基本信息
- 項目名稱：
- 基于微流體芯片的海洋微生物快速定量檢測
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 本文報道了可實現(xiàn)海水中常見微生物濃度快速測定和尺寸判定的微流控芯片實驗室裝置核心。該芯片裝置基于庫爾特電子檢測原理實現(xiàn)海洋微生物定量電子檢測，通過計數(shù)不同濃度樣品單位時間內通過檢測通道的生物個數(shù)，實驗建立并驗證了樣品濃度預測曲線，用于快速測定樣品的濃度；通過使用標準顆粒對芯片進行標定，電子測算了小球藻的尺寸分布。這對于便攜式測定裝置的制作有重要意義。
- 詳細介紹：
- 隨著社會經濟的快速發(fā)展，近岸海域污染加劇、有害赤潮頻繁發(fā)生等突出問題正受到全世界各國的高度重視，也更凸顯出海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的重要性。研究表明：通過監(jiān)測海洋環(huán)境小尺度時間和空間變化過程對大尺度環(huán)境變化具有早期預警作用。如，定期檢測水體中指示微生物的數(shù)量、尺寸和種屬的變化過程，可有效監(jiān)測和評價水體污染狀況，并且利用某些生物的行為變化和生理指標，還可以對水體污染進行定性分析。傳統(tǒng)的海洋調查需要由調查船到現(xiàn)場收集樣品再在船上實驗室或岸上實驗室分析，樣品消耗量大，分析周期長，而且，樣品可能在轉移和儲存過程中受到污染或發(fā)生化學變化。因此，通過開發(fā)和應用海洋環(huán)境現(xiàn)場觀測手段來增加采樣頻率，提高反映或記錄的實時性，顯得尤為迫切和重要。 當前海洋微生物監(jiān)測的主要方法是顯微鑒定計數(shù)法、藻類在線分析儀和流式細胞法。顯微鑒定計數(shù)法是通過生物顯微鏡連續(xù)鏡檢，工作強度大、效率低，同時要求實驗人員必須具備豐富的水生生物學知識，能鑒定、識別常見藻類。而藻類在線分析儀是基于藻的色素分析來確定藻的濃度，只能宏觀地把藻分為四大類，但無法精確地鑒定藻種并計算藻密度和尺寸。流式細胞儀法是利用細胞被激光束照射后產生熒光的原理進行細胞的計數(shù)、分類和尺寸測量，測量結果準確，但是檢測結果處理耗時長、要求專業(yè)人員處理，而且具有檢測成本高等局限性，難以用于現(xiàn)場檢測。 微流體芯片實驗室（Microfluidic Lab-on-chip），可將常規(guī)實驗室中涉及的樣品制備、生物與化學反應、分離檢測等基本操作集成在一塊幾平方厘米的芯片上，是便攜式、自動化生化分析儀器的技術核心。因此，基于微流體芯片技術的庫爾特電子計數(shù)是面向海洋現(xiàn)場檢測和調查便攜式快速檢測需求的最好解決方案。 本文設計了庫爾特電子計數(shù)微流體芯片，并搭建了實驗室信號檢測和處理系統(tǒng)，采用電動進樣，實現(xiàn)了海水中不同尺寸藻類的連續(xù)自動檢測及尺寸判定。本文的研究對于發(fā)展基于微流體芯片的海洋生物現(xiàn)場快速電子檢測技術原型具有重要意義。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 本文針對現(xiàn)有海洋微生物計數(shù)裝置體積大、結構復雜，不適用于現(xiàn)場使用等不足，提出采用微流控芯片來實現(xiàn)微生物的電子計數(shù)和尺寸判定，并通過微流控芯片和微加工，搭建檢測系統(tǒng)，開展代表性微生物的電子檢測、樣品濃度快速測定以及尺寸判定實驗室研究。
科學性、先進性及獨特之處
- 具有整體現(xiàn)代高科技內涵的微流控芯片實驗室（MicrofluidicLab-on-chip），是便攜式分析儀器的技術核心。本研究提出采用電動微流控芯片來實現(xiàn)樣品從進樣到檢測過程的全自動化定量檢測，無需任何外部的泵、閥等輔助器件，從本質上方便了向功能齊全的便攜式分析儀器的集成，用于現(xiàn)場快速檢測。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 開展便攜式海洋微生物定量檢測技術的研究對于開展海洋環(huán)境現(xiàn)場監(jiān)測和調查、保護海洋環(huán)境具有重要意義，但目前很多檢測儀器存在體積龐大、結構復雜、價格昂貴等不足。本項目提出采用電動微流控芯片來定量檢測海洋微生物，有望從本質上實現(xiàn)儀器的便攜化和全自動化，具有巨大的應用潛力。另外，本研究對于發(fā)展具有獨立知識產權的便攜化分析儀器，提高源頭創(chuàng)新能力也具有重要的意義。
學術論文摘要
- 芯片實驗室（lab-on-chip），被喻為21世紀生命科學的支撐技術，是便攜式生化分析儀器的技術核心。該技術是通過構建微尺度的通道，將生物和化學等領域所涉及的樣品制備、生物與化學反應分離與檢測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反應過程，能夠在短時間內分析大量的生物分子，準確獲取樣品中的大量信息，信息量是傳統(tǒng)檢測手段的成百上千倍。 本文報道了可實現(xiàn)海水中常見微生物濃度快速測定和尺寸判定的微流控芯片實驗室裝置。該芯片裝置基于庫爾特電子檢測原理實現(xiàn)海洋微生物定量電子檢測，通過計數(shù)不同濃度樣品單位時間內通過檢測通道的生物個數(shù)，實驗建立并驗證了樣品濃度預測曲線，用于快速測定樣品的濃度；通過使用標準顆粒對芯片進行標定，電子測算了小球藻的尺寸分布。本文設計的微流控芯片微生物電子檢測裝置具有簡單、可靠及完全自動等優(yōu)點，可發(fā)展成為便攜式的快速檢測儀器，在海洋壞境現(xiàn)場快速監(jiān)測等領域具有廣闊的應用空間。
獲獎情況
- 無
鑒定結果
- 本文采用微流體芯片技術，實現(xiàn)海洋微生物定量檢測，為便攜式檢測裝置的研發(fā)提供核心技術，有著重大意義。
參考文獻
- 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.
同類課題研究水平概述
- 開展基于微流體芯片的電子檢測技術的研究是目前世界范圍內的熱點和前沿，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裝置，而各種極端環(huán)境，如深空、深海探測、環(huán)境現(xiàn)場檢測以及其它大型常規(guī)儀器無法開展使用的場合，對定量檢測都有較強的需求。 目前有多個學者開展了微流體芯片生物電子檢測的研究，其中比較著名的是美國的Jiang Zhe領導的課題組，但主要關注與定性檢測以及高精度的單分子水平的檢測。另外，我國的浙江大學以及清華大學的課題組也開展了一些初步定性研究。 微流體芯片電子檢測的核心是提高信噪比。提高信噪比可從提高信號幅值和降低噪音幅值兩方面入手，常規(guī)的提高信號幅值的方法是利用先進的微納加工技術來減少檢測通道的尺寸。但目前微納加工技術存在極限，且成本很高。我們的思路是設計對稱兩路檢測通道，后續(xù)采用差分放大，從而可極大提高信噪比。該設計目前已申請多國專利。 微流體芯片微生物定量檢測的難點在于濃度快速判定。由于樣品全部通過微流體芯檢測區(qū)域費時長，而且很難保證樣品全部通過，因此無法通過讓樣品全部流過檢測區(qū)域的方法進行濃度測定。本文提出建立樣本濃度—單位時間通過監(jiān)測區(qū)域藻類數(shù)目的相關曲線來實現(xiàn)樣品濃度的快速測定。 本文在通過芯片設計來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際領先水平。
