基于微芯片电泳的植物养分原位提取与检测系统及方法

本发明涉及智慧农业新技术与新装备，尤其涉及一种基于微芯片电泳的植物养分原位提取与检测系统及方法。

背景技术：

1、农作物在生长过程中营养状态的及时获取，对维持农作物正常生长发育、实现养分的精准供应有重要意义。此外，农作物养分诊断有助于避免不必要的养分施用，降低成本，减少土壤中的养分耗尽，有助于土壤的可持续利用，符合当前智慧农业的需求标准。

2、现阶段，农作物营养诊断主要以实验室分析为主，通常依赖大型检测设备，存在仪器昂贵、体积大、难操作、精度低、检测成本高、检测速率慢、前处理复杂和无法实时监测等问题，难以满足农作物养分原位检测的需求，无法实时、迅速地了解到农作物的养分水平。

3、近年来，微芯片电泳-c4d(capacitively coupled contactless conductivitydetection，电容耦合非接触电导检测)法得到发展。根据微芯片电泳原理，不同带电离子由于自身电荷数、离子半径及质量不等，导致其在恒定电场下迁移速度不同而发生电泳分离；采用电容耦合非接触电导法检测离子。电容耦合指输入激励信号后，检测电极会与接收电极之间形成电容，电极与待测溶液之间也会形成电容，这种电容实际存在，以容抗的形式阻碍信号的传输；非接触指检测电极和接收电极不与待测液直接进行物理接触，采用非物理接触的方式检测可检出分离后的离子信号强度。微芯片电泳可根据检测得到的离子图谱的峰位时间(离子迁移时间)区分离子种类；根据峰形高度(电导信号强度)量化离子浓度，得到待测离子的量。

4、微芯片电泳-c4d法适用性强、易于微型化和集成化，消耗样品量少，为农作物微创、高频次的检测提供了可能；其易便携、检测迅速、成本低满足农作物养分原位、大规模监测的要求；其同步检出多种养分离子进一步降低采样量需求，减少对农作物损伤，可提升效率。

5、但是目前，尚未见微芯片电泳-c4d法应用于农作物养分离子的原位检测；然而，其具有的诸多优点在农作物养分原位检测领域具有较大应用前景，可为农作物养分的原位监测供一种新途径。目前，该领域还存在如下技术瓶颈需要进一步突破：(1)如何微量、原位、高效地采集与提取(浸提)农作物茎、叶组织及根际土壤的离子样品溶液？(2)如何将采集/浸提的离子溶液样品，输入到微芯片，实现自动检测？(3)如何克服复杂工况下的诸多干扰因素，提升抗干扰性能，输出稳定、可靠、精确的养分信息？

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题是：提供一种基于微芯片电泳的植物养分原位提取与检测系统及方法，分别对植株叶片组织、茎和根际土壤养分离子进行提取，并将电泳与c4d结合，采用电泳作为植物进样和分离的方法，实现植物养分离子原位检测。

2、本发明采用如下技术方案：一种基于微芯片电泳的植物养分原位提取与检测系统，包括控制模块、电压模块、信号模块、微芯片模块和检测模块和植物养分离子浸提模块；

3、控制模块控制电压模块产生电压，并控制信号模块产生激励信号，提供给检测模块中的激励电极；

4、植物养分离子浸提模块，分别对待测植物叶、植物茎组织、植物根际土壤进行养分离子的浸提，得到待测液，待测液进入微芯片模块，在高压条件下离子发生电泳，分离出离子后到达检测模块；

5、在检测模块中对分离后的离子进行养分原位检测，根据离子图谱的峰位时间区分离子种类，根据离子图谱的峰形高度量化离子浓度，得到待测液的离子种类及其浓度。

6、进一步地，电压模块为高压电源，控制模块驱动电压模块产生进样高压和分离高压，分别控制样品离子的进样和分离；控制模块还控制信号模块产生正弦信号，并通过控制正弦信号的幅相调整离子检测的信号强度。

7、进一步地，微芯片模块包括：塑料管、pmma膜、微通道、进样孔、进样通道、进样废液孔、分离孔、分离通道、分离废液孔；进样孔、进样废液孔、分离孔和分离废液孔的半径与进样通道和分离通道宽相同，采用印刷电路板制作微通道阳膜；将待测液注入到进样孔，施加进样电压，待测液中离子在电场作用下进入微芯片通道；施加分离电压，不同带电离子发生电泳在分离通道中分离，分离开的离子到达分离废液孔，从检测模块中得到离子图谱，检测的溶液的离子种类及其浓度。

8、进一步地，检测模块中电极制作在印刷电路板上，包括激励电极、检测电极，以及屏蔽电极，激励电极产生激励信号，检测电极获取最终的检测信号进行处理，屏蔽电极用于减弱杂散电容对检测信号带来的影响。

9、进一步地，植物养分离子浸提模块，包括：毛细管、阀门微型摄像头、操作台、微型气压泵，毛细管端口垂直插入待测植物茎内，控制操作台调控微型气压泵改变毛细管内气压将汁液导入毛细管，观察微型摄像头传输到操作台的画面，汁液到达指定位置后，停止导入汁液，并向毛细管内注射空气，将汁液导入微芯片模块进样通道内。

10、进一步地，基于微芯片电泳的植物养分原位提取与检测系统，还包括微型原位灼烧器，由陶瓷容器和加热电极构成，加热电极在陶瓷容器回型缠绕并固定；

11、加热电极材质为金属、半导体或金属陶瓷，工作电压施加于加热电极两端，对陶瓷容器内样品加热或灼烧。

12、本发明技术方案还提供了一种基于微芯片电泳的植物养分原位提取与检测方法，包括如下步骤：

13、s1、对待测植物进行养分离子的浸提，得到待测液；养分离子的浸提，具体如下：

14、s1.1、对待测植物叶养分离子的浸提，包括：打孔取样、原位灼烧、研磨过筛、浓酸破壁、加热消化和加水定样；

15、s1.2、对待测植物茎组织养分离子的浸提，包括：开口、取汁液、导入毛细管、控制汁液量和导入微芯片；

16、s1.3、对待测植物根际土壤养分离子的浸提，包括：土壤取样、烘干、研磨、取样溶解、超声浸提和离心；

17、s2、将浸提后获取的待测液从微芯片模块进样口输入，在高压条件下离子发生电泳被分离后到达检测模块；

18、s3、对分离出的离子进行离子检测：不同离子到达检测模块的时间不同，在检测模块得到的不同的离子图谱，根据离子图谱的峰位时间区分离子种类，根据离子图谱的峰形高度量化离子浓度，得到待测液的离子种类及其浓度。

19、具体地，步骤s1植物叶片组织、茎组织和根际土壤的养分原位提取和检测方法，如图1所示：

20、a表示植株叶片中养分的提取与检测，提取过程包括：提取叶片组织，将叶片组织在微型原位灼烧器中灼烧，将灼烧后的灰样研磨过筛，加浓硫酸和过氧化氢进行原位浸提，后加去离子水定样至2ml，最终得到养分浸提液。使用移液枪将提取的养分浸提液注入电泳微芯片中，进行后续离子检测。

21、b表示植株茎组织中养分的提取与检测，具体操作为：用刀片将茎组织划出开口，将毛细玻璃管端口插入茎组织开口位置，调控操作台控制微型气压泵调节管内气压，提取茎组织汁液；同时观察由微型摄像头传来的实时画面，待汁液到达微型摄像头画面内虚线处时控制气压泵停止提取汁液，打开毛细管连接的阀门，用注射器深入阀门内将提取到微芯片进样孔处的汁液压入微芯片进样口内，待汁液到达微芯片进样口后即可进行后续检测。

22、c表示玉米植株根系土壤中养分的提取与检测，养分离子提取的具体操作为：在距离植株根10cm范围内取100g土样，后将其烘干、研磨并过滤网；后取0.5g上述土样，加10ml去离子水，经震荡、离心等操作后静置，上层清液即为所述养分浸提液。使用移液枪取微量浸提液注入微芯片进样口后即可进行后续养分离子检测。

23、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

24、(1)本发明实现植物养分离子原位提取与微芯片电泳法检测相结合，有效避免了传统提取与检测方法中会出现的引入其他杂质、操作复杂和不确定因素多等问题。

25、(2)本发明方法分别对植株叶片组织、茎和根际土壤养分离子进行提取与检测，详细解释了提取与检测方法，为其他农作物和植物的养分检测提供了新思路。

26、(3)本发明设计了植物茎汁液提取装置，将通道、微型摄像头、微型气压泵、操作台结合，可以准确控制提取汁液的量，并控制气压将提取出的汁液注入微芯片中，简化了实验操作，且一定程度提高了检测精度。

27、(4)本发明采用原位高温灼烧的方法，使用微型原位灼烧器，采用氧化铝陶瓷制作容器，导热性好，可以很好的吸收加热电极带来的热量为容器内叶片加热灼烧；还提出了加热电极的制作方式以及和陶瓷容器的连接方式，选取铜作电极能够充分加热，其熔点较高且自身柔韧性较好，便于操作，可快速升温至600℃，同时满足低功耗要求，适用于田间作业。

28、(5)本发明将电泳与c4d结合，采用电泳作为植物进样和分离的方法，相较于传统检测方法，节省许多前处理的时间；另外，电泳不需要对溶液进行多余的操作，直接将其注入微芯片的通道中，通过施加电压即可将不同的离子分离，相较于传统的加入其他溶液来分离离子的方法，避免引入了其他无关离子，一定程度上提高了检测结果的可靠性和准确度。

29、(6)本发明采用c4d电极作为检测电极，避免待测溶液与检测电极直接接触，一定程度上对检测电极起到保护作用；同时非接触式的检测，可以减少上一次实验液体残留在电极上对后续实验影响；此外，引入屏蔽电极，一定程度上减少了杂散电容的影响，提高了最终检测结果的准确度。