一种基于谐振波导的植物器官全集成芯片系统与检测方法技术方案

本发明专利技术公开生物传感及微纳加工领域中的一种基于谐振波导的植物器官全集成芯片系统与检测方法，三个细胞暂培及检测腔、缓冲腔通过主通道依次连接，每个细胞暂培及检测中心腔室的底部布置一个微环光波导，每个微环光波导下方各布置一个光波导，三个光波导通过光纤软管分别连接近红外光源激发装置和红外光谱分析仪，将根、茎、叶细胞分别注入对应的三个细胞暂培及检测腔中，细胞培养液依次流经三个细胞暂培及检测腔，得到植物细胞吸收的无机盐离子浓度，判别出无机盐离子的种类；本发明专利技术仿照双子叶植物叶片内叶脉细脉处结构设计的系统，将三个细胞培养腔的检测波导集成于一个近红外光源激发装置，保证检测过程的严谨性，便捷快速，精确度高。精确度高。精确度高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于谐振波导的植物器官全集成芯片系统与检测方法


[0001]本专利技术属于生物传感及微纳加工领域，具体是用于定性检测植物各器官的基本状况的芯片系统与检测方法。

技术介绍

[0002]植物的生长离不开水和无机盐，其中多种无机盐离子更是为植物的茁壮成长提供了必要的支持，而植物的三大器官——根、茎、叶，主要与植物营养物质的吸收、合成、运输、贮藏等有关。传统的检测植物营养物质的方法主要是化学测定法，操作繁琐，不够环保；例如中国专利申请号为201010191832.8，名称为“植物营养成分含量的快速提取检测法”，其自动化程度低，操作繁琐，难以及时获得检测结果。
[0003]生物传感器是以生物活性单元作为生物敏感基元，对被测物具有高度选择性的探测器。微流控芯片集成度高，自动化程度高，试剂用量极少。近年来，随着光子集成技术及微流控芯片技术的不断发展，基于光波导微环谐振腔的生物传感器由于兼具检测速度快、灵敏度高、实时性好、无需标记、不受环境和工频干扰等优点被越来越多地采用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是利用近红外光谱分析技术，并基于光波导微环谐振腔，且复合微流控技术，提供一种微型化、集成度高、自动化、成本低、快速检测、灵敏度高的植物器官全集成芯片系统，以及该系统的检测方法，检测植物营养物质及判断植物器官基本状况，定性及定量地检测出植物各器官吸收常见无机盐离子的浓度。
[0005]本专利技术一种基于谐振波导的植物器官全集成芯片系统采用的技术方案是：具有一个微流控芯片，微流控芯片左侧设有注液口，右侧设有排液口，注液口下方连通缓冲及过滤腔，排液口下方连通缓冲腔，缓冲及过滤腔、三个细胞暂培及检测腔、缓冲腔通过主通道依次连接，微流控芯片的前后两侧旁外部分别设置的是近红外光谱分析仪和近红外光源激发装置，每个细胞暂培及检测腔的正中间是细胞暂培及检测中心腔室，细胞暂培及检测中心腔室的正上方连接样本细胞注入口，每个细胞暂培及检测中心腔室的底部布置一个微环光波导，每个微环光波导下方各布置一个光波导，三个光波导通过光纤软管分别连接近红外光源激发装置和红外光谱分析仪，三个细胞暂培及检测腔从左至右的第一细胞暂培及检测腔为根细胞暂培及检测腔，第二细胞暂培及检测腔为茎细胞暂培及检测腔，第三细胞暂培及检测腔为叶细胞的暂培及检测腔。
[0006]进一步地，每个细胞暂培及检测腔由内而外是依次连通的细胞暂培及检测中心腔室、二级子通道、环形通道和一级子通道，样本细胞注入口底部外围沿圆周方向均匀布置多个相同的第一类型实心微柱，每两个第一类型实心微柱之间形成一个二级子通道，所有的二级子通道均沿径向布置，样本细胞注入口和第一类型实心微柱之间形成细胞暂培及检测中心腔室，第一类型实心微柱和细胞暂培及检测腔侧壁之间形成环形通道，在主通道与细胞暂培及检测腔相连接处，多个第二类型实心微柱沿一段圆弧方向有间隔地布置形成一级
子通道。
[0007]所述的全集成芯片系统检测植物器官的方法采用的技术方案是包括以下步骤：
[0008]步骤1)：将根、茎、叶细胞分别注入对应的三个细胞暂培及检测腔中，将配置好的细胞培养液注入注液口中，细胞培养液依次流经三个细胞暂培及检测腔，；
[0009]步骤2)：待三个细胞暂培及检测腔内的植物细胞培养充分后，开启近红外光源激发装置和近红外光谱仪，近红外光在光波导中传播，部分波长的光进入微环光波导内发生谐振；步骤3)：计算出培养液中的剩余各无机盐离子浓度，从而得到植物细胞吸收的无机盐离子浓度，根据近红外光谱上的谱线峰位的不同，与各无机盐离子的标准谱线峰位的分布作对比，判别出无机盐离子的种类。
[0010]本专利技术与已有方法和技术相比，具有如下优点：
[0011]1.本专利技术仿照双子叶植物叶片内叶脉细脉处结构设计的植物器官(根、茎、叶细胞)全集成培养及检测的微流控芯片系统，将三个细胞培养腔的检测波导集成于一个近红外光源激发装置，保证检测过程的严谨性；结合了近红外光谱的分析技术，直接用于微型芯片的检测，便捷快速，精确度高。
[0012]2.本专利技术中的谐振波导的结构，U型波导与微环波导采用垂直耦合的方式，减小波导的传输损耗，利用光线在其中充分耦合，提高检测结果的精确度。
[0013]3.本专利技术中可优选1500nm、1550nm、1580nm中的一个近红外波长作为微环光波导的谐振波长，有利于检测和记录数据。
[0014]4.本专利技术根据根、茎、叶细胞对生长环境的不同需求，为根细胞暂培养及检测腔的上下部分加上了方形黑色遮光贴片及遮光推片，为茎、叶细胞设计了滤膜推片，透光性与透气性好，保证茎、叶对于光照和空气的需求。
[0015]5.本专利技术采用微孔径滤膜，包含里孔径300μm，0.2μm两种，前者为过滤较大杂质，后者为细胞培养创造无菌环境(0.2μm孔径的滤膜可达到完全除菌的效果)。
[0016]6.本专利技术的微孔径滤膜的网孔形状，表里孔径不一，表孔径大，里孔径小，待过滤液体从里孔径一侧流入，而较大的表孔径可增加流通量和过滤时的流速。
[0017]7.微流控芯片的上下夹板和波导的材质可选用PMMA，芯片基底和盖片的材质可选用PDMS，较大程度上降低了芯片系统的制作成本。
[0018]8.遮光推片、滤膜推片的螺纹杆只有两个螺纹卡槽，类似按动笔的按动装置，增强芯片系统操作的便捷化和自动化。
[0019]9.本专利技术的芯片系统，体积微型，集成度高，便于与多种检测设备进行结合研究与检测。
[0020]10.本专利技术的检测是自动化的，所需的试剂用量极少，检测快速，解放了人力、物力，环保度高。
附图说明
[0021]图1是本专利技术一种基于谐振波导的植物器官全集成芯片系统的结构图；
[0022]图2是图1左视图；
[0023]图3是图1中单个细胞培养及检测腔的结构和连接放大图；
[0024]图4是图3沿左右中轴线的半剖立体结构示意图；
[0025]图5是图3中微环光波导与光波导9的结构放大示意图；
[0026]图6是图5沿左右中轴线的半剖立体结构示意图；
[0027]图7是图1中遮光推片的结构放大示意图；
[0028]图8是图1中第一滤膜推片或第二滤膜推片的结构放大示意图。
[0029]附图中各部件的序号和名称：
[0030]1.微流控芯片；2.缓冲及过滤腔；3.注液口；4.300μm小孔径微型滤膜；5.缓冲腔；6.排液口；7.近红外光谱分析仪；8.近红外光源激发装置；9.第一光波导；10.第二光波导；11.第三光波导；12.第一光纤软管；13.第二光纤软管；14.第三光纤软管；15.第四光纤软管；16.第五光纤软管；17.第六光纤软管；18.第一细胞暂培及检测腔；19.第二细胞暂培及检测腔；20.第三细胞暂培及检测腔；21.遮光推片；22.第一滤膜推片；23.第二滤膜推片；24.方形黑色贴片；
[0031]111.基底；112.中间层；113.盖片；181.主通道；182.一级本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于谐振波导的植物器官全集成芯片系统，具有一个微流控芯片(1)，微流控芯片(1)左侧设有注液口(3)，右侧设有排液口(6)，注液口(3)下方连通缓冲及过滤腔(2)，排液口(6)下方连通缓冲腔(5)，其特征是：缓冲及过滤腔(2)、三个细胞暂培及检测腔、缓冲腔(5)通过主通道(181)依次连接，微流控芯片(1)的前后两侧旁外部分别设置的是近红外光谱分析仪(7)和近红外光源激发装置(8)，每个细胞暂培及检测腔的正中间是细胞暂培及检测中心腔室(187)，细胞暂培及检测中心腔室(187)的正上方连接样本细胞注入口(186)，每个细胞暂培及检测中心腔室(187)的底部布置一个微环光波导(1810)，每个微环光波导(1810)下方各布置一个光波导，三个光波导通过光纤软管分别连接近红外光源激发装置(8)和红外光谱分析仪(7)，三个细胞暂培及检测腔从左至右的第一细胞暂培及检测腔(18)为根细胞暂培及检测腔，第二细胞暂培及检测腔(19)为茎细胞暂培及检测腔，第三细胞暂培及检测腔(20)为叶细胞的暂培及检测腔。2.根据权利要求1所述的一种基于谐振波导的植物器官全集成芯片系统，其特征是：每个细胞暂培及检测腔由内而外是依次连通的细胞暂培及检测中心腔室(187)、二级子通道(183)、环形通道(189)和一级子通道(182)，样本细胞注入口(186)底部外围沿圆周方向均匀布置多个相同的第一类型实心微柱(184)，每两个第一类型实心微柱(184)之间形成一个二级子通道(183)，所有的二级子通道(183)均沿径向布置，样本细胞注入口(186)和第一类型实心微柱(184)之间形成细胞暂培及检测中心腔室(187)，第一类型实心微柱(184)和细胞暂培及检测腔侧壁之间形成环形通道(189)，在主通道(181)与细胞暂培及检测腔相连接处，多个第二类型实心微柱(188)沿一段圆弧方向有间隔地布置形成一级子通道(182)。3.根据权利要求2所述的一种基于谐振波导的植物器官全集成芯片系统，其特征是：环形通道(189)中置放有圆环形的0.2μm小孔径微型滤膜(185)，缓冲及过滤腔(2)中置放有300μm小孔径微型滤膜(4)，滤膜孔在径向的内侧为大孔径，在径向的外侧为小孔径，外侧孔径分别是300μm和0.2μm小孔径。4.根据权利要求2所述的一种基于谐振波导的植物器官全集成芯片系统，其特征是：6个相同的第一类型实心微柱(184)的内壁围成正六边形，6个二级子通道(183)在正六边形的6个顶角处。5.根据权利要求1所述的一种基于谐振波导的植物器官全集成芯片系统，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨宁，韩雪，李凯枫，张华，郭修原，李宗怿，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：