一种基于微流控技术的气溶胶多通道细菌高浓缩富集装置

1.本发明涉及气溶胶细菌富集技术领域，具体为一种基于微流控技术的气溶胶多通道细菌高浓缩富集装置。


背景技术：

2.微流控技术是一种在微米尺度下流体流动和控制的技术，因其高效、自动化和可重复性等特点被广泛应用于生物医学和环境监测等领域，现有的微流控技术对于气流的控制存在较大困难，难以保证富集效率的稳定性与准确性，而且微流控芯片捕获细菌的效率低。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种基于微流控技术的气溶胶多通道细菌高浓缩富集装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
4.技术方案
5.本发明提供如下技术方案：一种基于微流控技术的气溶胶多通道细菌高浓缩富集装置，包括第一阀门、蠕动泵、装有重悬液的冲洗瓶、微流控芯片、第二阀门、装有重悬液的富集瓶、装有重悬液的滤气瓶、气体流量计与真空泵，所述第一阀门、蠕动泵、装有重悬液的冲洗瓶、微流控芯片、第二阀门、富集瓶、装有重悬液的滤气瓶、气体流量计与真空泵均通过硅胶管一一连接，所述第一阀门与第二阀门均为三通阀。
6.优选的，所述第一阀门三个出口分别设置为a端、b端与c端，所述第一阀门的a端通过硅胶管连接室外空气，所述第一阀门的b端与微流控芯片的进气口通过硅胶管连接，所述第一阀门的c端与蠕动泵通过硅胶管连接。
7.优选的，所述第二阀门三个出口分别设置为d端、e端与f端，所述第二阀门的d端通过硅胶管与微流控芯片的出气口连接，所述第二阀门的e端通过硅胶管与富集瓶连接，所述第二阀门的f端通过硅胶管与滤气瓶连接，所述滤气瓶的另一端通过硅胶管与气体流量计连接，所述气体流量计的另一端通过硅胶管与真空泵连接。
8.优选的，所述微流控芯片的内部分别开设有分流道与总流道，每个所述分流道均与总流道连通，每个所述分流道中均设置有凸起的鱼骨柱，且尖端朝向总流道一侧，所述分流道位于两个所述总流道的中间。
9.优选的，所述微流控芯片的基底采用玻璃，所述分流道与总流道均集成与pdms模具上。
10.优选的，所述重悬液采用nacl 0.9％(v/v)溶液，所述微流控芯片的芯片修饰溶液采用hcl 1.0％(v/v)与h2o
2 1.0％(v/v)。
11.有益效果
12.与现有技术相比，本发明提供了一种基于微流控技术的气溶胶多通道细菌高浓缩富集装置，具备以下有益效果：
13.1、该基于微流控技术的气溶胶多通道细菌高浓缩富集装置，通过鱼骨柱能够使得气溶胶通过时产生涡流，以增加气溶胶内细菌粘附在通道中的概率。
14.2、该基于微流控技术的气溶胶多通道细菌高浓缩富集装置，通过多个微流控芯片可并联使用，由于提升进气量。
15.3、该基于微流控技术的气溶胶多通道细菌高浓缩富集装置，气溶胶中的细菌颗粒被粘附在微流控芯片的流道中，真空泵与气体流量计用于控制通过流道的气溶胶流量，可保持微流控芯片捕获细菌的最高效率。
16.4、该基于微流控技术的气溶胶多通道细菌高浓缩富集装置，冲洗瓶中的重悬液通过蠕动泵的作用进入微流控芯片，对粘附在微流控芯片中的细菌进行冲洗，冲洗后的液体进入富集瓶，蠕动泵用于控制通过微流控芯片中的洗脱液的液体流量。
附图说明
17.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
18.图1为本发明整体装置富集流程图；
19.图2为本发明微流控芯片示意图；
20.图3为本发明图2中a处放大图；
21.图4为本发明实施例中大肠杆菌菌液浓度-吸光度标准曲线图；
22.图5为本发明实施例中气溶胶富集吸光度测试图。
23.图中：1、第一阀门；2、蠕动泵；3、冲洗瓶；4、微流控芯片；5、第二阀门；6、富集瓶；7、滤气瓶；8、气体流量计；9、真空泵；10、分流道；11、鱼骨柱；12、总流道。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.请参阅图1-图5，本发明提供一种技术方案：一种基于微流控技术的气溶胶多通道细菌高浓缩富集装置，包括第一阀门1、蠕动泵2、装有重悬液的冲洗瓶3、微流控芯片4、第二阀门5、装有重悬液的富集瓶6、装有重悬液的滤气瓶7、气体流量计8与真空泵9，第一阀门1、蠕动泵2、装有重悬液的冲洗瓶3、微流控芯片4、第二阀门5、富集瓶6、装有重悬液的滤气瓶7、气体流量计8与真空泵9均通过硅胶管一一连接，第一阀门1与第二阀门5均为三通阀。
26.本实施例中，第一阀门1三个出口分别设置为a端、b端与c端，第一阀门1的a端通过硅胶管连接室外空气，第一阀门1的b端与微流控芯片4的进气口通过硅胶管连接，第一阀门1的c端与蠕动泵2通过硅胶管连接。
27.本实施例中，第二阀门5三个出口分别设置为d端、e端与f端，第二阀门5的d端通过硅胶管与微流控芯片4的出气口连接，第二阀门5的e端通过硅胶管与富集瓶6连接，第二阀门5的f端通过硅胶管与滤气瓶7连接，滤气瓶7的另一端通过硅胶管与气体流量计8连接，气体流量计8的另一端通过硅胶管与真空泵9连接。
28.本实施例中，微流控芯片4的内部分别开设有分流道10与总流道12，每个分流道10均与总流道12连通，每个分流道10中均设置有凸起的鱼骨柱11，且尖端朝向总流道12一侧，分流道10位于两个总流道12的中间。
29.鱼骨柱11能够使得气溶胶通过时产生涡流，以增加气溶胶内细菌粘附在通道中的概率。
30.多个微流控芯片4可并联使用，由于提升进气量。
31.微流控芯片4中设置有16个平行的分流道10，可以用于增大气溶胶通量，增加细菌粘附总量，16个分流道10可以通过两侧的总流道12共用一个进气口和一个出气口。
32.每个分流道10长度为65.4mm，宽度为0.6mm，高度为80um，并联结构长度6.7mm，进气口和出气口为圆形，直径为2.2mm，结构总宽度180mm。
33.本实施例中，微流控芯片4的基底采用玻璃，分流道10与总流道12均集成与pdms模具上。
34.本实施例中，重悬液采用nacl 0.9％(v/v)溶液，溶解于超纯水中，置于冲洗瓶、滤气瓶中，分别用于洗脱粘附在微流控芯片上的细菌和过滤在为微流控芯片中逃逸的细菌。
35.微流控芯片4的芯片修饰溶液，在微流控芯片4中先通入hcl1.0％(v/v)，再通入h2o
2 1.0％(v/v)，最后通入超纯水冲洗，用于实验前清洗微流控芯片4。
36.气溶胶富集过程分为两个阶段，分别为气溶胶细菌富集阶段，气溶胶-液溶胶转换阶段，气溶胶细菌富集阶段中，第一阀门1的a端与b端连通，c端关闭，第二阀门5的d端与f端连通，e端关闭，气溶胶从外界进入微流控芯片4通过滤气瓶7、气体流量计6与真空泵9，这个过程中，气溶胶中的细菌颗粒被粘附在微流控芯片4的流道中，真空泵9与气体流量计8用于控制通过流道的气溶胶流量，在不高于100ml/min的气体流量下，可保持微流控芯片4捕获细菌的最高效率。
37.气溶胶-液溶胶转换阶段中，第一阀门1的b端与c端连通，a端关闭，第二阀门5的d端与e端连通，f端关闭，冲洗瓶3中的重悬液通过蠕动泵2的作用进入微流控芯片4，对粘附在微流控芯片4中的细菌进行冲洗，冲洗后的液体进入富集瓶6，蠕动泵2用于控制通过微流控芯片4中的洗脱液的液体流量。
38.实施例：
39.以大肠杆菌菌株(e.coli de3，具有氨苄抗性基因)为例，验证本发明的气溶胶高浓缩细菌富集、过滤装置对气溶胶中细菌的富集、过滤性能。
40.菌液准备：将细菌培养液8000r离心5分钟，分离后弃去上清，超纯水重悬，终浓度至少处在107cell/ml以上，目前实验中用细菌原液，浓度约在109cell/ml左右。
41.将菌液置入商用气溶胶发生器中，气溶胶发生器接入1000l的密封箱中，密封箱的作用是模拟空气中包含有细菌的气溶胶环境.密封箱一端接有出气口，出气口连接第一阀门1的a端。
42.开启气溶胶发生器使密封箱中充满含有细菌的气溶胶后关闭气溶胶发生器。打开真空泵和气体流量计，连通第一阀门1的a、b端和第一阀门2的d、f端，使密封箱中的气溶胶可以进入微流控芯片中。通过气体流量计控制微流控芯片中的气体流量，具体流量可在20～100ml/min，富集时间在10～20min。
43.富集过程结束后，微流控芯片中已经粘附了足够的细菌样本，关闭第一阀门1的a
端，打开bc端，关闭第二阀门5的f端，打开de端，打开蠕动泵2，蠕动泵2将冲洗瓶中的重悬液通入微流控芯片4的通道中，将粘附在通道中的细菌冲入富集瓶中，通过调节蠕动泵2的转速以控制液体总量。
44.使用紫外分光光度计测定富集瓶6与滤气瓶7中重悬液的吸光度来验证该装置的气溶胶细菌富集效率。
45.仪器设置：紫外可见分光光度计提前预热15min，设置通讯口将仪器连接至电脑端，设置光波长为560nm进行仪器校准，校准完毕后将波长调至600nm用于大肠杆菌样品测定。
46.比色皿准备：狭缝比色皿规格为容量0.7ml，狭缝2mm，光程为10mm。使用无菌水彻底冲洗比色皿内部和外部，然后将其浸泡在无水乙醇中5min，取出使用无菌水再次冲洗，然后用擦镜纸将比色皿表面擦干，使用氮气将比色皿吹干备用。
47.样品测试：使用移液枪抽取0.5ml pbs溶液于比色皿中作为参比液，另取一个同规格的比色皿加入0.5ml富集瓶样品作为样品液。将两个比色皿放入检测槽中，首先对参比液进行标零校正，校正完毕后使光源对准样品液，启动测试，测试完毕后将样品液更换为富集瓶样品，测试其吸光度。
48.测试结果：共收集五次得到数据，每组数据均测试三次取平均值，将每组数据与大肠杆菌菌液浓度与吸光度标准曲线对比，富集瓶中样品浓度分布为105～106cell/ml间，数据如图5所示。

技术特征：
1.一种基于微流控技术的气溶胶多通道细菌高浓缩富集装置，包括第一阀门(1)、蠕动泵(2)、装有重悬液的冲洗瓶(3)、微流控芯片(4)、第二阀门(5)、装有重悬液的富集瓶(6)、装有重悬液的滤气瓶(7)、气体流量计(8)与真空泵(9)，其特征在于：所述第一阀门(1)、蠕动泵(2)、装有重悬液的冲洗瓶(3)、微流控芯片(4)、第二阀门(5)、富集瓶(6)、装有重悬液的滤气瓶(7)、气体流量计(8)与真空泵(9)均通过硅胶管一一连接，所述第一阀门(1)与第二阀门(5)均为三通阀。2.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的气溶胶多通道细菌高浓缩富集装置，其特征在于：所述第一阀门(1)三个出口分别设置为a端、b端与c端，所述第一阀门(1)的a端通过硅胶管连接室外空气，所述第一阀门(1)的b端与微流控芯片(4)的进气口通过硅胶管连接，所述第一阀门(1)的c端与蠕动泵(2)通过硅胶管连接。3.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的气溶胶多通道细菌高浓缩富集装置，其特征在于：所述第二阀门(5)三个出口分别设置为d端、e端与f端，所述第二阀门(5)的d端通过硅胶管与微流控芯片(4)的出气口连接，所述第二阀门(5)的e端通过硅胶管与富集瓶(6)连接，所述第二阀门(5)的f端通过硅胶管与滤气瓶(7)连接，所述滤气瓶(7)的另一端通过硅胶管与气体流量计(8)连接，所述气体流量计(8)的另一端通过硅胶管与真空泵(9)连接。4.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的气溶胶多通道细菌高浓缩富集装置，其特征在于：所述微流控芯片(4)的内部分别开设有分流道(10)与总流道(12)，每个所述分流道(10)均与总流道(12)连通，每个所述分流道(10)中均设置有凸起的鱼骨柱(11)，且尖端朝向总流道(12)一侧，所述分流道(10)位于两个所述总流道(12)的中间。5.根据权利要求4所述的一种基于微流控技术的气溶胶多通道细菌高浓缩富集装置，其特征在于：所述微流控芯片(4)的基底采用玻璃，所述分流道(10)与总流道(12)均集成与pdms模具上。6.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的气溶胶多通道细菌高浓缩富集装置，其特征在于：所述重悬液采用nacl 0.9％(v/v)溶液，所述微流控芯片(4)的芯片修饰溶液采用hcl 1.0％(v/v)与h2o
2 1.0％(v/v)。

技术总结
本发明涉及气溶胶细菌富集技术领域，且公开了一种基于微流控技术的气溶胶多通道细菌高浓缩富集装置，包括第一阀门、蠕动泵、装有重悬液的冲洗瓶、微流控芯片、第二阀门、装有重悬液的富集瓶、装有重悬液的滤气瓶、气体流量计与真空泵，本发明通过微流控芯片中的鱼骨机构能够使得气溶胶通过时产生涡流，以增加气溶胶内细菌粘附在通道中的概率，通过多个微流控芯片可并联使用，由于提升进气量，气溶胶中的细菌颗粒被粘附在微流控芯片的流道中，真空泵与气体流量计用于控制通过流道的气溶胶流量，可保持微流控芯片捕获细菌的最高效率，冲洗瓶中的重悬液通过蠕动泵的作用进入微流控芯片，对粘附在微流控芯片中的细菌进行冲洗。粘附在微流控芯片中的细菌进行冲洗。粘附在微流控芯片中的细菌进行冲洗。


技术研发人员：刘盛春 段沐森 钱思宇 耿艺凯 胡蘊薪 陈雪峰 姜石玉
受保护的技术使用者：黑龙江大学
技术研发日：2023.07.13
技术公布日：2023/10/15