CN202870095U - 微生物样品快速检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微生物样品快速检测装置，其结构主要包括测量光源、进样泵、介孔生物芯片传感器、出射光聚焦透镜、光检测器和信号处理控制器，介孔生物芯片传感器由介孔生物芯片和位于介孔生物芯片两侧的进液室与集液室构成，介孔生物芯片上的微孔孔道将进液室与集液室连通，测量光源和出射光聚焦透镜分别与介孔生物芯片对应设置，出射光聚焦透镜通过光纤与光检测器连接，光检测器与光信号处理器信号连接。本实用新型公开的微生物样品快速检测装置，其介孔生物芯片传感器的芯片具有数量众多的微孔孔道，大大增加了反应面积，因此采用本实用新型检测微生物样品，具有检测灵敏度高，检测快速的特点。

Description

微生物样品快速检测装置

技术领域

本实用新型涉及微生物样品检测技术，特别是涉及利用介孔生物芯片对微生物样品进行快速检测的装置。

背景技术

病原微生物是看不见的危害，一直是人们所关注的热点问题，其污染是一个重大的安全问题，严重影响人类的健康。据世界卫生组织的估计，全球每年有数十亿人由于病原微生物而感染疾病。发达国家发生率也相当高，平均每年有1/3的人群感染。我国江苏、安徽等地2001年发生大肠杆菌O157：H7污染，造成2万人中毒，177人死亡的后果。沙门氏菌每年都会引起的数以百人的中毒事件爆发。上世纪80年代的上海，因为生吃毛蚶造成30万人罹患甲肝。据国家***统计，仅2011年第三季度微生物性食物中毒事件就发生35起，中毒人数达2279人，死亡5人，分别占总报告起数和中毒人数的47.9%和70.7%。引起中毒的主要微生物包括副溶血性弧菌、葡萄球菌、沙门氏菌和蜡样芽胞杆菌。瘦肉精、三聚氰胺等化学污染物固然可怕，可由致病微生物引起的食源性疾病确是食品安全的头号问题。

病原微生物的检测技术是预防和控制致病微生物引起的食源性疾病的关键技术环节。常规的检测技术大多依靠培养目标微生物的方法来确定样品是否受到此微生物的污染，包括增菌、分离培养、形态观察、生化鉴定等步骤。这种方法准确性、灵敏性都很高，但涉及的实验较多，操作烦琐，所需时间长，自动化程度低，而且一般一个检验程序只针对一种菌，不适于批量、大范围快速检测。为克服其不足，人们开发出了多种基于不同原理的新型快速检测病原微生物的技术，这主要有聚合酶链式反应法、酶联免疫吸附法、胶体金免疫层析法等。其中聚合酶链式反应是一种体外选择性扩增DNA或RNA的技术，即模板DNA引物以及4种脱氧核糖核苷三磷酸在DNA聚合酶的催化作用下所发生的酶促集合反应，由变性、退火、延伸3个步骤组成，应用该技术能在短时间内对特定DNA序列作百万倍扩增。基因扩增的技术设备由三部分构成：①模板DNA制备所需设备，主要为高速微量离心机或高速冷冻离心机；②PCR基因扩增仪；③DNA扩增结果判读和测定设备，主要有水平低压电泳仪、PCR核酸电泳槽以及紫外透射仪和DNA微量荧光计等，设备大，价格贵，不适应于野外作业。病原微生物检测中运用的PCR技术，大多是基于DNA水平的检测技术，虽然快速特异，灵敏度较高，但最大问题是核酸污染和死菌造成假阳性和定量困难，其测定结果表现为有或无，仅可定性判别，无法定量分析。酶联免疫吸附法，使用酶标仪作为配套仪器，具有很强的敏感性和特异性，但是需要反复洗板，操作复杂，费时费力。胶体金免疫层析法简便快速，只需将处理好的样品加入金标定量仪中试纸条的样品孔内即可判定结果，但是存在敏感性低的缺点，一般是定性测定，不能对相应的检测板读出数据，优良的金标诊断试剂也只能做到半定量。

发明内容

针对现有技术的微生物快速检测技术的现状，本实用新型的目的旨在提供一种新的微生物样品快速检测装置，以克服现有微生物检测技术存在的只能进行定性测定，检测敏感性低，操作复杂，费时费力，设备大，价格贵，不适应于野外作业等不足。

本实用新型提供的微生物样品快速检测装置，其结构主要包括测量光源、进样泵、介孔生物芯片传感器、出射光聚焦透镜、光检测器和信号处理控制器，所述介孔生物芯片传感器由介孔生物芯片和位于介孔生物芯片两侧的进液室与集液室构成，介孔生物芯片上的微孔孔道将进液室与集液室连通，进液室壳体设计有溶液进口接管，集液室壳体设计有排液出口接管，进样泵出口与进液室壳体上的溶液进口接管连通，测量光源和出射光聚焦透镜分别与介孔生物芯片对应设置，出射光聚焦透镜通过光纤与光检测器连接，光检测器与光信号处理器信号连接。

本实用新型提供的微生物样品快速检测装置，可设置检测用液储槽，也可以不设置检测用液储槽。当不设置检测用液储槽时，装置进样泵的进口与另外配置的检测用液储存器连接，将检测用液泵入介孔生物芯片传感器。不设置检测用液储槽，检测装置结构紧凑，但使用不够方便。最好是设置检测用液储槽。检测用液储槽可设置为1个，也可设置为4个。检测用液储槽当设置为1个时，检测用液中的待测溶液、缓冲溶液、含有标记抗体的溶液、催化反应溶液分别按测定要求按一定顺序依次注入检测用液储槽，由进样泵分别泵入到介孔生物芯片传感器。当标记抗体为荧光标记抗体时，则不需注入催化反应溶液。最好是并联设置4个检测用液储槽，各储槽的出口通过连接管、控制阀分别与进样泵的进口连接，分别作为待测溶液、缓冲溶液、标记抗体溶液和催化反应溶液储槽，储槽内的溶液由进样泵分别泵入到介孔生物芯片传感器。当标记抗体为荧光标记抗体不需注入催化反应溶液时，可闲置一个检测用液储槽。不同溶液泵入介孔生物芯片传感器的间隔时间，取决于前一过程进行的情况，前一过程进行的快，间隔的时间就短，前一过程进行的慢，间隔的时间就长。

本实用新型提供的微生物样品快速检测装置可设置废液池，也可以不设置废液池。当不设置废液池时，介孔生物芯片传感器集液室排液接管可与另外配置的废液槽连接。同样的道理，不设置废液池，检测装置结构紧凑，但使用不够方便。最好是设置废液池，废液池进口通过连接管与集液室壳体上的排液出口接管连接。

本实用新型提供的微生物样品快速检测装置，其介孔生物芯片传感器的进液室与集液室的壳体，可均设计为圆筒形结构、圆锥筒结构，甚至为矩形筒结构，或两者为不同形状的结构。最好均设计为圆锥筒结构，大端分别与介孔生物芯片两侧边缘相联接，进液室壳体锥端设置溶液进口接管，集液室壳体锥端设置有排液出口接管。

在本实用新型提供的微生物样品快速检测装置中，构成介孔生物芯片传感器的介孔生物芯片的形状，考虑到加工的便利，通常设计为圆柱盘形。也可以是其他形状，其中优选狭长的矩形，以提高介孔生物芯片的利用率。所述介孔生物芯片可为整体结构，也可为组合结构。整体结构的介孔生物芯片由整体介孔材料片制作，组合结构介孔生物芯片由介孔生物芯片本体和分布在介孔生物芯片本体不同区域的介孔材料片构成。将介孔生物芯片设计为组合结构，可在不同的区域固定不同的抗体，进行不同的实验。介孔生物芯片优选整体结构。介孔生物芯片的微孔孔道的直径一般不大于5000μm，最好在20~300μm的范围。

在本实用新型提供的微生物样品快速检测装置中，检测用液进入流过介孔生物芯片的进样种类、流速、流量和时间，由控制处理器通过控制阀和进样泵来控制，控制阀按测试需要分别控制进样种类，即控制待测样品溶液、缓冲溶液、标记抗体溶液的进样，通过进样泵控制进样的流速、流量和时间。

本实用新型利用介孔材料制作介孔生物芯片，极大地提高了反应表面积，提高了检测灵敏度。采用本实用新型检测微生物样品，其操作过程如下：事先在介孔生物芯片微孔孔道内表面固定有特异性的抗体，在待测溶液样品泵入流过介孔生物芯片时，其所含病原微生物与固定在介孔生物芯片微孔孔道内的抗体反应从而被捕获，实现待测微生物与溶液的分离、富集；然后泵入流过含有酶、或者荧光试剂标记的抗体溶液，标记抗体与待测微生物发生特异性的免疫反应，在介孔生物芯片微孔孔道内形成夹心结构的免疫复合物，对介孔生物芯片微孔孔道内的复合物实施测量光照射，激发复合物产生相应的光效应，即夹心结构复合物中标记的荧光试剂受测量光激发产生荧光，或者夹心结构复合物中标记的酶催化显色反应产生测量光吸收，或者酶催化发光剂反应，产生化学发光，然后利用光检测器对从介孔生物芯片出来的透射光、化学发光或荧光信号进行检测，再通过光信号处理控制器处理，输出待测物的数据。即通过检测酶催化反应产物对光的吸收、化学发光强度或荧光标记抗体的荧光强度，实现对病原微生物或其它微生物物质的定量检测。

本实用新型具有以下十分突出的有益技术效果：

1、由于本实用新型检测生物样品的介孔生物芯片传感器所使用的芯片材料为介孔材料，能够提供极高的比表面积，增大了抗体的固定量，因此最终增大了介孔生物芯片生物传感器检测的灵敏度和线性范围。

2、本实用新型的介孔生物芯片传感器所使用的介孔生物芯片，其所具有的三维孔道结构，增大了检测物质在芯片内的通量，缩短了检测时间和操作步骤。

3、本实用新型的介孔生物芯片传感器所使用的介孔生物芯片，其体内的微孔孔道可以看成是毛细管的集成，因此抗体溶液可以通过毛细作用进入到孔道内，这样的芯片结构使得抗体溶液的蒸发速度缓慢，便于抗体的固定，而且对比平板结构，孔道内相同体积的液体流经的面积要更小，极大提高了价格昂贵的抗体溶液的固定效率，当然检测的成本也随之降低。

本实用新型还具有其他一些方面的有益技术效果。

附图说明

图1为本实用新型的快速检测生物样品装置的一种实施方式的整体结构示意图。

图2为本实用新型的快速检测生物样品装置中的介孔生物芯片传感器的一种结构示意图。

图3为本实用新型的快速检测生物样品装置中的介孔生物芯片传感器的另一种结构示意图。

图4为本实用新型利用介孔生物芯片快速检测生物样品的原理示意图。

在上述附图中各图示标号标识对象分别为：1—待测样品溶液储槽、2—缓冲溶液储槽、3—标记抗体溶液储槽、4—催化反应溶液储槽、5—多路控制阀、6—进样泵、7—光源、8—介孔生物芯片、9—出射光聚焦透镜、10—光检测器、11—光信号处理控制器、12—废液池、13—管道一、14—管道二、15—管道三、16—管道四、17—管道五、18—测量光、19—管道六、20—荧光、21—光纤、22—信号传输线、23—溶液进口接管、24—溶液出口接管、25—集液室、26—微孔孔道、27—抗体、28—待测物质（抗原）、29—标记抗体、30—管道七、31—透射光。

具体实施方式

下面结合附图说明，给出本实用新型的实施例，并通过实施例对本实用新型作进一步的说明，以便于人们对本实用新型的理解。

实施例1

本实施例的生物样品快速检测装置的结构如图1和图3所示，主要包括测量光源7、待测样品溶液储槽1、缓冲溶液储槽2、标记抗体溶液储槽3、催化反应溶液储槽4、多路控制阀5、进样泵6、介孔生物芯片传感器、废液池12、出射光聚焦透镜9、光检测器10和信号处理控制器11，所述介孔生物芯片传感器由介孔生物芯片8和位于介孔生物芯片两侧的进液室与集液室25构成，介孔生物芯片上的微孔孔道26将进液室与集液室连通，进液室壳体和集液室壳体均为锥筒结构，大端分别与介孔生物芯片两侧边缘相联接，进液室壳体锥端设置溶液进口接管23，集液室壳体锥端设置有排液出口接管24。所述介孔生物芯片为圆柱盘状的整体结构，如附图3所示，由硅基质介孔材料制作，微孔孔道直径约为50-300μm。待测样品溶液储槽1、缓冲溶液储槽2、含有酶标记抗体溶液储槽3和催化反应溶液储槽4并联设置，分别通过管道一13、管道二14、管道三15和管道四16与多路控制阀5进口连通，多路控制阀5的出口通过管道五17与介孔生物芯片传感器的进液室溶液进口接管23连通，介孔生物芯片传感器的集液室排液出口接管24通过管道六19与废液池连通。测量光源7和出射光聚焦透镜9相对设置在介孔生物芯片8的侧面壁上，出射光聚焦透镜9通过光纤21与光检测器10连接，光检测器通过信号传输线22与光信号处理器11连接，测量光18从介孔生物芯片的侧壁入射，从介孔生物芯片另一方向侧壁透出进入聚焦透镜9，经聚焦透镜聚焦耦合后的透射光31通过光纤进入光检测器，经光检测器分光、选择响应信号处理后的检测光，由信号传输线22传输至光信号处理控制器11，进行光信号的数据处理和存储，输出待测生物样品的生物数据，实现对待测微生物的定量测定。

实施例2

本实施例的生物样品快速检测装置与实施例1基本相同，所不同的地方是本实施例的检测装置只设置了一个检测用液储槽，所述介孔生物芯片为组合结构，如附图2所示，由介孔生物芯片本体和均匀分布固定在介孔生物芯片本体圆周6个区域的介孔材料片构成，可在不同区域介孔材料片的微孔孔道面上固定不同的抗原。检测进行时，先将待测样品溶液注入溶液储槽，然后将待测溶液泵入流过介孔生物芯片的微孔孔道，在待测溶液所含待测物与固定在微孔孔道面上的免疫反应结束后，然后将缓冲溶液注入容液储槽，泵入缓冲溶液对微孔孔道面上的抗原-抗体复合物进行冲洗，冲洗结束后，再将含有荧光标记抗体的溶液注入溶液储槽，然后泵入芯片，使溶液中的荧光标记抗体与抗原-抗体复合物进行免疫反应，形成抗体-抗原-荧光标记抗体复合物，最后泵入缓冲溶液进行清洗。本实施例的装置整体结构更为紧奏。光源7发出的入射光18从介孔生物芯片8的侧壁进入，照射介孔生物芯片微孔孔道内的抗体-抗原-荧光标记抗体复合物，激发荧光标记抗体产生的荧光，从介孔生物芯片侧壁透出，荧光20由聚焦透镜聚焦后耦合到光纤21，由光纤传输至光检测器10，经光检测器分光、选择响应信号等检测处理后，再由信号传输线22传输至光信号处理控制器11，进行光信号的数据处理和存储，输出待测生物样品的生物数据，实现对微生物的定量测定。

Claims (10)

1.一种微生物样品快速检测装置，其特征在于包括测量光源（7）、进样泵（6）、介孔生物芯片传感器、出射光聚焦透镜（9）、光检测器（10）和信号处理控制器（11），所述介孔生物芯片传感器由介孔生物芯片（8）和位于介孔生物芯片两侧的进液室与集液室（25）构成，介孔生物芯片上的微孔孔道（26）将进液室与集液室连通，进液室壳体设计有溶液进口接管（23），集液室（25）壳体设计有排液出口接管（24），进样泵（6）出口与进液室壳体上的溶液进口接管连通，测量光源和出射光聚焦透镜分别与介孔生物芯片对应设置，出射光聚焦透镜通过光纤（21）与光检测器连接，光检测器与光信号处理控制器信号连接。

2.根据权利要求1所述的微生物样品快速检测装置，其特征在于还设置有检测用液储槽，检测用液储槽的出口通过连接管与进样泵的进口连接。

3.根据权利要求2所述的微生物样品快速检测装置，其特征在于并联设置有4个检测用液储槽，分别用作待测溶液、缓冲溶液、标记抗体溶液和催化反应溶液的储槽，各检测用液储槽的出口通过连接管、控制阀分别与进样泵的进口连接。

4.根据权利要求1所述的微生物样品快速检测装置，其特征在于还设置有废液池（12），废液池进口通过连接管与集液室壳体上的排液出口接管（24）连接。

5.根据权利要求1所述的微生物样品快速检测装置，其特征在于所述介孔生物芯片的形状为圆柱盘形。

6.根据权利要求1所述的微生物样品快速检测装置，其特征在于所述介孔生物芯片为整体结构，由整体介孔材料片制作。

7.根据权利要求1所述的微生物样品快速检测装置，其特征在于所述介孔生物芯片为组合结构，由介孔生物芯片本体和设置在介孔生物芯片本体不同区域的介孔材料片构成。

8.根据权利要求1至7之一所述的微生物样品快速检测装置，其特征在于介孔生物芯片的微孔孔道的直径不大于5000μm。

9.根据权利要求9所述的微生物样品快速检测装置，其特征在于介孔生物芯片的微孔孔道的直径为20~300μm。

10.根据权利要求1至7之一所述的微生物样品快速检测装置，其特征在于所述进液室与集液室均为锥筒结构，大端分别与介孔生物芯片相联接，锥端设置有溶液进口接管（23）或排液出口接管（24）。

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