用于微生物肥菌培養(yǎng)條件優(yōu)化控制的微流控裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于微生物肥菌培養(yǎng)條件優(yōu)化控制的微流控芯片裝置和方法，同時涉及計算機通信、自動化電子技術(shù)、生物化學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，化肥的使用量逐年上升。傳統(tǒng)的有機化肥資源短缺，制備過程耗能耗材，化肥利用率低，土壤肥力下降，作物的產(chǎn)量和品質(zhì)大大降低，環(huán)境污染嚴(yán)重，生態(tài)平衡破壞。相對傳統(tǒng)有機化肥而言，微生物肥料資源充足，利用率高，能提高和保持營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化，促進(jìn)作物生長，凈化環(huán)境和維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。
[0003]微生物肥菌的優(yōu)質(zhì)培養(yǎng)直接決定著微生物肥料的高效生產(chǎn)，是逐步推廣、有效取代傳統(tǒng)化肥的關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)的細(xì)胞培養(yǎng)采用培養(yǎng)皿和培養(yǎng)箱，培養(yǎng)基消耗多，工序復(fù)雜。現(xiàn)有的微流控細(xì)胞培養(yǎng)展示諸多優(yōu)勢，可控性強，能實現(xiàn)精細(xì)、高通量分析。中國發(fā)明專利申請?zhí)枮?01210381418.2的文獻(xiàn)中提出了微流控細(xì)胞培養(yǎng)芯片及其實時觀測的系統(tǒng)，設(shè)計了一種上下雙層芯片，公開了一種實時觀測系統(tǒng)，其不足之處在于必須限制在確定營養(yǎng)液配方下培養(yǎng)，無法優(yōu)化培養(yǎng)條件即營養(yǎng)液主成份、主成份濃度配比、進(jìn)樣方式和參數(shù)，無法靈活地控制各通道的進(jìn)樣時序、時間和速度，自動化程度低，且缺乏對細(xì)胞培養(yǎng)長勢信息的檢測和反饋環(huán)節(jié)。中國發(fā)明專利申請?zhí)枮?01510221073.8的文獻(xiàn)中提出了一套細(xì)胞體外培養(yǎng)微流控芯片、系統(tǒng)及方法，設(shè)計了一套包含多個細(xì)胞培養(yǎng)單元的芯片和構(gòu)建了微流體控制系統(tǒng)，其不足在于必須限制在確定營養(yǎng)液配方下培養(yǎng)，無法優(yōu)化培養(yǎng)條件即營養(yǎng)液主成份、主成份濃度配比、溫度、進(jìn)樣方式和參數(shù)，缺乏細(xì)胞實時動態(tài)觀測系統(tǒng)，無法獲得細(xì)胞培養(yǎng)長勢信息檢測結(jié)果，不能建立反饋控制體系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對目前已有的微流控細(xì)胞培養(yǎng)裝置與方法存在的功能單一、集成度不高、智能化程度低等缺點，提出一種用于微生物肥菌培養(yǎng)條件優(yōu)化控制的微流控裝置和方法，能優(yōu)化營養(yǎng)液主成份、優(yōu)化主成份濃度配比、溫度等，實現(xiàn)智能操控和智能監(jiān)控。
[0005]本發(fā)明用于微生物肥菌培養(yǎng)條件優(yōu)化控制的微流控裝置采用的技術(shù)方案是:包括箱體和位于箱體外部的PC機，箱體內(nèi)部固定置放有氣栗、10通道恒壓進(jìn)樣器、載物臺、微控制器和三級式微流控芯片;氣栗的出口連接動力源進(jìn)氣管一端，動力源進(jìn)氣管另一端連接10通道恒壓進(jìn)樣器的進(jìn)氣口，10通道恒壓進(jìn)樣器具有10個并行的通道和裝在每個通道上的10個電磁閥，每個通道均通過一根營養(yǎng)液進(jìn)氣管連通一個營養(yǎng)液儲液瓶，10個電磁閥經(jīng)電磁閥驅(qū)動模塊連接微控制器;每個營養(yǎng)液儲液瓶均通過一根進(jìn)液管2連接三級式微流控芯片；10個營養(yǎng)液儲液瓶浸入在一個恒溫水浴缸中，在恒溫水浴缸中設(shè)有加熱片和溫度傳感器，溫度傳感器和加熱片分別通過信號線連接溫控模塊，微控制器和溫控模塊分別連接PC機;載物臺上表面放置三級式微流控芯片，三級式微流控芯片上方是顯微鏡物鏡和攝像頭，攝像頭通過視頻傳輸線連接PC機;絲網(wǎng)印刷電極浸入三級式微流控芯片中的肥菌液中，絲網(wǎng)印刷電極與恒電位儀通過信號線相連，恒電位儀連接信號發(fā)生器和A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊經(jīng)接口轉(zhuǎn)換模塊連接PC機;三級式微流控芯片有間隔120°布置的三級通道，每級通道均由進(jìn)樣口、廢液排出口和之間的通道監(jiān)測區(qū)組成，進(jìn)樣口靠近微流控芯片的外圈，廢液排出口靠近微流控芯片的中心；第一級10通道和第三級6通道中的每個通道都有一個進(jìn)樣口和廢液排出口，第二級傘狀8通道中的每個通道都有一個進(jìn)樣口，8通道在中間段合并且有一個廢液排出口；載物臺內(nèi)部下方是光源，光源正上方是視頻實時監(jiān)控孔區(qū)，三級式微流控芯片旋轉(zhuǎn)至三級通道的通道監(jiān)測區(qū)位于視頻實時監(jiān)控孔區(qū)的正上方時停止。
[0006]本發(fā)明用于微生物肥菌培養(yǎng)條件優(yōu)化控制的微流控裝置的優(yōu)化控制方法采用的技術(shù)方案是依序按以下步驟:
A、旋轉(zhuǎn)三級式微流控芯片，使第一級10通道的通道監(jiān)測區(qū)位于視頻實時監(jiān)控孔區(qū)正上方;一個營養(yǎng)液儲液瓶中加入一種預(yù)選的主成份，氣栗輸出氣壓經(jīng)10通道恒壓進(jìn)樣器，使10種主成份同步注入第一級10通道，采用攝像頭拍攝照片上傳給PC機2進(jìn)行圖像處理，PC機計算出肥菌濃度值；同時由絲網(wǎng)印刷電極采集肥菌生理代謝產(chǎn)物活性變化引起的電流和電壓變化信號，傳輸給恒電位儀，經(jīng)信號發(fā)生器與PC機，獲得電化學(xué)檢測活性值，對肥菌濃度值和電化學(xué)檢測活性值按照權(quán)重處理得出最終結(jié)果，比較從第一級10通道中檢測的10種最終結(jié)果，篩選出對肥菌生長影響最大的前8種主成份；
B、旋轉(zhuǎn)三級式微流控芯片至第二級傘狀8通道的通道監(jiān)測區(qū)位于視頻實時監(jiān)控孔區(qū)正上方，將篩選出的前8種主成份分別從第二級傘狀8通道的8個進(jìn)樣口獨立進(jìn)樣，PC機設(shè)置調(diào)節(jié)第二級傘狀8通道的不同的進(jìn)樣方式和進(jìn)樣參數(shù)，采用攝像頭實時拍攝照片上傳給PC機進(jìn)行圖像處理并計算出肥菌實時濃度，采用絲網(wǎng)印刷電極、恒電位儀、信號發(fā)生器和PC機得出電化學(xué)檢測活性值，對肥菌濃度值和電化學(xué)檢測活性值按權(quán)重處理出最終主成份濃度配比；
C、旋轉(zhuǎn)三級式微流控芯片至第三級6通道的通道監(jiān)測區(qū)位于視頻實時監(jiān)控孔區(qū)正上方，根據(jù)最終主成份濃度配比配制好最優(yōu)營養(yǎng)液，將最優(yōu)營養(yǎng)液等分成6份，分別從第三級6通道的6個通道進(jìn)入;PC機設(shè)置最優(yōu)營養(yǎng)液不同的進(jìn)樣參數(shù)和控制溫控模塊設(shè)置不同的溫度;攝像頭實時拍攝照片上傳給PC機處理，計算出肥菌肥菌濃度值;采用絲網(wǎng)印刷電極、恒電位儀、信號發(fā)生器和PC機得出電化學(xué)檢測活性值，將所得肥菌濃度值和電化學(xué)檢測活性值按權(quán)重處理出最終檢測結(jié)果，在6種最終檢測結(jié)果中選出最大值所對應(yīng)的最優(yōu)的進(jìn)樣參數(shù)和最優(yōu)溫度。
[0007]本發(fā)明設(shè)計了三級式微流控芯片，采用從營養(yǎng)液主成份篩選、主成份濃度配比優(yōu)化到最佳配比營養(yǎng)液的進(jìn)樣參數(shù)和溫度優(yōu)化一整套優(yōu)化控制方法，實現(xiàn)微流體智能操控、溫度控制、智能監(jiān)控雙反饋，實現(xiàn)微流體智能操控、外部形貌圖像自處理和內(nèi)部生理代謝產(chǎn)物活性電化學(xué)檢測雙反饋。本發(fā)明與已有方法和技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點:
(I)本發(fā)明具有自主設(shè)計的三級式微流控芯片，創(chuàng)建了營養(yǎng)液主成份篩選、主成份濃度配比優(yōu)化、最佳配比營養(yǎng)液進(jìn)樣方式、進(jìn)樣參數(shù)和溫度優(yōu)化一整套培養(yǎng)條件優(yōu)化方法，對于任意一種微生物肥菌，在未知營養(yǎng)液成分情況下，都可以進(jìn)行培養(yǎng)條件優(yōu)化控制。
[0008](2)本發(fā)明具有智能微流體操控功能，通過Labview上位微控制器編程直接控制多通道進(jìn)樣方式(順序進(jìn)樣、循環(huán)進(jìn)樣)和進(jìn)樣參數(shù)(時序、時間、速度)進(jìn)行微流控微生物肥菌培養(yǎng)。
[0009](3)本發(fā)明具有Labview上位終端實時溫度控制功能，進(jìn)入上位機主界面參數(shù)設(shè)置，可以進(jìn)行恒溫和梯度溫度設(shè)置，既能定溫培養(yǎng)，又能溫度優(yōu)化。
[0010](4)本發(fā)明具有智能監(jiān)測雙反饋功能，對微生物肥菌培養(yǎng)，通過外部形貌Matlab圖像自處理和內(nèi)部生理代謝產(chǎn)物活性電化學(xué)檢測雙反饋功能，把檢測結(jié)果反饋給Labview上位機，根據(jù)反饋程序激活微流體智能操控，溫度控制功能，調(diào)節(jié)進(jìn)樣方式、進(jìn)樣參數(shù)和溫度，不斷優(yōu)化出微生物肥菌培養(yǎng)條件(主成份、主成份濃度配比、最佳配比營養(yǎng)液進(jìn)樣方式、進(jìn)樣參數(shù)和溫度)。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明用于微生物肥菌培養(yǎng)條件優(yōu)化控制的微流控裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是圖1中10通道恒壓進(jìn)樣器6內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外接結(jié)構(gòu)放大示意圖；
圖3是圖1中三級式微流控芯片26結(jié)構(gòu)俯視放大示意圖；
圖4是圖3的俯視圖；
圖5是圖1中載物臺14的內(nèi)部結(jié)構(gòu)放大圖以及與三級式微流控芯片26的裝配分解放大圖；
圖6是圖5中三級式微流控芯片26在一種工作狀態(tài)時的俯視圖；
圖7是圖1中溫控模塊46的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部連接結(jié)構(gòu)放大示意圖；
圖8是圖1中PC機20對電磁閥7和溫控模塊46的控制框圖；
圖9是圖1中PC機20的控制界面示意圖；
圖10圖1所示微流控芯片裝置實現(xiàn)優(yōu)化控制的流程圖。
[0012]附圖中各部件的序號和名稱:
I:箱體，2:進(jìn)液管，3:營養(yǎng)液儲液瓶，4:營養(yǎng)液進(jìn)氣管，5:恒溫水浴缸，6: 10通道恒壓進(jìn)樣器，7:電磁閥，8:動力源進(jìn)氣管，9:氣栗，1