一种水体环境DNA智能采集装置的系统设计

付召军

摘要：本文主要设计了一种环境DNA检测技术领域的水体环境DNA智能采集功能的装置结构。结构包括：供电单元、控制单元、样品采集单元、残液排空及管路堵塞泄压保护单元。其特点为集智能控制、结构紧凑、易于制造，既能进行水体生物样品的采集，又能进行水样采集。经实验论证，该装置能有效提高生物样品采样过程效率、滤水量计算准确，且保证了样品的时效性，使得检测水样的环境更接近自然环境，完全达到设计要求。

关键词：环境DNA;水体环境DNA;水样;采集装置

一、绪论

基于环境DNA和分子生物学技术（eDNA宏条形码技术）的物种多样性研究方法开始应用到水生态健康评价中。DNA宏条形码技术需要快速获取受纳水体中的总环境DNA，因此，要获得正确的、可靠的分析结果，所采样品的代表性、准确性以及完整性成为了水环境DNA监测的首要问题，分析测定最终结果的总误差常常是来自采样过程，正确选择采样方法和装置，对于提高分析监测质量是极其重要的。

针对现有水体环境生物样品采样存在的问题，本系统设计一种水体环境DNA智能采集装置，该装置可作便携式定量富集和取样使用，也可配合无人船或者无人机等载体设备使用，能够极大的降低人工强度，提高样品准确性与代表性。

二、系统设计

（一）系统特点

（1）系统集供电系统、控制系统、采集单元于一体;

（2）控制系统：利用手控板或者遥控器对主控板进行装置运行时的采样参数预设，单片机集成控制系统实现智能控制各部件的动作及运行状态显示;

（3）样品采集：将采集装置放置到采集地点后，启动系统，主控板根据指令参数，发出指令，控制采样单元工作，电磁阀Ⅱ与隔膜泵开启，在隔膜泵的驱动下，水样进入收集器，进行样品采样;此时水排空单元与泄压单元处于非工作状态;水样中的水体生物样品富集到富集收集器内;多余水体流经流量计，通过单向阀排出装置，流量计实时累计读取装置内部过水量，并将信号输送至主控板。当过水量与预设流量参数一致时，采集单元工作结束;主控板控制水排空单元工作，对富集样品的水排空，水排空完成后，水体生物样品采集完成;

（4）水排空：采集单元工作结束后，主控板控制水排空单元工作。电磁阀Ⅰ与隔膜负压泵开启，用以排空富集收集器内的残余液体;水排空完成后，一个工作过程结束，通过更换收集器即可进行下一次取样;

（5）泄压：若在样品采集过程中发生堵塞现象，则会造成管路压力过大，此时，如管路压力大于泄压阀的临界压力值，泄压阀将自动打开，形成液体流通管路，调节管路压力，有效的保护装置。

装置基于上述系统设计，考虑到使用环境及控制方式等需要：供电系统采用可充电锂电池（24V;20AH）、控制系统采用单片机程序控制、供水动力采用大流量高压力隔膜泵（20L/M;12MP）、排空动力采用高负压隔膜负压泵（0.098MP）、液体计量方式采用高精度流量计、收集器适用过滤孔径为0.2～200微米滤膜。

（二）收集器结构设计

收集器整体为耐压密闭腔体结构，其进出水口与系统管路能快速插接，且实现快速更换滤膜要求。收集器可以为富集收集器，用于水样生物样品富集。主要收集浮游生物、水样中的悬浮颗粒物等。富集收集器包括上座体、中座体以及下座体;进水口位于上座体顶端，上座体的下部为腔体，腔体外侧壁设有凸台;中座体分为上腔体与下腔体，上腔体内壁设有凹槽，下腔体外侧壁设有凸台，上下腔体中间设有过水孔;下座体底部设有出水口，腔体内侧壁设有凸台;上座体通过其腔体外侧壁凸台与中座体上腔体内壁凹槽卡合连接形成上腔室，中座体通过其下腔体外侧壁凸台与下座体腔体内壁的凹槽卡合连接形成下腔室;中座体与上座体之间、中座体与下座体之间，均安装有密封圈以及过滤膜;中座体数量可以按需求增减，设置为一个及以上，相邻中座体之间卡合连接，且中间安装有密封圈以及不同孔径的过滤膜，且过滤膜在进水口到出水口的排布方向上，孔径从大到小依次递减。

其工艺原理为水体流经富集收集器后，水体中的生物样品富集在过滤膜上，富集完成后，打开收集器，用无菌镊子夹出过滤膜，装入事先准备好的无菌离心管中（离心管体积210毫升均可）存储（可选择冷冻储存和室温储存）。值得说明的是，收集器也可以选用收集瓶，进行水样收集，用于核酸的提取，包括DNA、及环境污染物的分析。

（三）控制系统设计

主控板读取设定参数转换成信号，实时控制管路各部件的动作及运行状态，同时将读取到的参数与设定值比较计算，反向通过显示装置显示出来，是智能控制的核心处理单元;供电系统给予提供电能，手控板和遥控器用以对主控板进行参数预设和泵状态切换，无线控制板用于主控板与遥控器之间的信号传递作用，显示屏上显示设备的实时运行参数。

三、结论

水体环境DNA智能采集装置系统设计，集智能控制、样品采集、残夜排空以及管路堵塞泄压保护功能于一体，具有：

（1）通过单片机智能程序控制，能够根据预设参数自动运行，实现精确采样，精准定位采样自动化程度高，避免人员依靠机动船前往采样区域，采样效率快，且节省人力、物力成本;

（2）样品采集过程中，流量计置于收集器之后，能够实时累计读取过水量，达到预设水量参数后，自动停止采样，实现对取样水量的精确控制，克服滤水量误差较大的问题，真正的实现了水环境DNA的精确定量富集和采样功能样，提高了浮游生物密度的计算精度，使所取样品更加贴近实际情况，有利于提高样品的准确性以及代表性;

（3）样品采集完成后，通过水排空单元能够最大限度地排空富集收集器内的残余液体，避免从采集到分析测定这段时间内，由于环境条件的改变，生物在水体中的新陈代谢活动、化学作用以及物理作用的影響，所引起的环境DNA的变化甚至是降解，进而影响物种的检测率，最大限度的保证了样品的时效性，使得检测水样的环境更接近自然环境;

（4）水体环境DNA智能采集装置，配有无线遥控设备，可用于固定或者远距离遥控取样，自动化程度高，采样效率高，可靠性好。

参考文献：

[1][美]JJ.杰克主编.机械与机构的设计原理.北京：机械工业出版社，1985（第一版）.

[2]机械设计手册/上册.《机械设计手册》联合编写组编.化学工业出版社，1979.

[3]裴仁清.机电一体化原理.上海大学出版社，1998.