一種水體環(huán)境DNA智能采集裝置的系統(tǒng)設(shè)計

付召軍

摘要：本文主要設(shè)計了一種環(huán)境DNA檢測技術(shù)領(lǐng)域的水體環(huán)境DNA智能采集功能的裝置結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)包括：供電單元、控制單元、樣品采集單元、殘液排空及管路堵塞泄壓保護(hù)單元。其特點為集智能控制、結(jié)構(gòu)緊湊、易于制造，既能進(jìn)行水體生物樣品的采集，又能進(jìn)行水樣采集。經(jīng)實驗論證，該裝置能有效提高生物樣品采樣過程效率、濾水量計算準(zhǔn)確，且保證了樣品的時效性，使得檢測水樣的環(huán)境更接近自然環(huán)境，完全達(dá)到設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：環(huán)境DNA;水體環(huán)境DNA;水樣;采集裝置

一、緒論

基于環(huán)境DNA和分子生物學(xué)技術(shù)（eDNA宏條形碼技術(shù)）的物種多樣性研究方法開始應(yīng)用到水生態(tài)健康評價中。DNA宏條形碼技術(shù)需要快速獲取受納水體中的總環(huán)境DNA，因此，要獲得正確的、可靠的分析結(jié)果，所采樣品的代表性、準(zhǔn)確性以及完整性成為了水環(huán)境DNA監(jiān)測的首要問題，分析測定最終結(jié)果的總誤差常常是來自采樣過程，正確選擇采樣方法和裝置，對于提高分析監(jiān)測質(zhì)量是極其重要的。

針對現(xiàn)有水體環(huán)境生物樣品采樣存在的問題，本系統(tǒng)設(shè)計一種水體環(huán)境DNA智能采集裝置，該裝置可作便攜式定量富集和取樣使用，也可配合無人船或者無人機(jī)等載體設(shè)備使用，能夠極大的降低人工強(qiáng)度，提高樣品準(zhǔn)確性與代表性。

二、系統(tǒng)設(shè)計

（一）系統(tǒng)特點

（1）系統(tǒng)集供電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、采集單元于一體;

（2）控制系統(tǒng)：利用手控板或者遙控器對主控板進(jìn)行裝置運(yùn)行時的采樣參數(shù)預(yù)設(shè)，單片機(jī)集成控制系統(tǒng)實現(xiàn)智能控制各部件的動作及運(yùn)行狀態(tài)顯示;

（3）樣品采集：將采集裝置放置到采集地點后，啟動系統(tǒng)，主控板根據(jù)指令參數(shù)，發(fā)出指令，控制采樣單元工作，電磁閥Ⅱ與隔膜泵開啟，在隔膜泵的驅(qū)動下，水樣進(jìn)入收集器，進(jìn)行樣品采樣;此時水排空單元與泄壓單元處于非工作狀態(tài);水樣中的水體生物樣品富集到富集收集器內(nèi);多余水體流經(jīng)流量計，通過單向閥排出裝置，流量計實時累計讀取裝置內(nèi)部過水量，并將信號輸送至主控板。當(dāng)過水量與預(yù)設(shè)流量參數(shù)一致時，采集單元工作結(jié)束;主控板控制水排空單元工作，對富集樣品的水排空，水排空完成后，水體生物樣品采集完成;

（4）水排空：采集單元工作結(jié)束后，主控板控制水排空單元工作。電磁閥Ⅰ與隔膜負(fù)壓泵開啟，用以排空富集收集器內(nèi)的殘余液體;水排空完成后，一個工作過程結(jié)束，通過更換收集器即可進(jìn)行下一次取樣;

（5）泄壓：若在樣品采集過程中發(fā)生堵塞現(xiàn)象，則會造成管路壓力過大，此時，如管路壓力大于泄壓閥的臨界壓力值，泄壓閥將自動打開，形成液體流通管路，調(diào)節(jié)管路壓力，有效的保護(hù)裝置。

裝置基于上述系統(tǒng)設(shè)計，考慮到使用環(huán)境及控制方式等需要：供電系統(tǒng)采用可充電鋰電池（24V;20AH）、控制系統(tǒng)采用單片機(jī)程序控制、供水動力采用大流量高壓力隔膜泵（20L/M;12MP）、排空動力采用高負(fù)壓隔膜負(fù)壓泵（0.098MP）、液體計量方式采用高精度流量計、收集器適用過濾孔徑為0.2～200微米濾膜。

（二）收集器結(jié)構(gòu)設(shè)計

收集器整體為耐壓密閉腔體結(jié)構(gòu)，其進(jìn)出水口與系統(tǒng)管路能快速插接，且實現(xiàn)快速更換濾膜要求。收集器可以為富集收集器，用于水樣生物樣品富集。主要收集浮游生物、水樣中的懸浮顆粒物等。富集收集器包括上座體、中座體以及下座體;進(jìn)水口位于上座體頂端，上座體的下部為腔體，腔體外側(cè)壁設(shè)有凸臺;中座體分為上腔體與下腔體，上腔體內(nèi)壁設(shè)有凹槽，下腔體外側(cè)壁設(shè)有凸臺，上下腔體中間設(shè)有過水孔;下座體底部設(shè)有出水口，腔體內(nèi)側(cè)壁設(shè)有凸臺;上座體通過其腔體外側(cè)壁凸臺與中座體上腔體內(nèi)壁凹槽卡合連接形成上腔室，中座體通過其下腔體外側(cè)壁凸臺與下座體腔體內(nèi)壁的凹槽卡合連接形成下腔室;中座體與上座體之間、中座體與下座體之間，均安裝有密封圈以及過濾膜;中座體數(shù)量可以按需求增減，設(shè)置為一個及以上，相鄰中座體之間卡合連接，且中間安裝有密封圈以及不同孔徑的過濾膜，且過濾膜在進(jìn)水口到出水口的排布方向上，孔徑從大到小依次遞減。

其工藝原理為水體流經(jīng)富集收集器后，水體中的生物樣品富集在過濾膜上，富集完成后，打開收集器，用無菌鑷子夾出過濾膜，裝入事先準(zhǔn)備好的無菌離心管中（離心管體積210毫升均可）存儲（可選擇冷凍儲存和室溫儲存）。值得說明的是，收集器也可以選用收集瓶，進(jìn)行水樣收集，用于核酸的提取，包括DNA、及環(huán)境污染物的分析。

（三）控制系統(tǒng)設(shè)計

主控板讀取設(shè)定參數(shù)轉(zhuǎn)換成信號，實時控制管路各部件的動作及運(yùn)行狀態(tài)，同時將讀取到的參數(shù)與設(shè)定值比較計算，反向通過顯示裝置顯示出來，是智能控制的核心處理單元;供電系統(tǒng)給予提供電能，手控板和遙控器用以對主控板進(jìn)行參數(shù)預(yù)設(shè)和泵狀態(tài)切換，無線控制板用于主控板與遙控器之間的信號傳遞作用，顯示屏上顯示設(shè)備的實時運(yùn)行參數(shù)。

三、結(jié)論

水體環(huán)境DNA智能采集裝置系統(tǒng)設(shè)計，集智能控制、樣品采集、殘夜排空以及管路堵塞泄壓保護(hù)功能于一體，具有：

（1）通過單片機(jī)智能程序控制，能夠根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)自動運(yùn)行，實現(xiàn)精確采樣，精準(zhǔn)定位采樣自動化程度高，避免人員依靠機(jī)動船前往采樣區(qū)域，采樣效率快，且節(jié)省人力、物力成本;

（2）樣品采集過程中，流量計置于收集器之后，能夠?qū)崟r累計讀取過水量，達(dá)到預(yù)設(shè)水量參數(shù)后，自動停止采樣，實現(xiàn)對取樣水量的精確控制，克服濾水量誤差較大的問題，真正的實現(xiàn)了水環(huán)境DNA的精確定量富集和采樣功能樣，提高了浮游生物密度的計算精度，使所取樣品更加貼近實際情況，有利于提高樣品的準(zhǔn)確性以及代表性;

（3）樣品采集完成后，通過水排空單元能夠最大限度地排空富集收集器內(nèi)的殘余液體，避免從采集到分析測定這段時間內(nèi)，由于環(huán)境條件的改變，生物在水體中的新陳代謝活動、化學(xué)作用以及物理作用的影響，所引起的環(huán)境DNA的變化甚至是降解，進(jìn)而影響物種的檢測率，最大限度的保證了樣品的時效性，使得檢測水樣的環(huán)境更接近自然環(huán)境;

（4）水體環(huán)境DNA智能采集裝置，配有無線遙控設(shè)備，可用于固定或者遠(yuǎn)距離遙控取樣，自動化程度高，采樣效率高，可靠性好。

參考文獻(xiàn)：

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