一种微生物生长图像检测微室微流控系统技术方案

本发明专利技术公开了一种微生物生长图像检测微室微流控系统，包括显微镜、恒流注射泵、注射器、恒温载物台、微室微流控芯片、收集器和CMOS视频检测组件；所述恒温载物台置于显微镜载物上；微室微流控芯片置于恒温载物台上；独立设计的微室结构可用于微生物的实时培养，所述CMOS视频检测组件连接固定于显微镜上方，所述CMOS视频检测部件用于配套测量所述微室微流控芯片中每个微室内细菌的形态学变化；所述CMOS视频检测装置还包括运算单元，运算单元是基于实现线性空间滤波原理和对应的分割公式和系数，用于获得微生物清晰的灰度图像信息。本发明专利技术有效解决传统微生物图像检测方法耗时耗力、价格昂贵、功能单一、无法获取长时间、实时、真实的微生物生长图像信息的技术缺陷，具有较大的应用前景。

A microchamber microfluidic system for image detection of microbial growth

The invention discloses a microchamber microfluidic control system for microbial growth image detection, which comprises a microscope, a constant current injection pump, a syringe, a constant temperature carrier platform, a microchamber microfluidic chip, a collector and a CMOS video detection module; the constant temperature carrier platform is placed on a microscope carrier; the microchamber microfluidic chip is placed on a constant temperature carrier platform; The independently designed microcellular structure can be used for the real-time cultivation of microorganisms. The CMOS video detection module is connected and fixed above the microscope. The CMOS video detection component is used to measure the morphological changes of bacteria in each microcellular microfluidic chip. The CMOS video detection device also includes an operation unit and an operation unit. The arithmetic unit is based on the principle of linear spatial filtering and the corresponding segmentation formulas and coefficients to obtain clear gray image information of microorganisms. The invention effectively solves the technical defects of the traditional microbial image detection method, which is time-consuming, expensive, single-function, unable to obtain long-time, real-time and real-time microbial growth image information, and has great application prospects.

【技术实现步骤摘要】
一种微生物生长图像检测微室微流控系统
本专利技术属于微生物检测
，更具体地，涉及微生物生长图像检测微室微流控系统。
技术介绍
微生物的培养是生命科学和医学研究，以及工业发酵和食品检测领域的基础技术，而目前的细菌培养检测领域，往往只能获得细菌的生长曲线这一个检测指标，即利用浊度检测装置，如分光光度计、酶标仪等获得细菌菌体密度和个数的变化曲线。但是随着科学技术和经济的发展，这一检测技术已经不能满足当今的科学研究以及食品发酵工业检测领域的要求。因此急需一种高通量，样品消耗少，快速化，微型化，自动化，可视化，集成化与便携化的检测装置。微流控技术是指利用微尺度管道控制微小流体（体积一般为皮升至纳升）进行流动、传热、传质的技术，其涉及到化学、生物学、生物医学工程、材料、微电子等多口学科。微流控技术始于20世纪90年代，最早于1992年由瑞士的AndreasManz教授提出，经过二十多年的发展，微流控技术已从当初的毛细管电泳技术，一维连续流动式芯片发展成具有三维，高通量和多功能集成的芯片。如今的微流控芯片（microfluidicchips），己被广泛应用在生化样品（核酸和蛋白等）的分析、合成、分离及检测中。相较于其他的分析技术，微流控芯片的技术优势明显，其特征在于可将各种不同功能的单元技术在微小平台上进行组合与集成，使得科学研究过程更高效、便捷。微流控芯片作为微流控技术的核心平台，其加工技术起源于半导体集成电路芯片的微加工技术，之后经过长时间的发展，到目前为止，常用的微流控芯片加工方法有刻蚀法、热压法、模塑法、注塑法、激光烧蚀法、软光刻以及LIGA技术等。然而随着微流控技术的发展，其应用领域目前也拓展到细胞和细菌的研究中，Torisawa等（2007）设计并制备了PDMS材料的微管道与硅制作的微孔板连接到一起的三维芯片，并将多细胞的球状体培养在芯片上，经过14天的连续观察，研究了球状体的形成，该研究为进行活细胞与癌细胞的药物筛选建立了一种芯片模型。2008年Lanning等设计了一种T型的微流控芯片，利用两条液流在主管道里混合，形成层流，并产生浓度梯度，观察细菌在这样的环境下的迁移情况。观察到尽管在有液流的条件下，细菌仍可以在层流中迁移，使其朝着有利于自身生存的方向移动。2010年Kim等设计了一种基于微流控芯片技术的细胞共培养模型，模拟了肠出血性大肠杆菌对Hala细胞的感染过程，观察到细菌在细胞上的定植与繁殖，并且形成了细菌被膜。虽然微流控芯片已经在细菌和细胞领域有了一定的发展，但是对微生物的培养仍然有很多技术缺陷，如多采用通道培养模式，单一通道的培养会使得微生物的生长和运动收到限制；另外多采用双层限制培养模式，即底层接种微生物，然后在上层覆盖一层高分子薄膜，通过在上层流通培养基的方法进行渗透培养，该方法严重限制了微生物的运动和微生物与培养基的接触，不利于微生物的生长，更不能进行微生物的运动性研究。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述现有技术的缺陷和不足，提供一种用于微生物实时培养观察的微室微流控芯片。所述微流控芯片具有透光、透氧、高通量、样品消耗少、微型化、自动化、可视化、便携式等特点，利用所述芯片可对细菌的形态和生长进行实时在线检测。本专利技术的再一目的是提供一种微生物生长图像检测微室微流控系统。本专利技术的上述目的是通过以下技术方案给予实现的：一种用于微生物实时培养观察的微室微流控芯片，包括芯片主体，所述芯片主体包含至少一条微流通道，所述微流通道由依次连通的进液口1、主通道2和出液口3组成；所述主通道1的中间段为折线型，所述折线型主通道在拐角处沿液流方向向外延伸形成环形通道并形成围堰结构的微室4，微室4靠近主通道的一端设置有T型角5；所述微室4与主通道1间的通道上设置有微柱6；所述微室4的围堰为半封闭、不完全封闭或全封闭，所述芯片主体上设置有至少三个上述不同类型的微室（4）。本专利技术的微流控芯片设置有独立培养的微室，微室根据不同的功能采用不同的三种设计；其中半封闭的微室作为观察微室，用于细菌生长的培养观察，由于采用半封闭的设计，当培养基在通过环形通道时可与微室内的细菌充分混合，从而适用于细菌生长的培养观察；不完全封闭的微室作为趋化性追踪微室，适用于细菌的生长观察及趋化性追踪，当不同的培养基通过环形通道时，由于微室与环形通道为不完全封闭，因此微室内的细菌可感知环形通道流过的培养基，从而产生趋化运动；完全封闭的微室则作为生物膜测量微室，由于环形通道与微室之间没有任何开口，因此细菌均在微室外围通道生长，整个微室起到微柱黏附作用。另外，微柱为多柱形传动结构，其与T型角起到阀门的作用，通过利用微柱黏附作用，起到传送菌液及培养基到环形通道和微室的作用，T型角同时起到分流作用，使液流具有方向性，可以从环形通道的一端流入从另一端流出；同时，每个微室的围堰也具有阀门的作用，保证细菌和培养基可以流经环形通道和微室。优选地，所述主通道深度为35µm，微室深度为8µm；如果深度太深容易造成细菌培养室叠层，从而不利于观察，如果太浅又会造成细菌培养时通量不够，影响观察结果。优选地，所述微室直径为150～160µm或250～260µm，150～160µm适于40倍物镜下观察，250～260µm适于20倍物镜观察。优选地，所述半封闭微室的开口大小为微室圆周长的三分之一左右。优选地，所述不完全封闭微室的开口大小略大于细菌的直径，为5～10µm。优选地，所述微流控芯片由PDMS材料制成。PDMS材料可谓微生物的培养提供微生物的恒化培养提供一个稳定空间结构和透气环境，微室高度适配细胞细菌等各种微生物的生长和运动，同时为后期的观察提供一个良好透光介质。本专利技术还请求保护上述微室微流控芯片在制备微生物生长图像检测系统中的应用。一种微生物生长图像检测微室微流控系统，包括显微镜、恒流注射泵、注射器、恒温载物台、上述任一所述微室微流控芯片、收集器和CMOS视频检测组件；所述恒温载物台置于显微镜载物上；所述微室微流控芯片置于恒温载物台上，为芯片提供恒定的培养温度，大小适配于显微镜和芯片；所述CMOS视频检测部件通过连接固定于显微镜上方，所述CMOS视频检测组件用于配套测量所述微室微流控芯片中每个微室内细菌的形态学变化；所述微室微流控芯片的进液口连接有恒流注射泵，恒流注射泵上设置有注射器；所述微室微流控芯片的出液口连接有收集器。优选地，所述CMOS视频检测组件包括运算单元，运算单元是基于中值滤波原理和对应的分割公式和系数，用于获得微生物清晰的灰度图像信息。优选地，所述运算单元是基于mat2gray函数和imfilter函数进行图像滤波，图像分割采用bwareaopen函数和bwareaclose函数以及环形分割公式S=（R2-r2）。具体为采用imfilter函数（实现线性空间滤波函数），参数设置为‘corr’即相关和‘replicate’即图像大小通过复制外边界的值来扩展，平均滤波窗口大小为30，最小滤波像素阈值0.035，使用imfilter函数前先采用mat2gray函数将图像矩阵归一化，即，所有数据除以最大值，矩阵最大值为1，从而将矩阵数据归一化在0到1之间，便于后期参数的设定。bwareaopen函数（MATLAB）和bwareaclose函数，参本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于微生物实时培养观察的微室微流控芯片，其特征在于，包括芯片主体，所述芯片主体包含至少一条微流通道，所述微流通道由依次连通的进液口（1）、主通道（2）和出液口（3）组成；所述主通道（1）的中间段为折线型，所述折线型主通道在拐角处沿液流方向向外延伸形成环形通道并形成围堰结构的微室（4），微室（4）靠近主通道的一端设置有T型角（5）；所述微室（4）与主通道（1）间的通道上设置有微柱（6）；所述微室（4）的围堰为半封闭、不完全封闭或全封闭，所述芯片主体上设置有至少三个上述不同类型的微室（4）。

【技术特征摘要】
1.一种用于微生物实时培养观察的微室微流控芯片，其特征在于，包括芯片主体，所述芯片主体包含至少一条微流通道，所述微流通道由依次连通的进液口（1）、主通道（2）和出液口（3）组成；所述主通道（1）的中间段为折线型，所述折线型主通道在拐角处沿液流方向向外延伸形成环形通道并形成围堰结构的微室（4），微室（4）靠近主通道的一端设置有T型角（5）；所述微室（4）与主通道（1）间的通道上设置有微柱（6）；所述微室（4）的围堰为半封闭、不完全封闭或全封闭，所述芯片主体上设置有至少三个上述不同类型的微室（4）。2.根据权利要求1所述的用于微生物实时培养观察的微室微流控芯片，其特征在于，所述主通道深度为35µm，微室深度为8µm。3.根据权利要求1所述的用于微生物实时培养观察的微室微流控芯片，其特征在于，所述微室直径为150～160µm或250～260µm。4.根据权利要求1所述的用于微生物实时培养观察的微室微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片由PDMS材料制成。5.权利要求1～4任一项微室微流控芯片在制备微生物生长图像检测系...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙雪松，杜高飞，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东,44