用于微生物肥菌培养条件优化控制的微流控装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明属于细胞培养技术领域，具体涉及一种用于微生物肥菌培养条件优化控制的微流控芯片装置和方法，同时涉及计算机通信、自动化电子技术、生物化学等多学科领域。
【背景技术】
[0002]随着现代农业的快速发展，化肥的使用量逐年上升。传统的有机化肥资源短缺，制备过程耗能耗材，化肥利用率低，土壤肥力下降，作物的产量和品质大大降低，环境污染严重，生态平衡破坏。相对传统有机化肥而言，微生物肥料资源充足，利用率高，能提高和保持营养元素的转化，促进作物生长，净化环境和维持生态系统的平衡，实现农业健康可持续发展。
[0003]微生物肥菌的优质培养直接决定着微生物肥料的高效生产，是逐步推广、有效取代传统化肥的关键所在。传统的细胞培养采用培养皿和培养箱，培养基消耗多，工序复杂。现有的微流控细胞培养展示诸多优势，可控性强，能实现精细、高通量分析。中国发明专利申请号为201210381418.2的文献中提出了微流控细胞培养芯片及其实时观测的系统，设计了一种上下双层芯片，公开了一种实时观测系统，其不足之处在于必须限制在确定营养液配方下培养，无法优化培养条件即营养液主成份、主成份浓度配比、进样方式和参数，无法灵活地控制各通道的进样时序、时间和速度，自动化程度低，且缺乏对细胞培养长势信息的检测和反馈环节。中国发明专利申请号为201510221073.8的文献中提出了一套细胞体外培养微流控芯片、系统及方法，设计了一套包含多个细胞培养单元的芯片和构建了微流体控制系统，其不足在于必须限制在确定营养液配方下培养，无法优化培养条件即营养液主成份、主成份浓度配比、温度、进样方式和参数，缺乏细胞实时动态观测系统，无法获得细胞培养长势信息检测结果，不能建立反馈控制体系。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对目前已有的微流控细胞培养装置与方法存在的功能单一、集成度不高、智能化程度低等缺点，提出一种用于微生物肥菌培养条件优化控制的微流控装置和方法，能优化营养液主成份、优化主成份浓度配比、温度等，实现智能操控和智能监控。
[0005]本发明用于微生物肥菌培养条件优化控制的微流控装置采用的技术方案是:包括箱体和位于箱体外部的PC机，箱体内部固定置放有气栗、10通道恒压进样器、载物台、微控制器和三级式微流控芯片;气栗的出口连接动力源进气管一端，动力源进气管另一端连接10通道恒压进样器的进气口，10通道恒压进样器具有10个并行的通道和装在每个通道上的10个电磁阀，每个通道均通过一根营养液进气管连通一个营养液储液瓶，10个电磁阀经电磁阀驱动模块连接微控制器;每个营养液储液瓶均通过一根进液管2连接三级式微流控芯片；10个营养液储液瓶浸入在一个恒温水浴缸中，在恒温水浴缸中设有加热片和温度传感器，温度传感器和加热片分别通过信号线连接温控模块，微控制器和温控模块分别连接PC机;载物台上表面放置三级式微流控芯片，三级式微流控芯片上方是显微镜物镜和摄像头，摄像头通过视频传输线连接PC机;丝网印刷电极浸入三级式微流控芯片中的肥菌液中，丝网印刷电极与恒电位仪通过信号线相连，恒电位仪连接信号发生器和A/D转换模块，A/D转换模块经接口转换模块连接PC机;三级式微流控芯片有间隔120°布置的三级通道，每级通道均由进样口、废液排出口和之间的通道监测区组成，进样口靠近微流控芯片的外圈，废液排出口靠近微流控芯片的中心；第一级10通道和第三级6通道中的每个通道都有一个进样口和废液排出口，第二级伞状8通道中的每个通道都有一个进样口，8通道在中间段合并且有一个废液排出口；载物台内部下方是光源，光源正上方是视频实时监控孔区，三级式微流控芯片旋转至三级通道的通道监测区位于视频实时监控孔区的正上方时停止。
[0006]本发明用于微生物肥菌培养条件优化控制的微流控装置的优化控制方法采用的技术方案是依序按以下步骤:
A、旋转三级式微流控芯片，使第一级10通道的通道监测区位于视频实时监控孔区正上方;一个营养液储液瓶中加入一种预选的主成份，气栗输出气压经10通道恒压进样器，使10种主成份同步注入第一级10通道，采用摄像头拍摄照片上传给PC机2进行图像处理，PC机计算出肥菌浓度值；同时由丝网印刷电极采集肥菌生理代谢产物活性变化引起的电流和电压变化信号，传输给恒电位仪，经信号发生器与PC机，获得电化学检测活性值，对肥菌浓度值和电化学检测活性值按照权重处理得出最终结果，比较从第一级10通道中检测的10种最终结果，筛选出对肥菌生长影响最大的前8种主成份；
B、旋转三级式微流控芯片至第二级伞状8通道的通道监测区位于视频实时监控孔区正上方，将筛选出的前8种主成份分别从第二级伞状8通道的8个进样口独立进样，PC机设置调节第二级伞状8通道的不同的进样方式和进样参数，采用摄像头实时拍摄照片上传给PC机进行图像处理并计算出肥菌实时浓度，采用丝网印刷电极、恒电位仪、信号发生器和PC机得出电化学检测活性值，对肥菌浓度值和电化学检测活性值按权重处理出最终主成份浓度配比；
C、旋转三级式微流控芯片至第三级6通道的通道监测区位于视频实时监控孔区正上方，根据最终主成份浓度配比配制好最优营养液，将最优营养液等分成6份，分别从第三级6通道的6个通道进入;PC机设置最优营养液不同的进样参数和控制温控模块设置不同的温度;摄像头实时拍摄照片上传给PC机处理，计算出肥菌肥菌浓度值;采用丝网印刷电极、恒电位仪、信号发生器和PC机得出电化学检测活性值，将所得肥菌浓度值和电化学检测活性值按权重处理出最终检测结果，在6种最终检测结果中选出最大值所对应的最优的进样参数和最优温度。
[0007]本发明设计了三级式微流控芯片，采用从营养液主成份筛选、主成份浓度配比优化到最佳配比营养液的进样参数和温度优化一整套优化控制方法，实现微流体智能操控、温度控制、智能监控双反馈，实现微流体智能操控、外部形貌图像自处理和内部生理代谢产物活性电化学检测双反馈。本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点:
(I)本发明具有自主设计的三级式微流控芯片，创建了营养液主成份筛选、主成份浓度配比优化、最佳配比营养液进样方式、进样参数和温度优化一整套培养条件优化方法，对于任意一种微生物肥菌，在未知营养液成分情况下，都可以进行培养条件优化控制。
[0008](2)本发明具有智能微流体操控功能，通过Labview上位微控制器编程直接控制多通道进样方式(顺序进样、循环进样)和进样参数(时序、时间、速度)进行微流控微生物肥菌培养。
[0009](3)本发明具有Labview上位终端实时温度控制功能，进入上位机主界面参数设置，可以进行恒温和梯度温度设置，既能定温培养，又能温度优化。
[0010](4)本发明具有智能监测双反馈功能，对微生物肥菌培养，通过外部形貌Matlab图像自处理和内部生理代谢产物活性电化学检测双反馈功能，把检测结果反馈给Labview上位机，根据反馈程序激活微流体智能操控，温度控制功能，调节进样方式、进样参数和温度，不断优化出微生物肥菌培养条件(主成份、主成份浓度配比、最佳配比营养液进样方式、进样参数和温度)。
【附图说明】
[0011]图1是本发明用于微生物肥菌培养条件优化控制的微流控装置的总体结构示意图；
图2是图1中10通道恒压进样器6内部结构及外接结构放大示意图；
图3是图1中三级式微流控芯片26结构俯视放大示意图；
图4是图3的俯视图；
图5是图1中载物台14的内部结构放大图以及与三级式微流控芯片26的装配分解放大图；
图6是图5中三级式微流控芯片26在一种工作状态时的俯视图；
图7是图1中温控模块46的内部结构和外部连接结构放大示意图；
图8是图1中PC机20对电磁阀7和温控模块46的控制框图；
图9是图1中PC机20的控制界面示意图；
图10图1所示微流控芯片装置实现优化控制的流程图。
[0012]附图中各部件的序号和名称:
I:箱体，2:进液管，3:营养液储液瓶，4:营养液进气管，5:恒温水浴缸，6: 10通道恒压进样器，7:电磁阀，8:动力源进气管，9:气栗，1