付召軍

摘要：本文主要設計了一種環(huán)境DNA檢測技術領域的水體環(huán)境DNA智能采集功能的裝置結構。結構包括：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單元。其特點為集智能控制、結構緊湊、易于制造，既能進行水體生物樣品的采集，又能進行水樣采集。經實驗論證，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，完全達到設計要求。

關鍵詞：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和分子生物學技術（eDNA宏條形碼技術）的物種多樣性研究方法開始應用到水生態(tài)健康評價中。DNA宏條形碼技術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、可靠的分析結果，所采樣品的代表性、準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)測質量是極其重要的。

針對現有水體環(huán)境生物樣品采樣存在的問題，本系統(tǒng)設計一種水體環(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等載體設備使用，能夠極大的降低人工強度，提高樣品準確性與代表性。

二、系統(tǒng)設計

（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行裝置運行時的采樣參數預設，單片機集成控制系統(tǒng)實現智能控制各部件的動作及運行狀態(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)，主控板根據指令參數，發(fā)出指令，控制采樣單元工作，電磁閥Ⅱ與隔膜泵開啟，在隔膜泵的驅動下，水樣進入收集器，進行樣品采樣;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;多余水體流經流量計，通過單向閥排出裝置，流量計實時累計讀取裝置內部過水量，并將信號輸送至主控板。當過水量與預設流量參數一致時，采集單元工作結束;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：采集單元工作結束后，主控板控制水排空單元工作。電磁閥Ⅰ與隔膜負壓泵開啟，用以排空富集收集器內的殘余液體;水排空完成后，一個工作過程結束，通過更換收集器即可進行下一次取樣;

（5）泄壓：若在樣品采集過程中發(fā)生堵塞現象，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，調節(jié)管路壓力，有效的保護裝置。

裝置基于上述系統(tǒng)設計，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）、排空動力采用高負壓隔膜負壓泵（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）收集器結構設計

收集器整體為耐壓密閉腔體結構，其進出水口與系統(tǒng)管路能快速插接，且實現快速更換濾膜要求。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;進水口位于上座體頂端，上座體的下部為腔體，腔體外側壁設有凸臺;中座體分為上腔體與下腔體，上腔體內壁設有凹槽，下腔體外側壁設有凸臺，上下腔體中間設有過水孔;下座體底部設有出水口，腔體內側壁設有凸臺;上座體通過其腔體外側壁凸臺與中座體上腔體內壁凹槽卡合連接形成上腔室，中座體通過其下腔體外側壁凸臺與下座體腔體內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;中座體數量可以按需求增減，設置為一個及以上，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)設計

主控板讀取設定參數轉換成信號，實時控制管路各部件的動作及運行狀態(tài)，同時將讀取到的參數與設定值比較計算，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行參數預設和泵狀態(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，顯示屏上顯示設備的實時運行參數。

三、結論

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

（1）通過單片機智能程序控制，能夠根據預設參數自動運行，實現精確采樣，精準定位采樣自動化程度高，避免人員依靠機動船前往采樣區(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，能夠實時累計讀取過水量，達到預設水量參數后，自動停止采樣，實現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的殘余液體，避免從采集到分析測定這段時間內，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，配有無線遙控設備，可用于固定或者遠距離遙控取樣，自動化程度高，采樣效率高，可靠性好。

參考文獻：

[1][美]JJ.杰克主編.機械與機構的設計原理.北京：機械工業(yè)出版社，1985（第一版）.

[2]機械設計手冊/上冊.《機械設計手冊》聯合編寫組編.化學工業(yè)出版社，1979.

[3]裴仁清.機電一體化原理.上海大學出版社，1998.