用于收获的农作物的实时分析的装置和方法与流程

1.本发明的领域涉及用于收获的农作物的分析的装置和方法，并且更具体地，涉及用于挥发性有机化合物的实时分析的生物传感器。


背景技术：

2.收获后和整个供应链中的粮食损失问题是一个重大问题，并且对营养安全构成威胁。在全球范围内，估计收获后损失占所收获农作物高达50％，该损失主要归因于由微生物引起的腐烂。当前的监控技术无法提供有关精确位置以及在纸箱和/或托盘级别处对腐烂的发展进行计时的实时和连续信息。为了减轻这些损失，对收获后和整个供应链中的水果和蔬菜中的腐烂发展进行有效实时监控存在增加的需求。
3.本发明提出了一种传感器，其将全细胞生物报告物(bioreporters)与可商购的有源(active)像素传感器探针整合在一起，以提供一种简单、便携式且具有成本效益的解决方案，并在所有收获后阶段期间提供对作物品质的实时、局部和连续监控。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种用于对挥发性有机化合物(voc)进行实时分析的生物传感器，其中所述生物传感器包括：
5.a.至少一个生物受体细胞，其对从所收获的农作物、昆虫和微生物中释放的voc敏感；
6.b.至少一个光电探测器，用于检测所述生物受体细胞的生物发光并将其转换为信号；以及
7.c.至少一个发射器，其用于从所述光电探测器接收数据并将数据输出到数据处理模块；
8.其中所述数据处理模块包括基于规则的算法，用于在由收获的农作物成熟和变质产生的挥发性有机化合物的分布特征(profiles)之间进行区分。
9.本发明的另一个目的是提供上述生物传感器，其中生物受体细胞包括全细胞生物受体或固定的生物发光细菌。
10.本发明的另一个目的是提供上述传感器，其设有用于细胞的固定化设备，固定化设备选自于包括水凝胶、合成膜、吸附物、共价物、溶胶
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凝胶和任何其他常规的固定化设备的组。
11.本发明的另一个目的是提供上述生物传感器，其中所述生物受体细胞被校准以感测在收获的农作物(水果，蔬菜，块茎，谷物)成熟/变质期间由所述农作物、由昆虫、由微生物或由冷损坏或运输损坏所产生的挥发性有机化合物。
12.本发明的另一个目的是提供上述生物传感器，其中所述挥发性有机化合物是农作物成熟或变质的生物标志物，其选自于但不限于醛、醇、精油和异硫氰酸酯(isothiocyanates)。
13.本发明的另一个目的是提供上述生物传感器，其中所述挥发性有机化合物是农作物成熟或变质的生物标志物，其选自但不限于柠檬烯，α
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蒎烯，2e
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己烯醛(2e
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hexenal)，苯甲醛，乙酸，乙醇，乙酸丁酯，乙酸乙酯和乙醇等。
14.本发明的另一个目的是提供上述生物传感器，其中生物传感器包括用于分析环境条件的附加传感器，所述环境条件选自但不限于温度、湿度、大气压力、可见光和uv光、红外光、或其任意组合。
15.本发明的另一个目的是提供上述生物传感器，其中生物传感器包括存储由生物传感器所生成的所有数据的数据记录器。
16.本发明的另一个目的是提供上述生物传感器，其中光电探测器是有源像素传感器(aps)。
17.本发明的另一个目的是提供上述生物传感器，其中所述有源像素传感器是使用集成电路技术构造的，所述技术选自于：电荷耦合装置(ccd)、互补金属氧化物半导体(cmos)、量子图像传感器、n型金属氧化物半导体逻辑件(nmos，live mos)。
18.本发明的另一个目的是提供上述生物传感器，其中发射器使用有线或无线技术进行通信，有线或无线技术选自但不限于：无线局域网(wlan)、低功率广域网(lpwan)、无线广域网(wwan)、无线传感器网络、蓝牙、蜂窝网络、及其任意组合。
19.本发明的另一个目的是提供上述生物传感器，其中传感器由内部电源供电，所述内部电源是电池。
20.本发明的一个目的是公开一种用于挥发性有机化合物的实时监控的方法，该方法包括：
21.a.在存储区域中放置一个或多个生物传感器；
22.b.将生物传感器连接到有线或无线通信网络；
23.c.将网络连接到能够接收和呈现实时挥发性有机化合物分布特征的计算机可读介质(crm)。
24.本发明的另一个目的是提供一种方法，其中所述生物传感器包含生物受体细胞，所述生物受体细胞被校准以感测在所收获的农作物(水果，蔬菜，块茎，谷物)成熟/变质期间由所述农作物、由昆虫、或由微生物、或由冷损坏或运输损坏所产生的挥发性有机化合物。
25.本发明的另一个目的是提供一种方法，其中传感器网络包括用于监控环境条件的附加传感器，所述环境条件选自但不限于由温度、湿度、大气压力、可见光和uv光、红外光、或其任意组合。
26.本发明的另一个目的是提供一种方法，其中网络被配置为使用有线或无线技术来操作，有线或无线技术选自但不限于：无线局域网(wlan)、低功率广域网(lpwan)、无线广域网(wwan)、无线传感器网络、蓝牙、蜂窝网络、及其任意组合。
27.本发明的另一方面是使用细胞固定方法，例如水凝胶、合成膜、吸附物、共价物、溶胶
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凝胶和任何其他常规方法。
附图说明
28.为了理解本发明并了解其如何在实践中实施，现在仅通过非限制性示例的方式、
参考附图来对多个实施例进行描述，其中：
29.图1是本发明实施例的示意图；
30.图2是本发明方法的示意图；
31.图3a和图3b示出了本发明的初步结果；
32.图4示出了本发明的初步结果；
33.图5示出了本发明的初步结果；
34.图6示出了本发明的初步结果；
35.图7示出了本发明的初步结果；
36.图8a至图8d示出了本发明的初步结果；
37.图9示出了本发明的初步结果；
38.图10示出了本发明的初步结果；
39.图11示出了本发明的初步结果；
40.图12示出了本发明的初步结果；
41.图13示出了本发明的初步结果；
42.图14示出了本发明的初步结果；
43.图15示出了本发明的初步结果；以及
44.图16示出了本发明的初步结果。
具体实施方式
45.与本发明的所有章节一起提供以下描述，以使本领域技术人员能够利用所述发明，并阐明由发明人设想到的执行本发明的最佳方式。然而，由于本发明的一般原理已被特别定义以提供用于对挥发性有机化合物进行实时分析的生物传感器及其使用方法，因此各种修改对本领域技术人员而言仍然是显而易见的。
46.图1示出了本发明提出的结构的示意图。
47.图2是本发明方法的示意图。
48.图3a和图3b示出了tv1061菌株对不同浓度的(a)柠檬烯(b)α
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蒎烯的动力学响应(kinetic response)。
49.图4示出了各种生物发光菌株(k802nr群体感应，dpd2511氧化，dpd2794遗传毒性，tv1061细胞毒性)对受感染和未受感染橘子的动力学响应。
50.图5示出了感染进展对信号值的影响。
51.图6示出了生物发光细菌(tv1061，dpd2794和nr802k)对从受感染(+)小麦和未受感染(
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)小麦释放的voc的反应。
52.图7示出了实时监控收获的小麦中昆虫存在的情况。
53.本发明的目的是一种用于实时跟踪收获的农作物的生物传感器。
54.这些传感器中固定的生物发光细菌将监控空气中voc的分布特征，并将产生反映农作物健康或疾病状况的信号变化。这些信号与cmos传感器耦合，可以被传输并转换到智能手机应用，从而使最终用户易于使用。图1示出将生物传感器单元与光电探测器结合的传感器的非限制性实施例。生物传感器单元13、14包含固定的生物发光细菌11，这些生物发光细菌11已经过基因工程12，以对由收获后的农作物、由昆虫或由微生物(例如真菌，酵母，细
菌等)释放的挥发性有机化合物(voc)表现出增加的敏感性。生物发光细菌通过发射发光而与voc反应，该发光由光电探测器15转换为可传输到数据处理模块的信号。使用互补金属氧化物半导体(cmos)技术来构造有源像素传感器(aps)光电探测器使得能够生产出更具成本效益的传感器，并且因此有可能部署更多单元以实现更好的覆盖率。例如电荷耦合装置(ccd)技术的替代技术也可以用于有源像素传感器(aps)的构造，因为ccd使传感器具有更高的灵敏度和更快的响应时间。
55.光电探测器15和温度传感器16连接至发射器18，并且整个系统由内部电源17供电。生物传感器被封装在使voc能够通过的可渗透传感器帽19中。传感器配置为使得能够合并其他传感单元，这些传感单元能够在存储和运输过程中跟踪各种环境条件(例如湿度，大气压力，光线，ir和uv暴露等)。
56.图2示出了存储跟踪系统的一个非限制性实施例。生物传感器被策略性地放置在存储区域21中。voc22散布在整个存储区域中，并通过可渗透帽23进入生物传感器以到达生物传感器单元24。voc与生物发光细菌相互作用并激活光电探测器25。数据被传输到数据处理模块和显示单元，例如安装在计算机终端26和蜂窝电话27上的程序。处理模块转换数据，区分voc的分布特征并显示实时voc分析。
57.现在参考图8a至图8d，其示出了对四种不同的、对各种应激敏感的生物发光菌株的作用。测试的四种菌株对柠檬烯的反应不同。尽管如此，所有细菌菌株都是由空气中存在的柠檬烯所诱导的，通过tv1061菌株观察到了最高的响应，tv1061菌株对细胞毒性应激敏感(图8d)。此类响应增强了对柠檬烯可能的细胞毒性的这种假设。
58.现在参考图9，其确定生物报告细菌的能力。感测到从感染了指状青霉的橘子释放出的voc。将藻酸钙珠粒中包裹的生物报告细菌在密封的玻璃罐容器中、在腐烂发展的不同阶段暴露于受感染的水果。图9示出了这些细菌菌株对由受感染和未受感染样品产生的voc的响应。与使用纯柠檬烯获得的响应相似，通过对细胞毒性应激敏感的tv1061菌株观察到受感染和未受感染水果之间的最大差异。
59.现在参考图10，其展示了感染阶段对传感器响应的影响。在感染后的不同时间，tv1061菌株暴露于受感染的水果。可以观察到，感染的进展增加了生物发光输出响应。
60.现在参考图11，其示出了各种生物发光菌株(k802nr
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群体感应，dpd2511
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氧化，dpd2794
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遗传毒性，tv1061
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细胞毒性)对感染指状青霉(penicillium digitatum)和未感染的橘子的动力学响应。为了检查所提出的系统检测感染的能力，用四种不同的细菌菌株监测了受感染和未受感染水果附近的空气(图11)。与柠檬烯的情况一样，每种使用的菌株对受感染水果的响应不同，而所提出的生物传感器在从感染点的第三天检测到问题，在橘子表面上的任何可见真菌痕迹之前。此外，随着疾病进展细菌响应的增加表明感染状态与其对细胞发光的影响之间存在相关性(图11)。的确，在最后一个测量点观察到了最强的voc对细菌的影响，这一天受感染和未受感染样品之间的voc差异最高。
61.现在参考图12，其示出了不同的生物报告细菌菌株(k802nr
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群体感应，dpd2794
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遗传毒性，tv1061
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细胞毒性)对被昆虫污染的小麦的响应。为了检查所提出的系统检测小麦中象鼻虫上升的能力，用三种不同的细菌菌株监测有昆虫和无昆虫的受害小麦附近的空气、未受感染的小麦和空的腔室。每种菌株对每种样品的响应不同，但是清楚地观察到受害小麦和未受害小麦之间的差异。
62.现在参考图13，其示出了对小麦中溴氰菊酯(deltamethrin)害虫防治处理的效率的监控。为了确定测试害虫防治处理的效果的系统能力，用溴氰菊酯处理受感染的小麦和干净的小麦。然后，将传感器(具有tv1061菌株)放入已被处理的腔室中。受感染和未受感染样品中的类似响应表明，在消毒过程期间所有昆虫均受到破坏(图13)。溴氰菊酯对小麦内部的卵(eggs)是无效的。因此，小麦内部(卵中)的昆虫在它们将孵化并出去时将受到破坏。的确，图13证实了在消毒过程的第三天，即未受损的昆虫从小麦中出来的那一天，细菌的响应有所增加。然后可以通过用小麦上的溴氰菊酯残留物杀死这些昆虫来解释传感器对背景水平的响应的降低。
63.现在参考图14，其示出了细胞毒性(tv1061)和遗传毒性(rec::lux)菌株对马铃薯感染的响应。细菌通过市售的发光计和基于cmos的应用程序进行测量。图14证实了基于cmos的生物传感器检测马铃薯块茎中存在感染的能力。基于cmos的应用程序对两种测试菌株的响应模式都类似于市售设备。
64.现在参考图15，其示出了不同群体感应、氧化和遗传毒性菌株对橘子中伪苹果蠹蛾毛虫的响应。图15证实了16种不同菌株对伪苹果蠹蛾毛虫的响应。如可以观察到的那样，不同的菌株响应不同，但是菌株21、29、31和27的高响应值表明，它们不仅对伪苹果蠹蛾毛虫的存在敏感，而且还具有在将来的cmos应用中使用它们的能力。
65.现在参考图16，其示出了剂量取决于对伪苹果蠹蛾毛虫的响应。为了确定所提出系统的剂量依赖性能力，将固定在藻酸钙水凝胶中的四个菌株暴露于不同的伪苹果蠹蛾毛虫浓度。可以观察到，随着毛虫数量的增加，生物发光响应也增加。