一种全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统及方法
【专利摘要】本发明提供一种用于农药残留现场检测的基于酶抑制反应全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统及方法，主要由一个便携式的分析检测仪器，以及一次性使用的微流控芯片组成。所述的微流控芯片塑料高分子材质通过现有的微加工技术制造而成，由中心卡槽，萃取室，样品室，反应室，检测室，微槽，微孔和质控条形码构成。内部固定有农残检测所需的试剂(包括提取液、酶、显色剂等)，能够实现自动定量进样、流体分配以及生化反应和分子识别等功能。所述便携式分析仪器中整合流体操控模块、光电检测模块、数据分析处理模块、信息存储及通讯模块，能够实现对微流控芯片中生化反应的操控与待测指标-农药残留的快速分析与检测。本发明提供的微流控芯片系统及方法，特别适合于水果、蔬菜、土壤、水质等样本中农药残留的全自动、高通量检测和筛查。
【专利说明】一种全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微流控芯片分析领域，特别涉及一种基于酶抑制反应全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统及方法。
【背景技术】
[0002]酶抑制反应及分析方法在重金属离子、有机磷和氨基甲酸酯类农药等有毒有害物质的检测领域具有极其深入的研宄和极其广泛的应用。例如，目前，基于酶抑制法原理的农药残留快速检测方法和仪器(主要包括农残速测仪和农残速测卡)已被列入国家标准和行业标准(GB/T5009.199-2003)，并广泛应用于蔬菜、水果、茶叶等生产基地、农贸市场、超市及监督部门，成为我国农药残留快速检测的主流技术，是当今和今后一段时期内农产品农药残留快速检测的首选方法之一。
[0003]然而，现有的农药残留快速检测产品往往是基于传统的生化分析实验室检测方法实现酶抑制反应分析检测。例如，现有的农残速测仪主要依靠移液器、烧杯、比色皿等大量的附件及分析器皿完成酶抑制分析，操作步骤包括溶液配制(包括提取液、酶、显色剂、底物)、酶抑制反应、显色反应过程繁琐，全部依靠人工完成，耗时长，并且操作人员需要具备一定的专业知识，只能在实验室内进行，难以实现现场快速检测；为了实现现场快速检测，人们还开发了基于酶抑制反应原理的农残速测卡，这种方法虽然简便易行，然而这种方法存在反应均一性差、分析准确率低等缺点，这是由于该方法依靠在膜、试纸等多孔固体介质表面固定酶，继而将溶液样本滴加于试纸表面完成酶抑制反应过程，属于一种“干化学法”的酶抑制反应分析，受到试剂固定不均一、溶液蒸发等因素影响较大。
[0004]微流控芯片指的是一种在一块几平方厘米的芯片上构建的生物或化学实验室。它把生物和化学领域中所涉及的反应、分离、培养、分选、检测等基本操作单元分别做成微/纳米量级的构件，集成到一块很小的芯片上，由微通道形成网络，以可控流体贯穿整个系统，用以实现常规生物或化学实验室的各种功能。由于微流控芯片技术具有进样量小、集成度高、易实现自动化控制和高通量分析的特点，使得在微流控芯片上进行生化反应操作较常规的分析样品前处理更方便、快速、成本低廉。而且，高特异性的生化反应与微流控芯片强大的分离、检测能力相结合将显示出更为显著的优势。
[0005]因此，如果能够在微流控芯片技术平台上，开发一种用于酶抑制反应的全自动、高通量农药残留检测的平台及分析方法，不仅将使样品处理时间大幅缩短、试剂和仪器成本大幅降低、检测分辨率和灵敏度显著提高，而且基于溶液反应的酶抑制反应对比农残速测卡技术将极大地提高反应均一性和可控性。特别是将便携型检测仪器进一步与微流控芯片整合，将大大缩小检测系统的体积，使基于酶抑制反应的现场、简便、快速、准确检测成为可會K。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于针对目前农药特别是有机磷和氨基甲酸酯类农药残留现场快速检测技术的上述问题，提供一种全自动、高通量农药残留检测的平台及分析方法，具体方案是基于微流控芯片技术，集成前处理、进样、生化反应和分析检测，基于溶液酶抑制反应、生化显色反应和吸光度检测原理，实现农药残留的全自动、高通量、快速、准确检测。
[0007]为实现上述目的，本发明提供一种全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统及方法，主要由一个便携式的分析检测仪器，以及一次性使用的微流控芯片组成。
[0008]本发明提供的全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统，所述便携式分析仪器中整合流体操控模块、光电检测模块、数据分析处理模块、信息存储及通讯模块，能够实现对微流控芯片中生化反应的操控与待测指标一农药残留的快速分析与检测。
[0009]本发明提供的全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统，所述的流体控制模块由离心机旋转产生的离心力构成，微流控芯片内部的样本溶液在离心力的控制下，沿导管进入各个反应池相应的反应；
[0010]本发明提供的全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统，所述的温度控制模块由加热板和温度传感器构成用于控制微流控芯片的整体温度，温度控制范围为10?60°C，控温精度为±0.1?±2°C ；
[0011]本发明提供的全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统，所述的检测模块由光源和光电传感器构成，用于对生化反应结果进行吸光度测定；所述的光源优先使用微型单色LED冷光源，波长范围为340?800nm，所述的光电传感器可以是光电二极管、光电三极管、CMOS或CCD等；
[0012]本发明提供的全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统，所述的数据处理和控制模块由单片机、显示屏或打印机、蓝牙或无线通讯器件组成，用于对上述模块进行程序化控制及数据采集、分析、显示和传输处理。
[0013]本发明提供的全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统，所述微流控芯片为塑料高分子材质通过现有的微加工技术制造而成，内部固定有农残检测所需的试剂(包括提取液、酶、显色剂等)，能够实现自动定量进样、流体分配以及生化反应和分子识别等功會K。
[0014]本发明提供的全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统，所述的微流控芯片由中心卡槽，萃取室(提取液池)，样品室，反应室，检测室，微槽，微孔和质控条形码构成。
[0015]本发明提供的全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统，所述的微流控芯片内部预先存储有用于农药残留检测的生化试剂，包括萃取剂(农药提取液)、酶、底物和显色剂等；所述生化试剂可以是液体试剂，也可以是粉末状、薄膜状或块状的固体试剂；所述的存储方式可以是液囊封装，也可以是表面修饰、凝胶包埋、块体封装等。
[0016]本发明提供的全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片分析方法，在农残检测操作时首先扫描芯片质控条形码，待测样品放入芯片样品室，关闭样品室密封盖，释放芯片内部预先存储的生化试剂，将芯片放入检测仪器并开启仪器，5-10分钟内在芯片各微腔室内完成样品前处理、生化反应、检测等，并将精确的检测结果以屏幕显示或打印的方式呈现出来，获得农药残留的含量。
[0017]本发明提供的全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片分析方法，所述的前处理是在芯片内部完成样本和农药提取液在萃取池中的萃取反应。
[0018]本发明提供的全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片分析方法，所述的生化反应包括溶液相的酶抑制反应和显色反应，所述的检测是通过溶液吸光度连续测定法而实现。
[0019]本发明的优点在于:1)在微流控芯片内部固定酶试剂及生化试剂，包括萃取剂、酶、底物和显色剂等，无需使用其余的附件以及避免大量繁琐的溶液配制工作；2)便携式分析仪器中整合流体操控模块、光电检测模块、数据分析处理模块、信息存储及通讯模块，能够实现对微流控芯片中生化反应的操控与待测指标一农药残留的快速分析与检测；3)试剂及样品消耗量从传统的毫升级别减少至微升甚至是纳升级别，显著降低检测成本；4)可以同时对多个样品(6-60个)进行平行分析，特别适合于大批量果蔬样品的农残筛查。；5)操作简便，仅需直接将微量的待测样品(例如菜叶、果皮或果肉等)加入芯片后，再将芯片置入仪器中，即可实现“一键搞定”式的全自动分析检测，非专业人员也可以独立进行农药残留的快速检测。
[0020]本发明所提供的全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统及方法，有望实现基于酶抑制反应及分析原理的重金属离子、农药残留等有毒有害物质的现场、快速、准确检测，市场前景巨大。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1.一种全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统示意图，整个系统由一个一次性的微流控芯片和一个便携式仪器组成。
[0022]图2.—种配套农药残留现场检测的便携式分析检测仪器组成原理示意图。
[0023]图3.本发明实施例1中用于农药残留现场快速检测的微流控芯片结构示意图。其中，al为提取液池，bl为流体通道，Cl为样品池，dl为酶抑制反应池，el为显色反应与检测池，fl为通气孔，gl为存储于提取液池中的液囊，hi为放置于样品池中的待测样品(例如菜叶、果皮或果肉等)，il为存储于反应池中的酶和显色剂混合物，jl为存储于检测池中的底物。
具体实施方案
[0024]如图1所示，本发明所提供的一种全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统由两部分组成:一次性使用的、内部存储有生化试剂的微流控芯片，以及与之配套使用的便携式仪器。微流控芯片用于实现进样、前处理、生化反应等功能；便携式仪器用于实现温度控制、流体控制、检测分析等功能。如图2所示，便携式仪器由温度控制模块、流体控制模块、检测模块、数据处理和控制模块、电源模块组成，工作原理如下:使用温度控制模块对微流控芯片进行整体加热恒温；使用流体控制模块对微流控芯片中的溶液进行精确操控，从而实现对微流控芯片中的生化反应进行调控；使用检测模块对微流控芯片中的反应结果进行吸光度测定；数据处理和控制模块实现对温度、流体和检测的控制以及分析结果的处理、显示或传输；仪器整机由电源模块进行供电。便携式仪器是桌面型，体积和质量以能够满足便于携带、进行现场作业的需求为准。使用时，只需要将样品加入芯片中，其余的步骤包括萃取反应、酶抑制反应、显色反应和检测均依靠便携式仪器全自动完成。
[0025]下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。实施例1一种用于农药残留现场快速检测的微流控芯片系统
[0026]本实施例中，用于农药残留现场快速检测的微流控芯片系统包括一个微流控芯片和一个便携式仪器(图1)，其中微流控芯片的结构和操作流程如图3所示，微流控芯片由提取液池al，流体通道bl，样品池Cl，酶抑制反应池dl，显色反应与检测池el，通气孔Π组成gl为存储于提取液池中的液囊，hi为放置于样品池中的待测样品(例如菜叶、果皮或果肉等)，il为存储于反应池中的酶和显色剂混合物，jl为存储于检测池中的底物。具体检测过程为:①进样:将定量的待测样品hi (例如水果、蔬菜)放入芯片样品池中，关闭样品室密封盖，释放芯片预先存储的提取液gl，将芯片放入检测仪器并开启仪器；②提取:提取液gl经流体控制模块控制进入Cl与待测样品hi混合；③生化反应:待测溶液经流体控制模块控制进入酶抑制反应池dl中，37°C恒温条件下，待测溶液与酶试剂il充分混合反应，3?1min后溶液自动进入显色反应池与检测池el ;④显色反应及检测:37°C恒温条件下，待测液进一步与底物j I充分反应3?5min，采用吸光度连续测定法，分析获得酶抑制率，最终结果以数据化显示在便携式仪器的显示屏，也可以现场打印或者通过无线通讯或蓝牙等将测定结果传输至检测中心服务器。上述的步骤②?④均为仪器自动化操作，使用本实施例所提供的微流控芯片系统，可以10?15min内现场获得有机磷和氨基甲酸酯类农药残留的半定量或定量测定结果。
【权利要求】
1.一种全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统及方法，其特征在于该系统主要由一个便携式的分析检测仪器，以及一次性使用的微流控芯片组成。其中，微流控芯片为塑料高分子材质通过现有的微加工技术制造而成，内部固定有农药残留检测所需的试剂(包括提取液、酶、显色剂等)，能够实现自动定量进样、流体分配以及生化反应和分子识别等功能；便携式分析仪器中整合流体操控模块、光电检测模块、数据分析处理模块、信息存储及通讯模块，能够实现对微流控芯片中生化反应的操控与待测农药残留指标的快速检测。
2.按权利要求1所述的全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统及方法，其特征在于，所述便携式分析检测仪器的组成模块包括:流体操控模块、光电检测模块、数据分析处理模块、信息存储及通讯模块。 上述模块具有以下特征: 所述的流体控制模块由离心机旋转产生的离心力构成，微流控芯片内部的样本溶液在离心力的控制下，沿导管进入各个反应池相应的反应； 所述的温度控制模块由加热板和温度传感器构成用于控制微流控芯片的整体温度，温度控制范围为10?60°C，控温精度为±0.1?±2°C ； 所述的检测模块由光源和光电传感器构成，用于对生化反应结果进行吸光度测定；所述的光源优先使用微型单色LED冷光源，波长范围为340?800nm，所述的光电传感器可以是光电二极管、光电三极管、CMOS或CCD等； 所述的数据处理和控制模块由单片机、显示屏或打印机、蓝牙或无线通讯器件组成，用于对上述模块进行程序化控制及数据采集、分析、显示和传输处理。
3.按权利要求1所述的全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统及方法，其特征在于，所述的微流控芯片由中心卡槽，萃取室，样品室，反应室，检测室，微槽，微孔和质控条形码构成。
4.如权利要求1所述的全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统及方法，其特征在于，所述的微流控芯片内部预先存储有用于农药残留检测的生化试剂，包括萃取剂、酶、底物和显色剂等；所述生化试剂可以是液体试剂，也可以是粉末状、薄膜状或块状的固体试剂；所述的存储方式可以是液囊封装，也可以是表面修饰、凝胶包埋、块体封装等。
5.按权利要求1所述的全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统及方法，其特征在于，农残检测时首先扫描芯片质控条形码，待测样品放入芯片样品室，关闭样品室密封盖，释放芯片内部预先存储的生化试剂，将芯片放入入检测仪器并开启仪器，5-10分钟内在芯片各微腔室内完成样品前处理、生化反应、检测等，并将精确的检测结果以屏幕显示或打印的方式呈现出来，获得农药残留的含量。
6.如权利要求1和5所述的全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统及方法，其特征在于，所述的前处理是在芯片内部完成样本和农药提取液在萃取池中的萃取反应，萃取反应可以通过静置或者震荡混合实现。
7.如权利要求1和5所述的全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统及方法，其特征在于，所述的生化反应包括溶液相的酶抑制反应和显色反应，所述的检测是通过溶液吸光度连续测定法而实现。
8.按权利要求1所述的全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统及方法，其特征在于，可以在一张微流控芯片上实现6-60个样品的同时在线、全自动、高通量、快速检测，特别适合于大批量果蔬样品的农残筛查。
9.按权利要求1所述的全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统及方法，其特征在于，对操作者而言，仅需直接将微量的待测样品(例如菜叶、果皮或果肉等)加入芯片后，再将芯片置入仪器中，即可实现“一键搞定”式的全自动分析检测，非专业人员也可以独立进行农药残留的快速检测。
10.如权利要求1所述的全自动、高通量农药残留检测的微流控芯片系统及方法，其特征在于，使用本发明提供的微流控芯片系统及方法，使用一次性的微流控芯片和便携式的仪器，集成样本前处理、酶抑制反应、显色反应和吸光度分析，特别适合于水果、蔬菜、土壤、水质等样本中农药残留的现场、快速、自动、准确检测。
【文档编号】G01N35/00GK104502617SQ201410826201
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月24日 优先权日:2014年12月24日
【发明者】叶嘉明, 吕志荣, 王晓东, 黄昱俊, 周海梦 申请人:杭州霆科生物科技有限公司