一种基于电阻抗技术的土壤微生物便携式检测装置

1.本发明属于土壤微生物检测领域，具体是涉及了一种基于电阻抗技术的土壤微生物检测装置及其检测方法。


背景技术：

2.现有技术中，土壤的健康状态与土壤微生物生长发育活动息息相关，而土壤微生物的群落多样性、种群数量和活性在一定程度上反映了土壤改善作物根系微生态平衡，抵御土传病害以及减轻连作障碍的能力，因此土壤微生物检测技术对农业的发展具有十分重要的意义。目前对于土壤微生物量的检测方法主要有直接镜检法、平板计数法、熏蒸培养法、荧光分析法、成分分析法。
3.传统技术常规是使用平板计数法，但平板计数法多应用在实验室等场合，限制条件较多，在农业生产场合的条件下，无法实现对土壤微生物的快速实时检测。
4.而现有技术实现方案主要采用了微流控芯片与荧光检测技术相结合；荧光检测多利用化学染料、同位素等物质对特定生存状态的微生物进行标记；标记物会侵入细胞内部并改变细胞外部的微环境；标记过程对判断微生物的生存状况有一定的影响。另外某些标记染料价格昂贵，对环境也有一定的危害性。此外，在对于土壤微生物进行检测时，荧光检测极其容易受土壤中杂质颗粒的干扰影响。荧光易湮灭，要求试验速度必须要快。
5.专利cn 107421934 a提供了一种新型便携式细菌实时检测芯片系统，所述检测系统集成荧光检测功能和介电电泳富集功能于一体，其优点是既能够实现目标菌在微型芯片内的有效富集，提高检测灵敏度、降低目标细菌检出限，又能够实现细菌的原位高精度检测，但是其缺点是成本较高，荧光技术的实现需要耗材染色，介电技术需要高压实现。


技术实现要素：

6.发明目的：本发明的目的是提出了一种基于电阻抗技术的土壤微生物便携式检测装置。可以便携式地实现微生物的快速高精度检测，可以实现在农作物现场的实时土壤微生物检测。
7.技术方案：为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
8.本发明所述的一种基于电阻抗技术的土壤微生物便携式检测装置，
9.包括搅拌装置(1)，在所述搅拌装置(1)的内部安设有搅拌容器水位传感器(7)及搅拌器(8)；
10.所述搅拌容器水位传感器(7)安设在搅拌装置(1)内部一侧的侧壁上，所述搅拌器(8)安设在搅拌装置(1)内侧的底部；
11.在所述搅拌装置(1)上还开设有加水口(6)，在所述加水口(6)处连接有储水区域电磁阀(18)，在所述储水区域电磁阀(18)上安设有电磁阀开关；
12.在所述搅拌装置(1)上侧的外壁上开设有加料口(5)。
13.进一步的，在所述搅拌装置(1)底部通过连接管连接有过滤装置(2)，在所述过滤
装置(2)上安设有过滤区域电磁阀(13)。
14.进一步的，在所述过滤装置(2)的下端通过连接管安设有滤液集存装置(3)，在所述滤液集存装置(3)与过滤装置(2)连接处开设有进液口(9)；
15.在所述滤液集存装置(3)内部的侧壁上安设有滤液集存容器水位传感器(12)，在所述滤液集存装置(3)内侧的底部开设有出液口(10)，
16.在所述出液口(10)上连接有连接管道，在所述连接管道上安设有检测区域电磁阀(14)；
17.在所述滤液集存装置(3)的下端，通过出液口(10)连接的连接管道连接有检测装置(4)；
18.在所述检测装置(4)的下端通过连接管道安设有排液装置(16)。
19.进一步的，在所述滤液集存装置(3)的下端的另一侧开设有排液口(11)，在所述排液口(11)上连接有长连接管道，所述长连接管道的另一端连接在所述排液装置(16)上；
20.在所述长连接管道上还安设有集存区域排液电磁阀(15)；
21.在所述排液装置(16)的底部还开设有下排液口，在所述下排液口上连接有弯曲管，在所述弯曲管上安设有下排液口角阀(17)。
22.进一步的，在所述检测装置(4)上安设有控制界面(41)，在所述控制界面(41)上安设有紧急停止开关(19)、启动开关(20)及排水开关(21)；
23.在所述控制界面(41)的一侧安设有电子显示屏(26)；
24.在所述电子显示屏(26)的下侧分布安设有搅拌容器加水完成指示灯(22)、搅拌容器运行指示灯(23)、滤液收集完毕指示灯(24)及滤液检测完毕指示灯(25)；
25.上述各设备通过导线相互连接。
26.进一步的，在所述检测装置(4)的内部还安设有检测模块及绝缘控制器(38)；
27.所述检测模块包括安设在上端的、与滤液集存装置(3)相互连接的入料口(27)，所述入料口(27)下端分叉成两个细入料口，在两个所述细入料口的下端分别连接有叉指电极(29)；
28.在两侧所述叉指电极(29)的上侧安设有与所述细入料口相连接的电极入口，在所述电极入口上安设有电极阀；
29.在两侧所述叉指电极(29)的底侧安设有细出料口，两个所述的细出料口汇总成一个总的出料口(30)，在所述细出料口上安设有电磁阀(31)；
30.在所述叉指电极(29)的上侧分别安设有一个检测容器水位感应器(28)。
31.进一步的，所述叉指电极(29)包括电极本体一(32)及电极本体二(33)两个电极本体；
32.在所述电极本体一(32)与电极本体二(33)相对的一侧均安设有叉指(39)，两侧的叉指(39)交叉相错安设在电极本体一(32)与电极本体二(33)上，在相邻对立的两个叉指(39)之间开设有叉指间距(40)；
33.在所述电极本体一(32)的外壁上连接有接线柱一(34)，在所述电极本体二(33)的外壁上连接有接线柱二(35)；
34.在所述接线柱一(34)上连接有导线一(36)，在所述接线柱二(35)上连接有导线二(37)；
35.所述导线一(36)及导线二(37)的另一端共同连接有绝缘控制器(38)。
36.有益效果：本发明与现有技术相比，本发明的特点是：本检测装置体积小巧,不用局限在实验室，可以在现场进行检测；相比传统理化检测方法，本装置的检测速度更快；本装置操作便捷，不需要专业的操作人员进行操作，检测结果不依赖于操作者的熟练程度；相比传统大型实验室检测装置，本检测装置制作成本相对较低。
附图说明
37.图1是本发明的总体结构图；
38.图2是图1中检测控制界面结构放大图；
39.图3是图1中检测模块结构细节图；
40.图4是图3中叉指电极结构放大图；
41.图5是图4中阻抗谱法等效电路图；
42.图6是图4中控制器的内部结构及外接电路原理图；
43.图7是土壤微生物便携式检测装置的检测方法流程图；
44.图中1是搅拌装置，2是过滤装置，3是滤液集存装置，4是检测装置，5是加料口，6是加水口，7是搅拌容器水位传感器，8是搅拌器，9是进液口，10是出液口，11是排液口，12是滤液集存容器水位传感器，13是过滤区域电磁阀，14是检测区域电磁阀，15是集存区域排液电磁阀，16是排液装置，17是下排液口角阀，18是储水区域电磁阀，19是紧急停止开关，20是启动开关，21是排水开关，22是搅拌容器加水完成指示灯，23是搅拌容器运行指示灯，24是滤液收集完毕指示灯，25是滤液检测完毕指示灯，26是电子显示屏，27是入料口，28是检测容器水位传感器，29是叉指电极，30是出料口，31是电磁阀，32是电极本体一，33是电极本体二，34是接线柱一，35是接线柱二，36是导线一，37是导线二，38是绝缘控制器，39是叉指，40是叉指间距，41是控制界面。
具体实施方式
45.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
46.本发明具体的技术方案包括：
47.本发明包括了装置结构；所述的装置结构包括组装成处理模块及检测装置4等，所述处理模块包括由上至下依次设置搅拌装置1及过滤装置2等装置；
48.所述检测装置4的检测功能主要依托检测模块中的叉指电极29来实现。
49.其原理具体是：土壤中的物质分为两类，生物颗粒和非生物颗粒，生物颗粒具有细胞膜，而非生物颗粒没有细胞膜；细胞膜在电学上有典型的电容特性，因此，通过检测被测材料的电特性，来鉴别生物颗粒和非生物颗粒，从而实现对土壤微生物的检测。
50.检测方式：将待检土壤放入搅拌装置1，搅拌装置1感应后智能加水、搅拌、过滤，获得滤液；当滤液通过检测模块时，由于生物颗粒具有细胞膜，而非生物颗粒没有细胞膜，因此，叉指电极29会检测被测滤液的电特性，从而达到检测土壤微生物数量的效果。
51.具体的，参见图1，本发明所述的一种基于电阻抗技术的土壤微生物便携式检测装置，包括搅拌装置1、过滤装置2、滤液集存装置3及检测装置4；
52.在搅拌装置1的上方有加料口5，侧面上方有加水口6及搅拌容器水位传感器7，在搅拌容器的内部有搅拌器8；过滤装置2由数个可拆卸过滤网组成；搅拌装置1与过滤装置2之间连接有过滤区域电磁阀13；
53.滤液集存装置3开设有进液口9、出液口10及排液口11，侧面安设有滤液集存容器水位传感器12、出液口10和排液口11都分别连接有相对应的检测区域电磁阀14与集存区域排液电磁阀15，进液口9与过滤装置2相互连接，所述出液口10与检测装置4相互连接，所述排液口11与排液装置16相相连。
54.参见图2，检测装置4的控制界面41,含有用于实现紧急停止开关19、启动开关20、排水功能开关21、搅拌容器加水完成指示灯22、搅拌容器运行指示灯23、滤液收集完毕指示灯24、滤液检测完毕指示灯25及用于显示检测结果的电子显示屏26；控制界面41通过导线连接至控制器38。
55.所述搅拌装置1加水完成指示灯22用来显示搅拌装置1(搅拌容器)加水是否完成，搅拌装置1运行指示灯23用来显示搅拌装置1的运行状况，滤液收集完毕指示灯24用来显示滤液是否收集完毕，滤液检测完毕指示灯25是用来显示滤液检测是否完毕。
56.参见图3与图4，检测模块由入料口27、检测容器水位感应器28、叉指电极29、出料口30及电磁阀31组成；图4是图3的细节放大图；
57.在检测装置4中安设有检测模块与绝缘控制器38，检测模块通过导线连接至绝缘控制器38，为防止滤液外泄引发绝缘控制器38电源短路，用塑料在检测装置4内部为检测模块与绝缘控制器38做隔层、并应用绝缘塑胶保护导线。
58.所述叉指电极29有两个电极本体，分别是电极本体一32和电极本体二33，电极本体与接线柱相连，接线柱一34、接线柱二35分别通过导线一36、导线二37连接控制器38，所述控制器38安设在所述检测装置4的内部。
59.在每对电极本体之间是多个叉指39，叉指39的对数、叉指间距40等参数可根据所测量微生物的形状和体积的不同进行针对性的优化；叉指39本身的上下高度和叉指间距40这两个尺寸均在几十微米到几百微米之间；叉指电极29采用氧化铟锡制成，氧化铟锡是良好的导电材料，与传统的平板电极相比，微米级的叉指电极29通过降低自身阻抗、缩小电极间距和增加比表面积，可以大大提高检测灵敏度。
60.参见图1、图3、图4和图6，从加料口5加入检测样本，启动开关20后，搅拌器8开始运行，搅拌后的溶液通过滤装置2得到滤液，滤液收集在滤液集存装置3中，滤液随后进入检测装置4的检测模块进行检测；
61.所述控制器38包括单片机、dds数字频率合成器、压控电流源、差分放大电路和a/d转换器；控制器38运行时，单片机将激励源的频率信号发送给dds数字频率合成器，后dds数字频率合成器发出相应频率的正弦波信号，压控电流源电路再把该正弦波信号转化为电流激励信号输入到叉指电极；差分放大电路对叉指电极响应的电压信号进行放大，最后通过a/d转换器将模拟信号转换成数字信号，数字信号输入到单片机中进行数据处理；本发明采用电流激励、电压响应的方式测量电阻抗谱；与电压激励相比，使用电流激励的方式，激励电压相对校小，可减小接触电阻和极化电势所引起的误差。
62.参见图1和图7，将土壤样本放入加料口5，土壤样本进入搅拌装置1，启动开关20启动运行后，储水区域电磁阀18打开进水，在搅拌容器水位感应器7触发后储水区域电磁阀18
关闭，搅拌装置1开始运行，搅拌指定时间后过滤区域电磁阀13打开，溶液进入过滤装置2中，滤液慢慢流入滤液集存装置3中；当滤液集存容器水位传感器12触发后，过滤区域电磁阀13关闭，滤液集存容器3中获得待检测滤液；检测区域电磁阀14开启，滤液流入检测区域，待检测容器水位传感器28触发后，滤液在检测模块开始进行检测，单片机控制dds频率发生器发出频率为f1的高频正弦波，经过压控电流源转换后，电流激励信号i1被输出到叉指电极29中；当附着在电极表面的细胞的数量以及细胞和电极之间的间隙大小不同时，叉指39之间的阻抗值是不同的，因此对于相同的激励电流，不同数量细胞对应的响应电压是不同的；叉指电极29的响应电压v1通过差分放大器，模数转换后被输入到单片机中；单片机根据激励电流i1和响应电压v1的关系计算出频率f1下的阻抗值；随后单片机控制dds频率发生器改变输出频率，发出频率为f2的激励电流，测得阻抗值z2；如此重复多次从高频到低频遍取频谱中的所有的5个频率后，得到不同频率下fn的5个阻抗值z1，z2，z3···
z5。
63.等效电路法是电阻抗谱测量技术中最经典的分析方法之一，等效电路是指在保持电路的效果不变的情况下，将复杂的电路用简单电路来代替，达到为简化电路分析的效果；图5是所构建的等效电路图，等效电路具有和被测量的滤液相似的电学特性，等效电路是细胞内液电阻rc和细胞膜电容cc串接后与滤液电阻rs并接，并接后的左右两端再分别串接一个双电层电容cd形成；双电层电容cd表示滤液与电极接触面的电容，
64.根据电路原理，由等效电路模型可以得到如下的公式：
65.其中，rs、rc的单位为欧姆；rs是滤液电阻值，rc是细胞内液电阻值，cd和cc单位为法拉第，cd是等效的双电层电容，cc是细胞膜电容，zn为复阻抗。
66.滤液阻抗rs计算公式为：其中ρ为滤液的电阻率，用专用的电导测量仪测量出滤液的电导率，然后取其倒数即可得到电阻率；l为两个叉指39之间的间距，即叉指间距40的垂直高度，s为叉指39的水平截面积。
[0067][0068]
电容在高频下呈短路状态；此时，电路中只有细胞内液电阻rc和滤液电阻rs两电阻并联，细胞内液电阻rc的计算公式为其中i为激励电流值，u为通过电流i下得到的响应电压值。
[0069]
在等效电路中，通过分离复阻抗zn表达式中的cc,得到cc的计算公式为：
[0070]
先在实验室用平板计数的方式，得到多个的不同微生物数量的实验组，分别代入5khz、25khz、50khz、85khz、120khz，求出对应频率下的zn值得出不同微生物数量的实验组所对应的cc，在平面坐标系标定散点，通过拟合得到微生物数量与cc的关系曲线，通过关系曲线导出不同cc的值与其对应滤液中微生物数
[0071][0072]
量的表格，把表格导入单片机后可采用查表的方式获得滤液中微生物的数量，在电子显示屏上显示。
[0073]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但其保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。