tǒng)； ③ 探索阻抗信號與細菌濃度之間的對應關系，建立致病菌快速高效定量分析方法。 4. 創(chuàng)新點 ① 設計制作含介電電泳與阻抗檢測雙重功能的集成微電極結構與微管道結構的芯片； ② 設計制作阻抗檢測器、激勵信號產(chǎn)生與制作、響應信號采集與顯示單元，構建食源性致病菌阻抗芯片檢測微系統(tǒng)； ③ 建立高效的食源性致病菌快速定量分析方法。 5. 作品主要技術指標 原理樣機技術指標如下： ①細菌阻抗檢測芯片：2塊； ②微系統(tǒng)尺寸：20cm×15cm×10cm ③檢測電壓：10V ④檢測頻率：200KHz/500KHz ⑤信噪比：大于3
科學性、先進性
- ① 國內(nèi)外文獻綜述顯示，作品提出的食源性致病菌阻抗芯片檢測微系統(tǒng)設計方案具有理論與技術基礎。實驗研究顯示，構建的食源性致病菌阻抗芯片檢測微系統(tǒng)可行。采用MEMS技術獲得細菌阻抗檢測芯片，顯微與模擬結果顯示芯片具有介電電泳與阻抗檢測的雙重功能；通過IC技術獲得系統(tǒng)的集成控制電路并組建出作品的微系統(tǒng)，模擬與實驗結果證明微系統(tǒng)可以實現(xiàn)相應的功能。實驗優(yōu)化大腸桿菌介電電泳捕獲和阻抗檢測的測試條件，建立了高效快速分析的方法，顯示作品的有效性。 ② 作品的先進性體現(xiàn)在：其集激勵信號產(chǎn)生與控制、響應信號采集與顯示和阻抗檢測等單元于一體的設計理念，由此構建的具有介電電泳富集、原位阻抗檢測功能的“食源性致病菌阻抗芯片檢測微系統(tǒng)，可實現(xiàn)致病菌快速高效定量分析?？萍疾樾嘛@示：在所檢國內(nèi)外文獻范圍內(nèi)，未見與本作品所構建的阻抗芯片檢測微系統(tǒng)類同的文獻報道。
獲獎情況及鑒定結果
- 無
作品所處階段
- 實驗室研究階段
技術轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 本作品以實物形式展示
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 1.使用說明 ① 打開微系統(tǒng)，開啟電腦，啟動程序，設置參數(shù)，采集信號； ② 切換進樣閥，通入待測溶液，按照程序進行處理與檢測，完成信號采集與處理； ③ 保存數(shù)據(jù)，關閉微系統(tǒng)和電腦，清洗芯片。 2.作品技術特點與優(yōu)勢 作品構建了食源性致病菌阻抗芯片檢測微系統(tǒng)， 建立快速、高效的致病菌定量分析方法，實現(xiàn)了集成化、微型化，具有體積小、操作簡單、檢測時間短的特點。 3、適應范圍、技術推廣、市場分析與經(jīng)濟效益預測 該微系統(tǒng)適用于食品安全和環(huán)境監(jiān)測等領域中致病菌快速、高效檢測。本作品在致病菌快速檢測技術方面有突破，相關技術具有技術輻射作用，為儀器小型化提供技術借鑒。 微系統(tǒng)與方法在食品安全和環(huán)境監(jiān)測領域有廣闊的市場需求。隨著該微系統(tǒng)的自動化發(fā)展，應用將平民化，將大幅度提高該微系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 20世紀90年代提出的微全分析系統(tǒng)（μ-TAS），其基于微機電加工（MEMS）技術，將分析實驗室功能集成到小芯片上，為細菌檢測帶來了新機遇和新途徑。通過文獻總結和查新，國內(nèi)外相關研究分別集中在芯片介電電泳和阻抗分析兩個方面，而本作品將相關研究有機結合，具有明確的創(chuàng)新和特色。相關文獻綜述如下： 1.芯片介電電泳研究進展 目前芯片介電電泳用于細菌操縱的理論和實驗研究在國內(nèi)外發(fā)展迅速。芯片介電電泳的核心在微電極設計、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，則采用金屬電極；激發(fā)源為直流信號，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通過顯微鏡觀察，在拋物線電極上實現(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與流體力學耦合、DEP與激光鑷子耦合等。Hadi Shafiee等根據(jù)介電電泳原理，設計制作非接觸式介電電泳（contactless DEP, c-DEP）系統(tǒng)，并通過THP-1白血病細胞捕獲實驗進行驗證。 2.芯片阻抗檢測研究進展 芯片阻抗檢測關鍵在芯片設計與制作、等效電路模擬分析以及檢測模式的選擇。 在阻抗檢測芯片設計中，電極材料對阻抗檢測靈敏度起重要作用。常用電極材料有金、鉑、鈦及ITO。電極形狀、間距、寬度、長度、厚度等因素對檢測靈敏度有重要影響。Stulik等深入研究了微電極對阻抗檢測靈敏度影響。Yang設計等效電路解釋微陣列電極的行為。Gomez采用理論等效電路來擬合實驗數(shù)據(jù)。 3.細菌阻抗檢測技術進展 國內(nèi)外芯片細菌阻抗檢測主要分為以下四種模式：（1）通過細菌代謝活動進行阻抗測定，Owicki等作了相關研究；（2）利用細菌膜的電絕緣性進行阻抗檢測，Bayoudh基于此原理研究了細菌吸附動力學；（3）利用細菌內(nèi)液的高電導率進行阻抗檢測，Suehiro等利用電穿透提高細菌阻抗檢測靈敏度；（4）Yang提出利用細菌溶液在微電極表面的阻抗特性對細菌進行定量分析。 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儀，構建了細菌阻抗-熒光檢測系統(tǒng)。 國內(nèi)外尚無將細菌介電電泳與阻抗檢測兩種技術有機耦合，并構建集成化微系統(tǒng)的研究報道。
