CN118408980A - 一种用于水中细菌检测和定量的电介质泳动检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水中细菌检测和定量的电介质泳动检测装置，包括夹具，所述夹具包括顶部芯片层及与所述顶部芯片层相对设置的基片层，在所述顶部芯片层与所述基片层之间设有与容纳部，所述容纳部内设有所述半导体微电极芯片，且所述容纳部还设有用于与所述半导体微电极芯片配合的垫片层，所述半导体微电极芯片上设有介电泳致动器微电极部及设于所述介电泳致动器微电极部旁的阻抗传感器微电极部。本发明能够通过介电性与阻抗进行定量的整合，能够用于检测高毒力和抗生素耐药性细菌病原体。

Description

一种用于水中细菌检测和定量的电介质泳动检测装置

技术领域

本发明涉及检测装置的技术领域，特别是用于水中细菌检测和定量的电介质泳动检测装置的技术领域。

背景技术

普遍存在的水污染问题正在危害我们的健康。与此同时，我们的饮用水源是有限的。地球上只有不到 1% 的淡水可供我们使用。如果不采取行动，到 2050 年，挑战只会加剧，届时全球对淡水的需求预计将比现在增加三分之一。

微流体学既是研究流体通过微通道的行为的科学，也是制造包含流体流动或限制的腔室和隧道的微型装置的技术。微流体处理的流体量非常小，低至飞升 fL，即万亿分之一升。微流控芯片是模制或雕刻的微通道图案。微流控芯片中的微通道网络通过芯片上挖空的几个不同尺寸的孔与宏观环境相连。流体正是通过这些路径注入微流控芯片并从微流控芯片中排出。

流体是定向，混合，分离或操纵以获得多重，自动化和高吞吐量系统的。

微通道网络设计必须精确阐述以实现所需的特征（实验室芯片，病原体检测，电泳，DNA分析等）。

电介型（DEP）是一种现象，其中将力在介电颗粒上施加不均匀的电场时施加力。该力不需要为粒子充电。在电场的存在下，所有颗粒均表现出介电性活性。该机制可用于检测细菌。

在过去的四十年中，为了研究目的，已经探索了介电性（DEP）技术，以发现技术动力学方法在鉴定细胞鉴定中的使用的扩展和局限性。 DEP受试者是一个重要的主题问题，由于其在操纵微粒，纳米颗粒和细胞生物学方面的潜力而具有创新性。 DEP连续流微流体可以通过使用介电粒细胞（DEP）技术来确定和定量微生物（包括细菌，病毒和原生动物）在内的微生物。通过使用连续流动微流体，设备应用可以是生物传感器测试，细胞培养和分析，介电性实验，阻抗检测以及与硅芯片和传感器的接口。

使用基线电压和电池连接到电极后测得的电压之间的差计算细胞阻抗，这消除了电极 - 电解质组合和寄生元件的贡献。阻抗机制可用于计算一种培养基或样品中粒子的浓度。

这两个元素适用于检测六个高毒和抗生素耐药的细菌病原体，包括：粪肠球菌，金黄色葡萄球菌，肺炎肺炎肺炎，肺炎菌，囊杆菌baumannii，铜绿和静脉毒素量和量化量子量。

马来西亚专利PI 2020006334 为DEP技术的现有技术。该专利公开了一种片上介电电泳（DEP）装置，用于快速、高灵敏度地检测受试者中由病毒感染引起或与之相关的疾病，包括甲型流感病毒及其突变体，以及引起严重急性呼吸系统综合症（SARS）的冠状病毒，包括MERS-COV、SARS-COV-1和SARS-COV-2或 COVID-19。片上DEP装置包括电极阵列和微流体微通道，电极阵列包括沿着样品流体流过的流体流动路径成对规则间隔的锥形DEP微电极。锥形DEP微电极形成为具有 5° -90°锥形轮廓角的平截头体结构，具有高强度电场点，有助于选择性检测和快速操纵样品流体中 y 轴和 z 轴上的颗粒，这些颗粒受到 x 轴的影响。 -轴，使用 DEP 力在平截头体结构的平面表面和锥形 DEP 微电极之间产生颗粒的操纵和分离。样本流体是从受试者收集的唾液。

但是，上述先前的ART并未提供介电性执行器与阻抗传感器进行定量的整合。因此，无法提供埃斯卡普病原体的快速和选择性检测。因此，需要一种能够解决现有设置中所带来的缺点的发明。

发明内容

本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种用于水中细菌检测和定量的电介质泳动检测装置，能够通过介电性与阻抗进行定量的整合，能够用于检测高毒力和抗生素耐药性细菌病原体。

为实现上述目的，本发明提出了一种用于水中细菌检测和定量的电介质泳动检测装置，包括夹具，所述夹具包括顶部芯片层及与所述顶部芯片层相对设置的基片层，在所述顶部芯片层与所述基片层之间设有与容纳部，所述容纳部内设有所述半导体微电极芯片，且所述容纳部还设有用于与所述半导体微电极芯片配合的垫片层，所述半导体微电极芯片上设有介电泳致动器微电极部及设于所述介电泳致动器微电极部旁的阻抗传感器微电极部，所述介电泳致动器微电极部由两列相对设置的介电泳微电极组成、两列所述介电泳微电极之间设有供流体通过的介电泳通道，所述介电泳致动器微电极部一端设有与所述介电泳通道连通的介电泳入口、另一端设有与所述介电泳通道连通的介电泳出口；

所述阻抗传感器微电极部由两列相对设置的阻抗微电极组成、两列所述阻抗微电极之间设有供流体通过的阻抗通道，所述阻抗传感器微电极部一端设有与所述阻抗通道连通的阻抗入口、另一端设有与所述阻抗通道连通的阻抗出口，所述阻抗入口与所述介电泳出口连通；

所述介电泳入口处设有用于将流体送入所述介电泳入口的压力泵，所述阻抗出口处设有用于将流体从所述阻抗出口处抽出的提取泵。

作为优选，所述的介电泳出口有三个、分别为第一出口、第二出口、第三出口。

作为优选，所述的半导体微电极芯片上靠近所述介电泳出口处还设有储液器。

作为优选，所述的阻抗入口设于所述半导体微电极芯片上靠近所述介电泳出口的一端。

作为优选，所述的介电泳致动器微电极部被配置为用于检测、操纵和分类细菌。

作为优选，所述的阻抗传感器微电极部被配置为用于对所述介电泳致动器微电极部分类细菌之后进行细菌定量。

本发明一种用于水中细菌检测和定量的电介质泳动检测装置的有益效果：本发明快速、原位应用且灵敏，用于检测高毒力和抗生素耐药性细菌病原体，包括：屎肠球菌、金黄色葡萄球菌、克雷伯氏菌肺炎，鲍曼不动杆菌，铜绿假单胞菌和水中的肠杆菌等，通过使用微升量的样品，从而保留样品，用户可以选择对细菌病原体进行原位检测，并以最少的实验室设备快速、低成本。本发明提供了一种更高效的检测，易于应用并且适合在实际应用中验证。它有可能成为利益相关者的解决方案，例如社区、食品和饮料行业作为清洁水的用户、废水处理行业生产清洁水以及政府为社区提供高质量的水。通过不同的 DEP 响应，可以根据实验目标的兴趣来操纵细菌细胞，并可以使用阻抗进行浓度测量来进行定量。本发明通过针对ESKAPE病原体和潜在的抗微生物耐药性细菌，提供了细菌学水分析的替代方案。本发明还可以潜在地用于抗微生物耐药性细菌，因为在之前的工作中，研究人员能够通过介电泳来表征耐药性和敏感细菌。抗生素的使用能够改变细菌的特性，尤其是耐药菌和敏感菌的细胞壁特性，因此DEP反应可以根据细菌的变化而改变。本发明具有无限的潜力，可以根据实验目标进行定制。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

附图说明

图1是本发明一种用于水中细菌检测和定量的电介质泳动检测装置的完整结构示意图。

图2是本发明一种用于水中细菌检测和定量的电介质泳动检测装置的半导体微电极芯片俯视结构示意图。

其中：

100-夹具；101-顶部芯片层；103-基片层；105-垫片层；200-半导体微电极芯片；201-介电泳致动器微电极部；201-a介电泳入口；201-b第一出口；201-E压力泵；201-c第二出口；201-d第三出口；203-b阻抗出口；204-储液器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在本发明的描述中，需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

参阅图1、图/2，本发明一种用于水中细菌检测和定量的电介质泳动检测装置，本发明通常与水菌病介电性接球，具有抗性传感器的介电摄取执行器，用于定量设备，用于进行连续流动流动性检测，包括夹具100，所述夹具100包括顶部芯片层101、与所述顶部芯片层101相对设置的基片层103，在所述顶部芯片层101与所述基片层103之间设有与容纳部，所述容纳部内设有所述半导体微电极芯片200，且所述容纳部还设有用于与所述半导体微电极芯片200配合的垫片层105，所述半导体微电极芯片200上设有介电泳致动器微电极部201及设于所述介电泳致动器微电极部201旁的阻抗传感器微电极部203，所述介电泳致动器微电极部201由两列相对设置的介电泳微电极组成、两列所述介电泳微电极之间设有供流体通过的介电泳通道，所述介电泳致动器微电极部201一端设有与所述介电泳通道连通的介电泳入口201a、另一端设有与所述介电泳通道连通的介电泳出口，所述阻抗传感器微电极部203由两列相对设置的阻抗微电极组成、两列所述阻抗微电极之间设有供流体通过的阻抗通道，所述阻抗传感器微电极部203一端设有与所述阻抗通道连通的阻抗入口203a、另一端设有与所述阻抗通道连通的阻抗出口203b，所述阻抗入口203a与所述介电泳出口连通；所述介电泳入口201a处设有用于将流体送入所述介电泳入口201a的压力泵201E，所述阻抗出口203b处设有用于将流体从所述阻抗出口203b处抽出的提取泵203C。所述介电泳出口有三个，分别为第一出口201b、第二出口201C、第三出口201d，所述半导体微电极芯片200上靠近所述介电泳出口处还设有储液器204。

在连续流动微流体流动性过程中，介电泳致动器微电极部201被配置为用于检测、操纵和分类细菌。细菌基于其大小，形状，细胞壁，细胞质和膜的特性的差异将有助于电导率和介电常数，并在整个频率范围内引起不同的极化因子，这些频率范围内表现出不同的介电疗法响应。通过不同的DEP反应，可以根据靶标细菌的兴趣来操纵细菌细胞，分离和分类。压力泵201E在介电泳入口201a中泵送流体，而流体颗粒向第一出口201b、第二出口201C、第三出口201d三个出口移动。

该阻抗传感器微电极部203被配置为用于对所述介电泳致动器微电极部201分类细菌之后进行细菌定量。阻抗传感器将量化液体中细菌细胞的增殖并转换为细菌的浓度。当检测到细菌浓度高峰值时，阻抗测量值会增加。当流体从第一出口201b、第二出口201C、第三出口201d三个出口流出后，流体将在阻抗入口203a内部移动并流向阻抗出口203b。抽取泵203c构造成将流体从阻抗出口203b抽取出来。

流体从第一出口201b、第二出口201C、第三出口201d三个出口流向阻抗入口203a的流动可以测量流体的流速，以及流体从阻抗入口203a流向阻抗出口203b的运动可以测量阻抗，表明液体中细菌的浓度。

在阻抗传感器微电极部203中，流体会经历两种情况：粒子吸引力pDEP 和来自电极的粒子排斥nDEP。

在pDEP 时，颗粒将被吸引到电极，因此流体可以在没有目标颗粒的情况下通过通道。

通过 nDEP，粒子将被排斥离开电极，因此流体可以通过带有目标颗粒粒子的通道。

通过瞄准目标颗粒，可以通过操纵流体中的颗粒来进行 DEP，并使用 nDEP 过滤掉其他颗粒。然后，带有目标颗粒的流体将被泵入阻抗传感器微电极部203以用于阻抗传感器测量。具有其他颗粒的流体将由储存器204收集。

本发明通过靶向ESKAPE病原体提供了细菌学水分析的替代方案。通过使用微升量的样品，从而保留样品，用户可以选择对细菌病原体进行原位检测，并以最少的实验室设备快速、低成本。本发明提供了一种更高效的检测，易于应用并且适合在实际应用中验证。它有可能成为利益相关者的解决方案，例如社区、食品和饮料行业作为清洁水的用户、废水处理行业生产清洁水以及政府为社区提供高质量的水。

这些细菌病原体之间存在差异，因此这可能在介电泳电导率和介电常数的差异中发挥作用。这些差异可能出现在细胞的各个部分，其中外层、细胞壁、细胞质和膜的电导率和介电常数的差异可能会引起极化因子的影响，从而产生不同的DEP响应。通过不同的 DEP响应，可以根据实验目标的兴趣来操纵细菌细胞，并可以使用阻抗进行浓度测量来进行定量。本发明通过针对ESKAPE病原体和潜在的抗微生物耐药性细菌，提供了细菌学水分析的替代方案。

本发明还可以潜在地用于抗微生物耐药性细菌，因为在之前的工作中，研究人员能够通过介电泳来表征耐药性和敏感细菌。抗生素的使用能够改变细菌的特性，尤其是耐药菌和敏感菌的细胞壁特性，因此DEP反应可以根据细菌的变化而改变。本发明具有无限的潜力，可以根据实验目标进行定制。

实施例二

用于微米和纳米尺寸生物样品的 DEP 操作和分选程序。这项工作是介电泳的闭环程序，用于作为执行器的操纵和分离以及作为传感器文档的量化。应用细胞、细菌、蛋白质和病毒等微米至纳米尺寸的颗粒（生物样品范围）。介电泳有效性主张分四个阶段进行，即：阶段（1）极化因子模型与模拟；阶段（2）主体实验；阶段（3）定性观察；阶段（4）定量分析。通过每个阶段，观察到数据与闭环相关，从而验证介电泳结果，以产生微米至纳米尺寸生物颗粒中 DEP 应用的可靠来源。

阶段（1）极化因子的模型和模拟：该过程可以选择从使用基于粒子和介质的克劳修斯·莫索蒂因子的DEP极化因子开始，或者从基于生物特性知识的实验工作DEP开始。当细胞颗粒和介质的参数众所周知时，可以完成 DEP 极化和轨迹因子，就电导率和介电常数值而言，受输入频率的影响。

阶段（2）主要实验：使用介电泳基于 CMF 表征或验证 pDEP、nDEP 和 fxo 的 DEP响应的实验工作。如果粒子的参数不太清楚，可以通过DEP实验来表征pDEP、nDEP和fxo的粒子DEP响应谱。

阶段（3）定性观察：对 x 和 y 轴的图像和视频以及 z 轴的 z 堆栈进行 DEP 分析。第三步分析需要结合图像、视频和 z 堆栈。

阶段（4）定量分析：所有图像、视频和z堆栈将用于分析粒子的速度和头尾轨迹。

对于所有这些阶段，每个阶段都将支持和验证介电泳数据，因为速度和轨迹的结果输出将根据极化因子的模型模拟与 CMF 曲线模型对齐。超过3次的闭环迭代过程将要求DEP应用程序作为DEP执行器在检测、操作和排序方面的效率。重复三到五次将增强生物应用 DEP 作为执行器与 DEP 作为传感器的量化相结合的微米和纳米范围的灵敏度和选择性。

本申请文件中使用到的标准零件均可以从市场上购买，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，电动滑轨滑座、气缸、焊接机、电动伸缩杆和控制器内部部件均采用现有技术中常规的型号，且其内部构造属于现有技术结构，工人根据现有技术手册就可完成对其进行正常操作，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再作出具体叙述。

需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明专利的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于水中细菌检测和定量的电介质泳动检测装置，包括夹具（100），其特征在于：所述夹具（100）包括顶部芯片层（101）及与所述顶部芯片层（101）相对设置的基片层（103），在所述顶部芯片层（101）与所述基片层（103）之间设有与容纳部，所述容纳部内设有所述半导体微电极芯片（200），且所述容纳部还设有用于与所述半导体微电极芯片（200）配合的垫片层（105），所述半导体微电极芯片（200）上设有介电泳致动器微电极部（201）及设于所述介电泳致动器微电极部（201）旁的阻抗传感器微电极部（203），所述介电泳致动器微电极部（201）由两列相对设置的介电泳微电极组成、两列所述介电泳微电极之间设有供流体通过的介电泳通道，所述介电泳致动器微电极部（201）一端设有与所述介电泳通道连通的介电泳入口（201a）、另一端设有与所述介电泳通道连通的介电泳出口；

所述阻抗传感器微电极部（203）由两列相对设置的阻抗微电极组成、两列所述阻抗微电极之间设有供流体通过的阻抗通道，所述阻抗传感器微电极部（203）一端设有与所述阻抗通道连通的阻抗入口（203a）、另一端设有与所述阻抗通道连通的阻抗出口（203b），所述阻抗入口（203a）与所述介电泳出口连通；

所述介电泳入口（201a）处设有用于将流体送入所述介电泳入口（201a）的压力泵（201E），所述阻抗出口（203b）处设有用于将流体从所述阻抗出口（203b）处抽出的提取泵（203C）。

2.如权利要求1所述的一种用于水中细菌检测和定量的电介质泳动检测装置，其特征在于：所述介电泳出口有三个、分别为第一出口（201b）、第二出口（201C）、第三出口（201d）。

3.如权利要求1所述的一种用于水中细菌检测和定量的电介质泳动检测装置，其特征在于：所述半导体微电极芯片（200）上靠近所述介电泳出口处还设有储液器（204）。

4.如权利要求1所述的一种用于水中细菌检测和定量的电介质泳动检测装置，其特征在于：所述阻抗入口（203a）设于所述半导体微电极芯片（200）上靠近所述介电泳出口的一端。

5.如权利要求1所述的一种用于水中细菌检测和定量的电介质泳动检测装置，其特征在于：所述介电泳致动器微电极部（201）被配置为用于检测、操纵和分类细菌。

6.如权利要求5所述的一种用于水中细菌检测和定量的电介质泳动检测装置，其特征在于：所述阻抗传感器微电极部（203）被配置为用于对所述介电泳致动器微电极部（201）分类细菌之后进行细菌定量。