一種全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于農(nóng)藥殘留現(xiàn)場檢測的基于酶抑制反應(yīng)全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)及方法，主要由一個便攜式的分析檢測儀器，以及一次性使用的微流控芯片組成。所述的微流控芯片塑料高分子材質(zhì)通過現(xiàn)有的微加工技術(shù)制造而成，由中心卡槽，萃取室，樣品室，反應(yīng)室，檢測室，微槽，微孔和質(zhì)控條形碼構(gòu)成。內(nèi)部固定有農(nóng)殘檢測所需的試劑(包括提取液、酶、顯色劑等)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動定量進樣、流體分配以及生化反應(yīng)和分子識別等功能。所述便攜式分析儀器中整合流體操控模塊、光電檢測模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、信息存儲及通訊模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對微流控芯片中生化反應(yīng)的操控與待測指標-農(nóng)藥殘留的快速分析與檢測。本發(fā)明提供的微流控芯片系統(tǒng)及方法，特別適合于水果、蔬菜、土壤、水質(zhì)等樣本中農(nóng)藥殘留的全自動、高通量檢測和篩查。
【專利說明】一種全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微流控芯片分析領(lǐng)域，特別涉及一種基于酶抑制反應(yīng)全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]酶抑制反應(yīng)及分析方法在重金屬離子、有機磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥等有毒有害物質(zhì)的檢測領(lǐng)域具有極其深入的研宄和極其廣泛的應(yīng)用。例如，目前，基于酶抑制法原理的農(nóng)藥殘留快速檢測方法和儀器(主要包括農(nóng)殘速測儀和農(nóng)殘速測卡)已被列入國家標準和行業(yè)標準(GB/T5009.199-2003)，并廣泛應(yīng)用于蔬菜、水果、茶葉等生產(chǎn)基地、農(nóng)貿(mào)市場、超市及監(jiān)督部門，成為我國農(nóng)藥殘留快速檢測的主流技術(shù)，是當今和今后一段時期內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留快速檢測的首選方法之一。
[0003]然而，現(xiàn)有的農(nóng)藥殘留快速檢測產(chǎn)品往往是基于傳統(tǒng)的生化分析實驗室檢測方法實現(xiàn)酶抑制反應(yīng)分析檢測。例如，現(xiàn)有的農(nóng)殘速測儀主要依靠移液器、燒杯、比色皿等大量的附件及分析器皿完成酶抑制分析，操作步驟包括溶液配制(包括提取液、酶、顯色劑、底物)、酶抑制反應(yīng)、顯色反應(yīng)過程繁瑣，全部依靠人工完成，耗時長，并且操作人員需要具備一定的專業(yè)知識，只能在實驗室內(nèi)進行，難以實現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測；為了實現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測，人們還開發(fā)了基于酶抑制反應(yīng)原理的農(nóng)殘速測卡，這種方法雖然簡便易行，然而這種方法存在反應(yīng)均一性差、分析準確率低等缺點，這是由于該方法依靠在膜、試紙等多孔固體介質(zhì)表面固定酶，繼而將溶液樣本滴加于試紙表面完成酶抑制反應(yīng)過程，屬于一種“干化學法”的酶抑制反應(yīng)分析，受到試劑固定不均一、溶液蒸發(fā)等因素影響較大。
[0004]微流控芯片指的是一種在一塊幾平方厘米的芯片上構(gòu)建的生物或化學實驗室。它把生物和化學領(lǐng)域中所涉及的反應(yīng)、分離、培養(yǎng)、分選、檢測等基本操作單元分別做成微/納米量級的構(gòu)件，集成到一塊很小的芯片上，由微通道形成網(wǎng)絡(luò)，以可控流體貫穿整個系統(tǒng)，用以實現(xiàn)常規(guī)生物或化學實驗室的各種功能。由于微流控芯片技術(shù)具有進樣量小、集成度高、易實現(xiàn)自動化控制和高通量分析的特點，使得在微流控芯片上進行生化反應(yīng)操作較常規(guī)的分析樣品前處理更方便、快速、成本低廉。而且，高特異性的生化反應(yīng)與微流控芯片強大的分離、檢測能力相結(jié)合將顯示出更為顯著的優(yōu)勢。
[0005]因此，如果能夠在微流控芯片技術(shù)平臺上，開發(fā)一種用于酶抑制反應(yīng)的全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的平臺及分析方法，不僅將使樣品處理時間大幅縮短、試劑和儀器成本大幅降低、檢測分辨率和靈敏度顯著提高，而且基于溶液反應(yīng)的酶抑制反應(yīng)對比農(nóng)殘速測卡技術(shù)將極大地提高反應(yīng)均一性和可控性。特別是將便攜型檢測儀器進一步與微流控芯片整合，將大大縮小檢測系統(tǒng)的體積，使基于酶抑制反應(yīng)的現(xiàn)場、簡便、快速、準確檢測成為可會K。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對目前農(nóng)藥特別是有機磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘留現(xiàn)場快速檢測技術(shù)的上述問題，提供一種全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的平臺及分析方法，具體方案是基于微流控芯片技術(shù)，集成前處理、進樣、生化反應(yīng)和分析檢測，基于溶液酶抑制反應(yīng)、生化顯色反應(yīng)和吸光度檢測原理，實現(xiàn)農(nóng)藥殘留的全自動、高通量、快速、準確檢測。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)及方法，主要由一個便攜式的分析檢測儀器，以及一次性使用的微流控芯片組成。
[0008]本發(fā)明提供的全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)，所述便攜式分析儀器中整合流體操控模塊、光電檢測模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、信息存儲及通訊模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對微流控芯片中生化反應(yīng)的操控與待測指標一農(nóng)藥殘留的快速分析與檢測。
[0009]本發(fā)明提供的全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)，所述的流體控制模塊由離心機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力構(gòu)成，微流控芯片內(nèi)部的樣本溶液在離心力的控制下，沿導管進入各個反應(yīng)池相應(yīng)的反應(yīng)；
[0010]本發(fā)明提供的全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)，所述的溫度控制模塊由加熱板和溫度傳感器構(gòu)成用于控制微流控芯片的整體溫度，溫度控制范圍為10?60°C，控溫精度為±0.1?±2°C ；
[0011]本發(fā)明提供的全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)，所述的檢測模塊由光源和光電傳感器構(gòu)成，用于對生化反應(yīng)結(jié)果進行吸光度測定；所述的光源優(yōu)先使用微型單色LED冷光源，波長范圍為340?800nm，所述的光電傳感器可以是光電二極管、光電三極管、CMOS或CCD等；
[0012]本發(fā)明提供的全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)，所述的數(shù)據(jù)處理和控制模塊由單片機、顯示屏或打印機、藍牙或無線通訊器件組成，用于對上述模塊進行程序化控制及數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和傳輸處理。
[0013]本發(fā)明提供的全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)，所述微流控芯片為塑料高分子材質(zhì)通過現(xiàn)有的微加工技術(shù)制造而成，內(nèi)部固定有農(nóng)殘檢測所需的試劑(包括提取液、酶、顯色劑等)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動定量進樣、流體分配以及生化反應(yīng)和分子識別等功會K。
[0014]本發(fā)明提供的全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)，所述的微流控芯片由中心卡槽，萃取室(提取液池)，樣品室，反應(yīng)室，檢測室，微槽，微孔和質(zhì)控條形碼構(gòu)成。
[0015]本發(fā)明提供的全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)，所述的微流控芯片內(nèi)部預(yù)先存儲有用于農(nóng)藥殘留檢測的生化試劑，包括萃取劑(農(nóng)藥提取液)、酶、底物和顯色劑等；所述生化試劑可以是液體試劑，也可以是粉末狀、薄膜狀或塊狀的固體試劑；所述的存儲方式可以是液囊封裝，也可以是表面修飾、凝膠包埋、塊體封裝等。
[0016]本發(fā)明提供的全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片分析方法，在農(nóng)殘檢測操作時首先掃描芯片質(zhì)控條形碼，待測樣品放入芯片樣品室，關(guān)閉樣品室密封蓋，釋放芯片內(nèi)部預(yù)先存儲的生化試劑，將芯片放入檢測儀器并開啟儀器，5-10分鐘內(nèi)在芯片各微腔室內(nèi)完成樣品前處理、生化反應(yīng)、檢測等，并將精確的檢測結(jié)果以屏幕顯示或打印的方式呈現(xiàn)出來，獲得農(nóng)藥殘留的含量。
[0017]本發(fā)明提供的全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片分析方法，所述的前處理是在芯片內(nèi)部完成樣本和農(nóng)藥提取液在萃取池中的萃取反應(yīng)。
[0018]本發(fā)明提供的全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片分析方法，所述的生化反應(yīng)包括溶液相的酶抑制反應(yīng)和顯色反應(yīng)，所述的檢測是通過溶液吸光度連續(xù)測定法而實現(xiàn)。
[0019]本發(fā)明的優(yōu)點在于:1)在微流控芯片內(nèi)部固定酶試劑及生化試劑，包括萃取劑、酶、底物和顯色劑等，無需使用其余的附件以及避免大量繁瑣的溶液配制工作；2)便攜式分析儀器中整合流體操控模塊、光電檢測模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、信息存儲及通訊模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對微流控芯片中生化反應(yīng)的操控與待測指標一農(nóng)藥殘留的快速分析與檢測；3)試劑及樣品消耗量從傳統(tǒng)的毫升級別減少至微升甚至是納升級別，顯著降低檢測成本；4)可以同時對多個樣品(6-60個)進行平行分析，特別適合于大批量果蔬樣品的農(nóng)殘篩查。；5)操作簡便，僅需直接將微量的待測樣品(例如菜葉、果皮或果肉等)加入芯片后，再將芯片置入儀器中，即可實現(xiàn)“一鍵搞定”式的全自動分析檢測，非專業(yè)人員也可以獨立進行農(nóng)藥殘留的快速檢測。
[0020]本發(fā)明所提供的全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)及方法，有望實現(xiàn)基于酶抑制反應(yīng)及分析原理的重金屬離子、農(nóng)藥殘留等有毒有害物質(zhì)的現(xiàn)場、快速、準確檢測，市場前景巨大。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1.一種全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)示意圖，整個系統(tǒng)由一個一次性的微流控芯片和一個便攜式儀器組成。
[0022]圖2.—種配套農(nóng)藥殘留現(xiàn)場檢測的便攜式分析檢測儀器組成原理示意圖。
[0023]圖3.本發(fā)明實施例1中用于農(nóng)藥殘留現(xiàn)場快速檢測的微流控芯片結(jié)構(gòu)示意圖。其中，al為提取液池，bl為流體通道，Cl為樣品池，dl為酶抑制反應(yīng)池，el為顯色反應(yīng)與檢測池，fl為通氣孔，gl為存儲于提取液池中的液囊，hi為放置于樣品池中的待測樣品(例如菜葉、果皮或果肉等)，il為存儲于反應(yīng)池中的酶和顯色劑混合物，jl為存儲于檢測池中的底物。
具體實施方案
[0024]如圖1所示，本發(fā)明所提供的一種全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)由兩部分組成:一次性使用的、內(nèi)部存儲有生化試劑的微流控芯片，以及與之配套使用的便攜式儀器。微流控芯片用于實現(xiàn)進樣、前處理、生化反應(yīng)等功能；便攜式儀器用于實現(xiàn)溫度控制、流體控制、檢測分析等功能。如圖2所示，便攜式儀器由溫度控制模塊、流體控制模塊、檢測模塊、數(shù)據(jù)處理和控制模塊、電源模塊組成，工作原理如下:使用溫度控制模塊對微流控芯片進行整體加熱恒溫；使用流體控制模塊對微流控芯片中的溶液進行精確操控，從而實現(xiàn)對微流控芯片中的生化反應(yīng)進行調(diào)控；使用檢測模塊對微流控芯片中的反應(yīng)結(jié)果進行吸光度測定；數(shù)據(jù)處理和控制模塊實現(xiàn)對溫度、流體和檢測的控制以及分析結(jié)果的處理、顯示或傳輸；儀器整機由電源模塊進行供電。便攜式儀器是桌面型，體積和質(zhì)量以能夠滿足便于攜帶、進行現(xiàn)場作業(yè)的需求為準。使用時，只需要將樣品加入芯片中，其余的步驟包括萃取反應(yīng)、酶抑制反應(yīng)、顯色反應(yīng)和檢測均依靠便攜式儀器全自動完成。
[0025]下面的實施例將對本發(fā)明予以進一步的說明，但并不因此而限制本發(fā)明。實施例1一種用于農(nóng)藥殘留現(xiàn)場快速檢測的微流控芯片系統(tǒng)
[0026]本實施例中，用于農(nóng)藥殘留現(xiàn)場快速檢測的微流控芯片系統(tǒng)包括一個微流控芯片和一個便攜式儀器(圖1)，其中微流控芯片的結(jié)構(gòu)和操作流程如圖3所示，微流控芯片由提取液池al，流體通道bl，樣品池Cl，酶抑制反應(yīng)池dl，顯色反應(yīng)與檢測池el，通氣孔Π組成gl為存儲于提取液池中的液囊，hi為放置于樣品池中的待測樣品(例如菜葉、果皮或果肉等)，il為存儲于反應(yīng)池中的酶和顯色劑混合物，jl為存儲于檢測池中的底物。具體檢測過程為:①進樣:將定量的待測樣品hi (例如水果、蔬菜)放入芯片樣品池中，關(guān)閉樣品室密封蓋，釋放芯片預(yù)先存儲的提取液gl，將芯片放入檢測儀器并開啟儀器；②提取:提取液gl經(jīng)流體控制模塊控制進入Cl與待測樣品hi混合；③生化反應(yīng):待測溶液經(jīng)流體控制模塊控制進入酶抑制反應(yīng)池dl中，37°C恒溫條件下，待測溶液與酶試劑il充分混合反應(yīng)，3?1min后溶液自動進入顯色反應(yīng)池與檢測池el ;④顯色反應(yīng)及檢測:37°C恒溫條件下，待測液進一步與底物j I充分反應(yīng)3?5min，采用吸光度連續(xù)測定法，分析獲得酶抑制率，最終結(jié)果以數(shù)據(jù)化顯示在便攜式儀器的顯示屏，也可以現(xiàn)場打印或者通過無線通訊或藍牙等將測定結(jié)果傳輸至檢測中心服務(wù)器。上述的步驟②?④均為儀器自動化操作，使用本實施例所提供的微流控芯片系統(tǒng)，可以10?15min內(nèi)現(xiàn)場獲得有機磷和氨基甲酸酯類農(nóng)藥殘留的半定量或定量測定結(jié)果。
【權(quán)利要求】
1.一種全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)及方法，其特征在于該系統(tǒng)主要由一個便攜式的分析檢測儀器，以及一次性使用的微流控芯片組成。其中，微流控芯片為塑料高分子材質(zhì)通過現(xiàn)有的微加工技術(shù)制造而成，內(nèi)部固定有農(nóng)藥殘留檢測所需的試劑(包括提取液、酶、顯色劑等)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動定量進樣、流體分配以及生化反應(yīng)和分子識別等功能；便攜式分析儀器中整合流體操控模塊、光電檢測模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、信息存儲及通訊模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對微流控芯片中生化反應(yīng)的操控與待測農(nóng)藥殘留指標的快速檢測。
2.按權(quán)利要求1所述的全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)及方法，其特征在于，所述便攜式分析檢測儀器的組成模塊包括:流體操控模塊、光電檢測模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、信息存儲及通訊模塊。 上述模塊具有以下特征: 所述的流體控制模塊由離心機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力構(gòu)成，微流控芯片內(nèi)部的樣本溶液在離心力的控制下，沿導管進入各個反應(yīng)池相應(yīng)的反應(yīng)； 所述的溫度控制模塊由加熱板和溫度傳感器構(gòu)成用于控制微流控芯片的整體溫度，溫度控制范圍為10?60°C，控溫精度為±0.1?±2°C ； 所述的檢測模塊由光源和光電傳感器構(gòu)成，用于對生化反應(yīng)結(jié)果進行吸光度測定；所述的光源優(yōu)先使用微型單色LED冷光源，波長范圍為340?800nm，所述的光電傳感器可以是光電二極管、光電三極管、CMOS或CCD等； 所述的數(shù)據(jù)處理和控制模塊由單片機、顯示屏或打印機、藍牙或無線通訊器件組成，用于對上述模塊進行程序化控制及數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和傳輸處理。
3.按權(quán)利要求1所述的全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)及方法，其特征在于，所述的微流控芯片由中心卡槽，萃取室，樣品室，反應(yīng)室，檢測室，微槽，微孔和質(zhì)控條形碼構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所述的全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)及方法，其特征在于，所述的微流控芯片內(nèi)部預(yù)先存儲有用于農(nóng)藥殘留檢測的生化試劑，包括萃取劑、酶、底物和顯色劑等；所述生化試劑可以是液體試劑，也可以是粉末狀、薄膜狀或塊狀的固體試劑；所述的存儲方式可以是液囊封裝，也可以是表面修飾、凝膠包埋、塊體封裝等。
5.按權(quán)利要求1所述的全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)及方法，其特征在于，農(nóng)殘檢測時首先掃描芯片質(zhì)控條形碼，待測樣品放入芯片樣品室，關(guān)閉樣品室密封蓋，釋放芯片內(nèi)部預(yù)先存儲的生化試劑，將芯片放入入檢測儀器并開啟儀器，5-10分鐘內(nèi)在芯片各微腔室內(nèi)完成樣品前處理、生化反應(yīng)、檢測等，并將精確的檢測結(jié)果以屏幕顯示或打印的方式呈現(xiàn)出來，獲得農(nóng)藥殘留的含量。
6.如權(quán)利要求1和5所述的全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)及方法，其特征在于，所述的前處理是在芯片內(nèi)部完成樣本和農(nóng)藥提取液在萃取池中的萃取反應(yīng)，萃取反應(yīng)可以通過靜置或者震蕩混合實現(xiàn)。
7.如權(quán)利要求1和5所述的全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)及方法，其特征在于，所述的生化反應(yīng)包括溶液相的酶抑制反應(yīng)和顯色反應(yīng)，所述的檢測是通過溶液吸光度連續(xù)測定法而實現(xiàn)。
8.按權(quán)利要求1所述的全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)及方法，其特征在于，可以在一張微流控芯片上實現(xiàn)6-60個樣品的同時在線、全自動、高通量、快速檢測，特別適合于大批量果蔬樣品的農(nóng)殘篩查。
9.按權(quán)利要求1所述的全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)及方法，其特征在于，對操作者而言，僅需直接將微量的待測樣品(例如菜葉、果皮或果肉等)加入芯片后，再將芯片置入儀器中，即可實現(xiàn)“一鍵搞定”式的全自動分析檢測，非專業(yè)人員也可以獨立進行農(nóng)藥殘留的快速檢測。
10.如權(quán)利要求1所述的全自動、高通量農(nóng)藥殘留檢測的微流控芯片系統(tǒng)及方法，其特征在于，使用本發(fā)明提供的微流控芯片系統(tǒng)及方法，使用一次性的微流控芯片和便攜式的儀器，集成樣本前處理、酶抑制反應(yīng)、顯色反應(yīng)和吸光度分析，特別適合于水果、蔬菜、土壤、水質(zhì)等樣本中農(nóng)藥殘留的現(xiàn)場、快速、自動、準確檢測。
【文檔編號】G01N35/00GK104502617SQ201410826201
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月24日
【發(fā)明者】葉嘉明, 呂志榮, 王曉東, 黃昱俊, 周海夢 申請人:杭州霆科生物科技有限公司