CN109337796A - 酵母菌细胞高效筛选系统及其ito玻璃操作模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光诱导介电泳技术的酵母菌细胞高效筛选系统。本发明基于光诱导介电泳技术的酵母菌细胞高效筛选系统，其特征在于，包括：ITO玻璃操作模块；光刺激模块，所述光刺激模块用于在所述氢化非晶硅层上形成可以改变的光图形；观测模块，所述观测模块用于观察所述中间液体层中的操作过程；移动模块，所述移动模块用于驱动所述ITO玻璃操作模块在水平面上做二维运动。本发明的有益效果：首先能够从自然界的土壤等环境中筛选出菌种，并从多种菌种中筛选出酵母菌菌种，然后，在筛选出的酵母菌菌种中再筛选出生长优良的菌种。该方法虽然也要多次筛选，但是每次筛选只需要更改外加电场的大小和频率，操作简单、周期短、效率高。

Description

酵母菌细胞高效筛选系统及其ITO玻璃操作模块

技术领域

本发明涉及酵母菌筛选领域，具体涉及一种基于光诱导介电泳技术的酵母菌细胞高效筛选系统。

背景技术

酵母菌是微生物发酵领域最常用的菌种之一，其被广泛地运用于酿酒工业、食品工业、医药工业等。酵母菌在工业上应用的实质是，酵母菌在受到各种内、外在因素(如：酶、营养物质、溶氧、温度等)影响下的生长、代谢和繁殖的过程，而大部分的发酵产物恰恰是在其生长、代谢或繁殖的过程中不断产生。酵母菌菌种本身的质量、状态对发酵效益有着非常重要的影响。

传统技术存在以下技术问题：

当前对酵母菌优良菌种的筛选都是基于微生物学的方法，主要包含两类：i)通过基因工程的方法改良出新的菌种；ii)从自然界中提取已有的菌种。前一种方法借助基因工程技术对主导酵母菌细胞的部分代谢网络的基因进行编辑或重组，从而抑制部分非重要的代谢环节或者促进与所需发酵产物密切相关的代谢网络，促使酵母菌细胞趋向于更有利于发酵产出的方向进行代谢、生长和繁殖，以此增加发酵产出提高发酵效率。该类菌种的筛选方法能够有效筛选出具有高效产出的优良菌种和开发出一些新类型的菌种，然而，其在筛选过程中不仅需要借助大型的基因工程技术相应的仪器设备，成本高、周期长，而且对筛选人员的技术要求也非常高，因此，不适用于大部分的中小型企业；后一种方法从自然界的土壤等地方提取，初始提取出的土壤中含有大量的杂质和其他菌种，需要借助于生物免疫学的方法通过对提取物连续多次不间断地长时间培育。这类方法虽然成本相对较低，但是其周期太长、相对工序较复杂。此外，这种筛选方法有一定的随机性，所筛选的优良菌种与所取的土壤有直接关系。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于光诱导介电泳技术的酵母菌细胞高效筛选系统，所面临的周期长、成本高、不确定性和工艺复杂等缺点，提供一种基于光诱导介电泳技术的优良酵母菌菌种筛选方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于光诱导介电泳技术的酵母菌细胞高效筛选系统，包括：

ITO玻璃操作模块，所述ITO玻璃操作模块包括第一ITO玻璃和第二ITO玻璃；所述第一ITO玻璃包括第一玻璃基底和设在所述第一玻璃基底上的第一ITO层；所述第二ITO玻璃包括第二玻璃基底、设在所述第二玻璃基底上的第二ITO层和设在所述第二ITO层上的氢化非晶硅层；所述氢化非晶硅层与所述第一ITO层之间形成中间液体层，所述中间液体层具有至少一个入口和至少一个出口；在所述第一ITO层和所述第二ITO层之间施加AC电场；

光刺激模块，所述光刺激模块用于在所述氢化非晶硅层上形成可以改变的光图形；

观测模块，所述观测模块用于观察所述中间液体层中的操作过程；

移动模块，所述移动模块用于驱动所述ITO玻璃操作模块在水平面上做二维运动。

在其中一个实施例中，所述中间液体层包括用于粘合第一I TO层和所述氢化非晶硅层的双面胶；所述双面胶形成一个或者多个互相平行的通道；所述通道的一端用于注入待分离的样品，另一端用于分离筛选出的菌种。

在其中一个实施例中，所述中间液体层包括用于粘合第一ITO层和所述氢化非晶硅层的双面胶；所述双面胶形成四个连通的第一通道、第二通道、第三通道和第四通道；所述第一通道的一端用于注入待分离的样品，所述第二通道用于分离筛选出的菌种，所述第三通道用于分离不同于第二通道筛选出的菌种，所述第四通道用于分离杂质。

在其中一个实施例中，所述光刺激模块包括投影仪、反射镜、物镜和电脑；在电脑上绘制的特定图形经过投影仪、反射镜、物镜汇聚到所述氢化非晶硅层。

在其中一个实施例中，所述观测模块是位于所述ITO玻璃操作模块上方的CCD。

在其中一个实施例中，所述移动模块是固定在工作台面上的二维移动平台。

在其中一个实施例中，在所述第一ITO层和所述第二ITO层之间通过示波器施加AC电场。

一种ITO玻璃操作模块，包括第一ITO玻璃和第二ITO玻璃；所述第一ITO玻璃包括第一玻璃基底和设在所述第一玻璃基底上的第一ITO层；所述第二ITO玻璃包括第二玻璃基底、设在所述第二玻璃基底上的第二ITO层和设在所述第二ITO层上的氢化非晶硅层；所述氢化非晶硅层与所述第一ITO层之间形成中间液体层，所述中间液体层具有至少一个入口和至少一个出口。

在其中一个实施例中，所述中间液体层包括用于粘合第一ITO层和所述氢化非晶硅层的双面胶；所述双面胶形成一个或者多个互相平行的通道；所述通道的一端用于注入待分离的样品，另一端用于分离筛选出的菌种。

在其中一个实施例中，所述中间液体层包括用于粘合第一ITO层和所述氢化非晶硅层的双面胶；所述双面胶形成四个连通的第一通道、第二通道、第三通道和第四通道；所述第一通道用于注入待分离的样品，所述第二通道用于分离筛选出的菌种，所述第二通道用于分离不同于第二通道筛选出的菌种，所述第四通道用于分离杂质。

本发明的有益效果：

首先能够从自然界的土壤等环境中筛选出菌种，并从多种菌种中筛选出酵母菌菌种，然后，在筛选出的酵母菌菌种中再筛选出生长优良的菌种。该方法虽然也要多次筛选，但是每次筛选只需要更改外加电场的大小和频率，操作简单、周期短、效率高。此外，光诱导介电泳力的精度能够达到纳牛级别，对操控对象的区别精度较高，能够实现对菌种之间微细差别的鉴别和筛选，实现对酵母菌菌种的精确和高效地筛选。

附图说明

图1是本发明基于光诱导介电泳技术的酵母菌细胞高效筛选系统的原理示意图。

图2是本发明基于光诱导介电泳技术的酵母菌细胞高效筛选系统的ITO玻璃操作模块的制作流程示意图。

图3是本发明基于光诱导介电泳技术的酵母菌细胞高效筛选系统的ITO玻璃操作模块的结构示意图。

图4是本发明基于光诱导介电泳技术的酵母菌细胞高效筛选系统中10μm小球受到不同外加电场频率下的最大介电泳力的曲线图。

图5是本发明基于光诱导介电泳技术的酵母菌细胞高效筛选系统中10μm受到不同波长入射光刺激下的最大介电泳力的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实现光诱导介电泳技术的系统如图1所示，包括三明治结构的ITO玻璃操作模块、光刺激模块、观测模块和移动模块等。所述的三明治结构的ITO玻璃操作模块是该技术实现的核心部件，其主要由上下两层单面铺有ITO的玻璃，下面玻璃在ITO上还镀了一层氢化非晶硅(A-Si:H)，两层ITO玻璃通过双面胶在铺有ITO的一面粘贴在一起构成中间的液体层，并通过双面胶形成沟道。在两层ITO玻璃上通过示波器施加一个外加电场。所述的光刺激模块主要用于形成在ITO玻璃上形成特定的图形，其主要包括投影仪、反射镜、物镜，电脑。通过电脑软件绘制的特定图形经过投影仪、反射镜和物镜汇聚到沉积了氢化非晶硅的ITO玻璃上。所述的观测模块主要是由一台CCD组成，位于三明治机构上面ITO玻璃的上面，用于观测液体层中的操作过程。所述的移动模块主要是有一个二维移动平台组成，固定在工作台面上，而三明治结构的ITO玻璃操作模块固定在该移动平台上，以实现三明治结构的ITO玻璃操作模块在水平面上实现二维方向的精确定位。

ITO全称氧化铟锡，是一种N型氧化物半导体-氧化铟锡，具有良好的导电性和透光性。在2.5cm×2.5cm玻璃上沉积有一层180nm±10nm的ITO，作为三明治ITO玻璃操作模块的导电部位，两层玻璃之间能够形成电场。在下层的ITO玻璃上表面的ITO上面再沉积一层0.5-1μm的氢化非晶硅。氢化非晶硅是一种有着复杂性能的半导体光敏材料，其在入射光的照射作用下产生虚拟电极，从而在液体层中形成空间非均匀电场。光诱导介电泳技术的具体工作原理为：当外加交流电压施加于上下ITO玻璃时，由于氢化非晶硅材料在无光照时电导率较低，因此，液体中几乎无压降，中间的液体层无空间电场产生；当有光从三明治结构的ITO玻璃操作模块的下面照射到氢化非晶硅层时，氢化非晶硅吸收入射光光子的能量，使得氢化非晶硅的电导率迅速增加，产生内光生电导效应；同时，氢化非晶硅电导率的增加使得其电阻显著减少，从而使得外加电压作用于光照处的液体层，在液体层的入射光处及其周边产生空间非均匀电场，入射光照区域即为虚拟电极。虚拟电极能够对分布在液体中的酵母菌细胞提供一个光诱导介电泳力，通过软件能够改变或移动投影在氢化非晶硅层的光模式(图形)，形成移动的虚拟电极，即随着光移动的光诱导介电泳力，从而能够移动液体层的酵母菌细胞。此外，光诱导介电泳力受外加电场的大小和频率以及入射光等影响，通过改变外加电场的大小和频率或入射光波长以调节作用于液体层中的光诱导介电泳力的大小，从而实现对液体中特定大小物体的操控，如移动酵母菌、将酵母菌从其他菌体中分离出来等。

基于光诱导介电泳技术的酵母菌菌种筛选的具体实现过程如下：1)按图1所示的系统结构原理图调节光路系统和组装三明治结构的ITO玻璃操作模块；2)在ITO玻璃操作模块的中间层中滴加液体样品；3)添加外加电场，根据要筛选的对象选择合适的交流电的电压大小和频率；4)设置光模式，如：环形、条状，选择合适的光颜色和强度等；5)通过移动三明治结构的ITO玻璃操作模块实现对酵母菌细胞的移动和分离。

本发明实施的核心在于三明治结构的ITO玻璃模块的设计和制作。在本实施例中，针对该模块的优选的制作过程如图2所示，其主要包括以下4步：1)用纯酒精反复清洗规格为25mm×25mm×1mm的玻璃基底，并用氮气吹干；2)利用磁控溅射的方法在该玻璃基片表面沉积一层180nm±10nm的ITO层，如图2(a)所示；3)利用反应离子刻蚀方法，在沉积和ITO层的玻璃的边缘刻蚀掉部分氢化非晶硅区域，形成一片面积为5mm×5mm裸露的ITO区域，如图2(c)所示；4)利用双面胶，将ITO玻璃基片与带有光导层的氢化非晶硅的ITO玻璃基片连接在一起，形成三明治结构的ITO玻璃模块。

针对不同用途的实施例，需要对三明治中间层双面胶结构的进行相应的设计。如图3显示了2种三明治结构的实施例。图3(a)是一多条单通道的三明治结构优先方案，在该方案中，双面胶以相同间距沿着单个方向粘贴两个ITO玻璃。待分离的样品用移液枪从一头注入，在整个狭长的通道内实现菌种的筛选，筛选出的菌种从通道的另一头输出。该方案的实施例适用于已经经过初次分离的样品。图3(b)是多通道的交叉通道的三明治结构优选方案。在该方案中，有四个通道相互交叉与ITO玻璃的中间矩形槽中。作为优选方案，中间矩形槽的宽度大于通道宽度。待分离的样品从一个通道注入，其他三个通道分别作为筛选出的菌种、其他菌种和杂质等的输出。该方案的实施例适用于从自然界提取的样品的初次筛选。

要实现对酵母菌细胞的精准分离，需要实现不断的改变作用于液体中酵母菌细胞或其它颗粒物的光诱导介电泳力的大小。而如前所述，光诱导介电泳力受外加电场和入射光影响。本实施例中，用comsol软件对该电场力受到不同外界因素影响下的光诱导介电泳力的大小进行仿真试验。假设在液体层中的颗粒大小为10μm，外加电场大小为20V，入射光波长为紫色可见光(约400nm)，外加电场的波长设置为1k～100k，获得的最大介电泳力如图4所示。从图4可知，在外加电场频率为30kHz获得最大的光诱导介电泳力。图5为相同颗粒在不同波长的光刺激下产生的最大介电泳力。假设在液体层中的颗粒大小为10μm，外加电场大小为20V、频率为30kHz，入射光波长为设置为380nm-700nm。从图5可知，随着入射光波长的增加，颗粒所受的电场力随之减小。作为优选方案，针对不同的筛选对象，需要设置合适的外加电场和选择相应的入射光。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种基于光诱导介电泳技术的酵母菌细胞高效筛选系统，其特征在于，包括：

ITO玻璃操作模块，所述ITO玻璃操作模块包括第一ITO玻璃和第二ITO玻璃；所述第一ITO玻璃包括第一玻璃基底和设在所述第一玻璃基底上的第一ITO层；所述第二ITO玻璃包括第二玻璃基底、设在所述第二玻璃基底上的第二ITO层和设在所述第二ITO层上的氢化非晶硅层；所述氢化非晶硅层与所述第一ITO层之间形成中间液体层，所述中间液体层具有至少一个入口和至少一个出口；在所述第一ITO层和所述第二ITO层之间施加AC电场；

光刺激模块，所述光刺激模块用于在所述氢化非晶硅层上形成可以改变的光图形；

观测模块，所述观测模块用于观察所述中间液体层中的操作过程；

移动模块，所述移动模块用于驱动所述ITO玻璃操作模块在水平面上做二维运动。

2.如权利要求1所述的基于光诱导介电泳技术的酵母菌细胞高效筛选系统，其特征在于，所述中间液体层包括用于粘合第一I TO层和所述氢化非晶硅层的双面胶；所述双面胶形成一个或者多个互相平行的通道；所述通道的一端用于注入待分离的样品，另一端用于分离筛选出的菌种。

3.如权利要求1所述的基于光诱导介电泳技术的酵母菌细胞高效筛选系统，其特征在于，所述中间液体层包括用于粘合第一I TO层和所述氢化非晶硅层的双面胶；所述双面胶形成四个连通的第一通道、第二通道、第三通道和第四通道；所述第一通道的一端用于注入待分离的样品，所述第二通道用于分离筛选出的菌种，所述第三通道用于分离不同于第二通道筛选出的菌种，所述第四通道用于分离杂质。

4.如权利要求1所述的基于光诱导介电泳技术的酵母菌细胞高效筛选系统，其特征在于，所述光刺激模块包括投影仪、反射镜、物镜和电脑；在电脑上绘制的特定图形经过投影仪、反射镜、物镜汇聚到所述氢化非晶硅层。

5.如权利要求1所述的基于光诱导介电泳技术的酵母菌细胞高效筛选系统，其特征在于，所述观测模块是位于所述I TO玻璃操作模块上方的CCD。

6.如权利要求1所述的基于光诱导介电泳技术的酵母菌细胞高效筛选系统，其特征在于，所述移动模块是固定在工作台面上的二维移动平台。

7.如权利要求1所述的基于光诱导介电泳技术的酵母菌细胞高效筛选系统，其特征在于，在所述第一I TO层和所述第二I TO层之间通过示波器施加AC电场。

8.一种I TO玻璃操作模块，其特征在于，包括第一I TO玻璃和第二I TO玻璃；所述第一I TO玻璃包括第一玻璃基底和设在所述第一玻璃基底上的第一I TO层；所述第二I TO玻璃包括第二玻璃基底、设在所述第二玻璃基底上的第二I TO层和设在所述第二I TO层上的氢化非晶硅层；所述氢化非晶硅层与所述第一I TO层之间形成中间液体层，所述中间液体层具有至少一个入口和至少一个出口。

9.如权利要求8所述的I TO玻璃操作模块，其特征在于，所述中间液体层包括用于粘合第一I TO层和所述氢化非晶硅层的双面胶；所述双面胶形成一个或者多个互相平行的通道；所述通道的一端用于注入待分离的样品，另一端用于分离筛选出的菌种。

10.如权利要求8所述的I TO玻璃操作模块，其特征在于，所述中间液体层包括用于粘合第一I TO层和所述氢化非晶硅层的双面胶；所述双面胶形成四个连通的第一通道、第二通道、第三通道和第四通道；所述第一通道用于注入待分离的样品，所述第二通道用于分离筛选出的菌种，所述第二通道用于分离不同于第二通道筛选出的菌种，所述第四通道用于分离杂质。