一种用于致病菌的快速富集及原位检测的细菌传感芯片制造技术

本发明专利技术提供了一种用于环境空间中致病菌快速富集及原位检测的细菌传感芯片。所涉及的细菌传感芯片包括带进气/液口的上层壳体，微孔网状电极、带出气/液口和平板对电极的下层壳体、L形流体通道，上下壳体通过垫圈密封，用以实现环境空间中致病菌的快速过滤富集及原位检测。细菌传感芯片的核心部件微孔网状电极为网状金属结构，具有透气效能，通过复合水凝胶对其表面进行修饰和改性，控制微孔尺寸，可实现环境空间中致病菌的高效吸附，同时实现原位电检测。所涉及的细菌传感芯片具有样本无需前处理、无需标记、快速、简便等优点，适用于环境空间中致病菌的快速富集及原位检测。

A bacterial sensor chip for rapid enrichment and in situ detection of pathogenic bacteria

【技术实现步骤摘要】
一种用于致病菌的快速富集及原位检测的细菌传感芯片
本专利技术属于环境监测、生化传感领域，具体涉及细菌传感芯片。
技术介绍
环境空间中微生物种类繁多，包括细菌、真菌和病毒等，其极易吸附于空气颗粒物表面并可进入人的肺部，对人体的健康造成严重的危害。空气中致病菌含量是环境空气监测的重要指标之一，尤其是针对医院、畜牧场、养殖场等特殊环境空间。因此，空气中致病菌的研究对环境安全及呼吸道疾病的传播规律研究和控制都有十分重要的意义。目前，对于空气中致病菌的检测主要参照现行标准GB/T18204.3-2013，以撞击法或自然沉降法采集，通过平板培养和计数的方法测定空气中致病菌，存在步骤繁琐耗时长的问题。因此，寻求空气中致病菌快速富集和检测的新方法和新途径，满足空气中致病菌快速检测与鉴别的需求，成为环境空气检测关注的热点和重点。环境空间中致病菌的采集法主要有自然沉降法、固体撞击法、液体冲击法、过滤法、静电沉降法以及微流控芯片技术。自然沉降法、固体撞击法及液体冲击法最为常用，但致病菌富集后需通过培养，再辅以分子生物学方法实现检测及鉴定，耗时耗力。静电沉降法虽然富集效率高，但施加电场产生的电荷容易破坏细菌的活性，且使用条件受限。过滤法原理简单、成本低廉，捕获效率高等优势而备受关注。目前已有基于过滤原理的环境空间中致病菌富集装置及方法的相关专利报道，申请号为“200610169705.1”的“一种富集空气微生物的方法与专用装置”专利是基于直接吸入滤过式原理，设计制作富集空气中微生物的装置与方法，对空气中的微生物进行过滤富集。进而，对富集的微生物进一步核酸提取、纯化，再结合分子生物学测试法实现检测及鉴定。微流控芯片技术富集效率高，洗脱液体积小，操作简单，易于集成，也成为空气微生物快速检测的理想工具之一。有研究[1]（Anal.Chem.2013,85,5255-5262）采用带有独特的鱼骨结构的微流控芯片，利用鱼骨结构对空气产生扰动,引起气流混乱,实现微生物颗粒的吸附,具有富集速度快、效率高、洗脱体积小的优点。有研究[2]（SensorsandActuatorsB,2018,258:1138-1145）结合过滤技术和微流控芯片技术两者的优势，将微过滤器与环介导等温扩增技术（LAMP）集成到一张PDMS芯片上用于对空气微生物进行富集和检测。采样完成后在过滤膜上滴加裂解液，完成DNA的提取，并将提取液人工转移至LAMP腔室，完成后续细菌的检测。可以看到，尽管现有致病菌快速检测的方法，如PCR法、酶联免疫法、荧光标记法、电阻抗法等可满足环境空间中致病菌的检测，但仍处于富集与检测分离的现状。
技术实现思路
本专利技术目的是针对环境空间中致病菌富集效率低、检测时间长等不足，提供一种环境空间中致病菌的快速富集及检测的细菌传感芯片，基于过滤富集、微流体控制、电阻抗传感原理，结合电极表面材料改性技术、激光刻蚀和数字雕刻加工技术，实现环境空间中致病菌的高效、原位检测及鉴别。本专利技术的技术方案如下：一种环境空间中致病菌的快速富集及原位检测的细菌传感芯片，该芯片具有至少一个单元结构，所述单元结构包含带进气/液口的上层壳体、带出气/液口的下层壳体以及夹装在两者之间的电极，是一种三维夹心结构。以此为该单元结构，可进一步通过共用一个出液/出气口，实现多个集成，构成阵列式细菌传感芯片。所述电极包括微孔网状电极和平板对电极，所述微孔网状电极是通过凝胶修饰和改性的，其设置在上层壳体的进气/液口下方，所述平板对电极设置在微孔网状电极下方的下层壳体的凹槽中，与微孔网状电极之间留有空间；所述下层壳体的出气/液口开设在凹槽侧壁；从所述上层壳体的进气/液口，经过微孔网状电极的微孔，到下层壳体的凹槽，在到下层壳体的出气/液口，连通构成芯片的流体通道，流体通道呈L型。所述细菌传感芯片当包含两个或以上单元结构时，可以通过共用一个出液/出气口，实现集成，构成阵列细菌传感芯片。使用时，在出气/液口连通真空泵，施加负压，使空气/水样从进气/液口进入细菌传感芯片，通过微孔网状电极实现空气中致病菌的过滤富集；采样完成后将细菌传感芯片的微孔网状电极与工作电极相连，平板对电极与参比电极相连，从进液口注入电解液，测得电阻抗谱，实现环境空间中致病菌的原位电阻抗检测。针对致病细菌的捕获和富集需求，所述微孔网状电极采用壳聚糖水凝胶、复合壳聚糖-碳纳米管水凝胶、复合壳聚糖-金纳米颗粒水凝胶等多种凝胶材料进行表面修饰。所述微孔网状电极选择金、铂、铜、铝等材料，具有10μm~75μm孔径的微孔，所述微孔可为三角形、正四边形、菱形、多边形、圆形等。所述壳体材料优先选择PMMA、特氟龙或不锈钢。所述上层壳体的进气/液口的半径为2~20mm；所述下层壳体的凹槽的半径为2~20mm，深为1~10mm，用于平板对电极的固定。所述上层壳体和下层壳体之间通过密封垫圈密封，所述密封垫圈嵌装在上层壳体和下层壳体相对的环槽中。所述微孔网状电极的边缘通过密封垫圈支撑。所述密封垫圈优选为带有大孔径的尼龙/锦纶/不锈钢网，孔径为300~1000μm。采用上述技术方案，本专利技术主要有以下效果：1、本专利技术是针对环境空间中致病菌快速检测的需求，提出将分离富集、微流控芯片分析、电阻抗检测等多种技术结合，构建环境空间中致病菌快速检测的阵列式细菌传感芯片。通过设计和构建微孔网状电极结构、微流体微通道以及微孔电极表面改性等，实现致病菌的高效富集，通过在传感芯片上集成无需标记、快速、简便的致病菌检测途径和方法，实现环境空间中致病菌的高效、原位检测及鉴别。2、本专利技术的核心部件微孔网状电极为网状金属结构，具有透气效能，通过复合水凝胶对其表面进行修饰和改性，控制微孔尺寸，凝胶修饰的微孔网状电极可过滤富集环境空间中致病菌，同时实现原位阻抗检测，由此可以有效提高对环境空间中致病菌快速检测的效率。3、本专利技术采用的水凝胶修饰微孔网状电极具有良好的致病菌捕获能力。本专利技术提出采用多种金属或导电材料作为微孔网状电极，采用多种对细菌有响应的水凝胶或复合水凝胶材料作为微孔网状电极的表面修饰膜，这些表面修饰的凝胶材料的引入，可有效改善电极表面的物理性质、化学性质及生物相容性，增强电极与细菌的相互作用力，有利于提高致病菌富集效率，且水凝胶膜材料可保证致病菌的原始形态；同时，其还能有效提高微孔网状电极的导电性能，有利于实现环境空间中致病菌富集后的原位高效检测。附图说明图1是细菌传感芯片的单元结构分解剖面图。图2阵列细菌传感芯片的示意图。图3以裸铜网为电极的细菌传感芯片富集金葡菌前后的测得电阻抗Bode图。图4实施例3以CS-铜网为电极的细菌传感芯片富集金葡菌前后的测得电阻抗Bode图。图5是实施例4以PDA-CS-铜网为电极的细菌传感芯片富集金葡菌前后的测得电阻抗Bode图。具体实施方式以下结合附图进一步说明本专利技术的结构和工作方式：参见图1，本专利技术提出的环境空间中致病菌的快速富集及原位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快速富集及原位检测的细菌传感芯片，该芯片包含至少一个单元结构，所述单元结构包含带进气/液口的上层壳体、带出气/液口的下层壳体以及夹装在两者之间的电极；其特征在于：/n所述电极包括微孔网状电极和平板对电极，所述微孔网状电极是通过凝胶修饰和改性的，其设置在上层壳体的进气/液口下方，所述平板对电极设置在微孔网状电极下方的下层壳体的凹槽中，与微孔网状电极之间留有空间；所述下层壳体的出气/液口开设在凹槽侧壁；/n从所述上层壳体的进气/液口，经过微孔网状电极的微孔，到下层壳体的凹槽，在到下层壳体的出气/液口，连通构成芯片的流体通道；/n使用时，从出气/液口连通真空泵，施加负压，使空气/水样从进气/液口进入细菌传感芯片，通过微孔网状电极实现空气中致病菌的过滤富集；采样完成后将细菌传感芯片的微孔网状电极与工作电极相连，平板对电极与参比电极相连，从进液口注入电解液，测得电阻抗谱，实现环境空间中致病菌的原位电阻抗检测。/n

【技术特征摘要】
1.一种快速富集及原位检测的细菌传感芯片，该芯片包含至少一个单元结构，所述单元结构包含带进气/液口的上层壳体、带出气/液口的下层壳体以及夹装在两者之间的电极；其特征在于：
所述电极包括微孔网状电极和平板对电极，所述微孔网状电极是通过凝胶修饰和改性的，其设置在上层壳体的进气/液口下方，所述平板对电极设置在微孔网状电极下方的下层壳体的凹槽中，与微孔网状电极之间留有空间；所述下层壳体的出气/液口开设在凹槽侧壁；
从所述上层壳体的进气/液口，经过微孔网状电极的微孔，到下层壳体的凹槽，在到下层壳体的出气/液口，连通构成芯片的流体通道；
使用时，从出气/液口连通真空泵，施加负压，使空气/水样从进气/液口进入细菌传感芯片，通过微孔网状电极实现空气中致病菌的过滤富集；采样完成后将细菌传感芯片的微孔网状电极与工作电极相连，平板对电极与参比电极相连，从进液口注入电解液，测得电阻抗谱，实现环境空间中致病菌的原位电阻抗检测。


2.根据权利要求1所述的用于环境空间中致病菌的快速富集及原位检测的细菌传感芯片，其特征在于，所述细菌传感芯片包含至少两个所述单元结构，所有单元结构通过共用一个出气/出液口，构成集成式的阵列细菌传感芯片。


3.根据权利要求1或2所述的用于环境空间中致病菌的快速富集及原位检测的细菌传感芯片，其特征在于，所述微孔网状电极采用壳聚糖水凝胶、复合壳聚糖-碳纳米管水凝胶、复合壳聚糖-金纳米颗粒水凝胶等多种凝胶材料进行表面修饰。

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【专利技术属性】
技术研发人员：徐溢，苏喜，庞义全，陈李，李顺波，王力，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50