一种基于全息图像特征的微藻分类检测装置及检测方法与流程

本发明涉及微藻种类检测技术，具体公开了一种基于全息图样特征的微藻种分类检测装置及检测方法。

背景技术：

海洋微藻是一类原始的植物，是海洋生态系统中的初级生产者，也是重要的海洋生物资源。微藻分布范围广，且种类多、数量大、繁殖快，在海洋生态系统的物质和能量的循环中地位显著，如果利用得当具有很高的经济价值。海洋微藻的代谢影响着整个海洋生态系统的生产力，与水产养殖、生态环境、污染治理、工业生产密切相关。微藻本身营养丰富，富含蛋白质，是单细胞蛋白的重要来源，可以作为鱼类、贝类等育苗的开口饵料。

海洋微藻的应用离不开对微藻资源的准确分类鉴定。从19世纪出现大量对海洋微藻的分类专著以来，海洋微藻从传统的形态学分类法，经历了化学分类法，同工酶分类法，到现在普遍应用的分子生物学分类法，分类方法学的研究和探讨从未停止，一直有新的发现，下面概述海洋微藻的一些分类方法。

形态分类法

形态学观察是普遍使用也是最具历史的微藻类分类方法。形态学分类主要是跟据藻细胞大小、鞭毛及色素体有无、鞭毛的位置及数目，腹孔的有无，色素体的个数及形状，硅藻的特异性花纹等表面平整情况、群体或个体胶被形态和群体中细胞个数等特征来确定微藻的种类。

生化分类法

生物化学分类法是根据细胞的生物大分子的组成差异来对微藻分类的方法。生化特性也是进行微藻分类的研究的一个指标，但只是对传统分类方法的一个补充，没有形成一个完整的分类体系。目前能够用于生化分类的海洋微藻“特征化学成分”有色素、脂肪酸、甾醇、醛类、碳水化合物(糖类)和氨基酸等。

同工酶分类法

同工酶是功能相同但结构和性质不同的多肽性酶的总称，生物物种亲缘关系的远近，可由同工酶基因序列及其编码的蛋白质序列的相似性推断。对同工酶进行电泳，由于同工酶具有不同大小、构象和带电荷数，形成具有不同数目和迁移率条带的酶谱，这些酶谱反应了等位基因和位点的变化，具有种属特异性。kato等曾用此方法作为标准对一些铜绿微囊藻进行分类。这种方法虽然能很灵敏地检测出共生体的物种差异,但很难区别出共生体中藻的属内差异。

分子生物学方法

分子生物学方法是通过选择真核生物核糖体dna(ribosomaldna，rdna)通用引物进行pcb扩增，扩增产物进行克隆、测序，将所得的序列进行同源性比对及系统进化树分析，从而确定微藻种类。

综上分析，现有船舶压载水中微藻种类检测方法存在不同程度的缺点，如所需设备昂贵、笨重，基本采用收集样品后拿回实验室进行培养鉴定的方式进行，耗时费力，效率不高，并且进行检测的种类也相对有限。因此亟需一种简单便捷的微藻种类检测方法以解决船舶压载水微藻种类检测问题。

技术实现要素：

鉴于已有技术的不足，本发明的目的是要提供一种能够实时在线监测船舶压载水中微藻种类的检测装置。

本发明技术方案如下：

一种基于全息图像特征的微藻分类检测装置，其特征在于装置包括：

作为系统唯一照明光源发射相干光束的光激发组件；

与所述光激发组件紧密贴合用以汇聚光线的微孔组件；

连接所述微孔组件与微流控芯片的承接组件；

平稳放置所述微流控芯片的微流控芯片承载平台；

放置于所述微流控芯片后用以提取全息图像的光采集组件；

与所述光采集组件通过数据线连接用以提取全息图像特征的光处理组件；

所述光激发组件激发的相干光束经微孔组件照射在所述微流控芯片的样品上、并于光采集组件形成全息图像，所述光处理组件对全息图像进行特征提取、分析，进而确定样品中的微藻种类；

使用时，将所述装置放置于昏暗无光的条件下进行检测，以保证在未打开光激发组件时，所述光采集组件不能收集到全息图像信息。

进一步地，所述微流控芯片包括载玻片与聚二甲基硅氧烷片；

所述聚二甲基硅氧烷片上凹刻有若干通向延伸的主通道；任意所述主通道一端设置有储液孔，另一端两侧均匀减缩连接于过滤通道；所述过滤通道的另一端连接检测通道，所述检测通道为宽度大于主通道的长方形区域，其另一端通过废液收集通道连接废液池，所述废液收集通道中间位置设置有控制通道通断的阀门。

进一步地，所述的光激发组件内嵌稳压电路和发光二极管。

进一步地，所述的光激发组件激发的光束经微孔组件作用形成的光斑覆盖区域布满所述微流控芯片的检测通道的整个探测区域。

进一步地，所述微孔组件中仅有微孔可以透光，其他部分是密闭无光的透射。

进一步地，所述光处理组件提取全息图像的中央亮斑灰度值均值，并根据全息图像中央亮斑灰度值均值的大小区分微藻种类。

本发明的另一目的是要提供一种基于上述检测装置的微藻分类检测方法，其步骤包括：

步骤1、组装装置，并将装置置于黑暗无光的环境中；

步骤2、将配置好的微藻样品溶液滴加至储液孔中，并依次开启光激发组件、光采集组件和光处理组件，使微藻样品溶液沿着主通道经过过滤通道到达检测通道，根据微流控芯片上的检测通道数量，可以同时检测相应种类的微藻样品；

步骤3、调整微孔组件和承接组件，使想干光照射在微流控芯片中检测通道的整个区域，相干光照射在微藻样品上形成的全息图像由光采集组件采集，并经过数据线传输至光处理组件中；

步骤4、光处理组件通过分析不同种类微藻细胞的全息图像的中央亮斑灰度值均值，通过判断不同微藻细胞全息图像中央亮斑灰度值均值的大小将微藻细胞的种类区分开来；

步骤5、分类检测完成后，打开阀门排出废液。

进一步的，所述微藻分类检测方法还包括将不同微藻细胞全息图像中央亮斑灰度值均值范围提前存储于光处理组件的步骤。

通过上述技术方案，本发明公开的

1、由于本发明采用微流控芯片作为微藻细胞种类检测的微平台，后端的图像处理部分亦可以采用嵌入式进行小型化，与之相关的全息图像采集设备是体积较小的结构形式，具有快捷、检测方便、成本低廉、结构小巧轻便、便于携带等优点。

2、本发明所用的器件均为市面上的通用产品，成本低、价格低廉。

3、本发明基于无透镜数字全息，利用不同种类微藻的全息图像特征的不同将它们区分开来，检测方法快速有效，取样后可直接检测。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为微藻种类检测装置结构示意图；

图2为微流控芯片结构示意图；

图3为微藻种类检测结果图。

图中：1、光激发组件，2、微孔组件，3、承接组件，4、微流控芯片，5、微流控芯片承载平台，6、光采集组件，7、光处理组件，8、载玻片，9、聚二甲基硅氧烷片，10、主通道，11、过滤通道，12、检测通道，13、废液收集通道，14、废液池。

具体实施方式

为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：

在数字全息中，光源照射微藻细胞，传播到光采集组件的光场分为微藻细胞的散射光作为物光和未透过微藻细胞的光为参考光，物光和参考光相互干涉形成微藻细胞的全息图像。光激发组件中光源发出的相干光经过微孔组件和承接组件照射在微流控芯片检测通道的样品上，该装置利用相干光照射在微藻细胞上的散射光作为物光，利用未透过微藻细胞的光作为参考光，无需另外引入参考光，部分相干光照射在样品上形成的全息图样由光采集组件采集，最后由数据线传输到光处理组件进行分析处理。由于不同种类的微藻细胞形成的全息图像不同，通过分析不同种类微藻细胞的全息图像特征，可以将不同的种类的微藻细胞区分开来。不同微藻细胞形成的全息图像的中央亮斑灰度值均值不同，通过判断不同微藻细胞全息图像中央亮斑灰度值均值的大小可以将微藻细胞的种类区分开来。

基于上述原理，本发明公开了一种基于全息图像特征微藻分类检测装置，如图1所示：包括光激发组件1、微孔组件2、承接组件3、微流控芯片4、微流控芯片承载平台5、光采集组件6、光处理组件7。所述光激发组件1内嵌稳压电路和发光二极管，微孔组件2和光激发组件1紧密贴合，微孔组件2和微流控芯片4通过承接组件3连接在一起，微流控芯片4放置在微流控芯片承载平台5上，微流控芯片承接平台5置于承接组件3和光采集组件6之间，光采集组件6和光处理组件7通过数据线连接在一起。

作为本发明较佳的实施方式，图2给出了微流控芯片结构示意图，本实施例中微流控芯片包括载玻片8、聚二甲基硅氧烷片9和四个储液孔a-d，相应的任意一个储液孔依次均连接主通道10、过滤通道11、检测通道12、废液收集通道13、废液池14。在废液收集通道13中间位置设置有阀门。如图2中的储液池a和主通道10连接，过滤通道11两端分别连接主通道10和检测通道12，废液收集通道13两端分别连接检测通道12和废液池14。阀门e在废液收集通道13上，用来控制废液收集通道13的开通情况。微流控芯片4中的四组横向连接结构完全一样，阀门f-h的安装方式也与阀门e相同，在此不再赘述。

装置中光激发组件1中内嵌的发光二极管作为唯一的照明光源，微流控芯片承载平台5上的微流控芯片4是在是在昏暗无光的环境中，光采集组件6采集到的全息图像是光激发组件1发出的相干光经过微流控芯片4上的检测通道12中的样品后形成的全息图。如未打开光激发组件1时，则光采集组件6不能收集到任何有用的全息图像信息。

光激发组件1经微孔组件2发出的光源光斑覆盖区域布满微流控芯片4中检测通道12上的整个探测区域。微孔组件2中仅有微孔可以透光，其他部分是密闭无光的透射。

本发明还公开了基于上述微藻分类检测装置的检测方法，包括如下步骤：

步骤1、组装装置，并将装置置于黑暗无光的环境中；

步骤2、将配置好的微藻样品溶液滴加至储液孔中，并依次开启光激发组件、光采集组件和光处理组件，使微藻样品溶液沿着主通道经过过滤通道到达检测通道，根据微流控芯片上的检测通道数量，可以同时检测相应种类的微藻样品。本实施例中，将20μl配置好的扁藻样品溶液加入到储液池a，将20μl配置好的塔胞藻样品溶液加入到储液池b，将20μl配置好的新月藻样品溶液加入到储液池c中，将20μl配置好的金藻样品溶液加入到储液池d中，微流控芯片4上有四个结构相同的检测通道12，可以同时检测四种不同的微藻样品。

步骤3、调整微孔组件和承接组件，使想干光照射在微流控芯片中检测通道的整个区域，相干光照射在微藻样品上形成的全息图像由光采集组件采集，并经过数据线传输至光处理组件中。本实施例中开启光激发组件1、光采集组件6和光处理组件7，使微藻样品溶液沿着主通道10经过过滤通道11到达检测通道12。

步骤4、光处理组件通过分析不同种类微藻细胞的全息图像的中央亮斑灰度值均值，通过判断不同微藻细胞全息图像中央亮斑灰度值均值的大小将微藻细胞的种类区分开来。不同种类的微藻细胞形成的全息图像不同，通过分析不同种类微藻细胞的全息图像特征，可以识别不同的微藻细胞。本实施例中采用微藻细胞形成的全息图像的中央亮斑灰度值均值作为区分微藻细胞种类的表征值，通过判断不同微藻细胞全息图像中央亮斑灰度值均值的大小可以将微藻细胞的种类区分开来。

步骤5、分类检测完成后，打开阀门排出废液。

进一步的，所述微藻分类检测方法还包括将不同微藻细胞全息图像中央亮斑灰度值均值范围提前存储于光处理组件的步骤。

本实施例中，四种不同微藻细胞的全息图像中央亮斑灰度值均值的对比情况如图3所示。分析采用扁藻、塔胞藻、新月藻和金藻的实验测试结果，可知扁藻全息图像中央亮斑灰度值在80左右，塔胞藻全息图像中央亮斑灰度值均值在10左右，新月藻全息图像中央亮斑灰度值均值在100左右，金藻全息图像中央亮斑灰度值均值在110左右。在后续的分类检测应用中，即可利用上述数据判断微藻种类。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的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。