基于等浓度调节与批量体积比混合的细菌样品混合一体化装置及方法

本发明属于生物样本自动化配置，具体涉及基于等浓度调节与批量体积比混合的细菌样品混合一体化装置及方法。

背景技术：

1、水体细菌污染是影响饮用水安全的重要风险因素，混合细菌污染引发的协同致病效应使得细菌识别尤为迫切。多波长透射光谱技术结合机器学习算法已被证明能够对水体混合细菌进行快速识别，其前提在于建立涵盖不同混合比例的标准光谱数据库，而建库需要制备大量已知种类和混合比例的细菌标准样本，该制备过程包含等浓度调节和不同体积比混合两个核心步骤。

2、目前，上述步骤普遍采用手工操作：操作人员使用分光光度计逐一测量各菌液od值，手工计算并添加稀释液，反复测量调整直至达标；随后针对每一预设体积比，手工吸取对应体积的菌液进行混合，每完成一个比例还需手工清洗容器。该手工制备方式效率低下，完成一组混合样本配制耗时1至2小时，难以满足大规模建库需求；人工测量、计算和移液环节易引入误差，体积精度有限，样本一致性和可重复性差；一次仅能处理一个比例，无法批量连续制备；手工清洗不彻底，存在交叉污染风险。此外，现有自动配样装置通常仅针对单一浓度调节或固定比例混合，缺乏能够同时实现多菌种等浓度自动调节和可编程体积比序列自动混合的一体化装置。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于提供基于等浓度调节与批量体积比混合的细菌样品混合一体化装置及方法，以解决现有混合细菌标准样本配制过程中，各菌液等浓度调节依赖于人工逐步稀释，以及不同体积比混合时管路残留对微量比例样本造成干扰的技术问题。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

3、第一方面、本发明提出了基于等浓度调节与批量体积比混合的细菌样品混合一体化装置，包括：

4、储液单元，用于存放多种原始菌液及稀释液；

5、检测单元，用于在线实时测量菌液的光密度值；

6、控制单元，用于接收所述检测单元反馈的光密度值，根据所述光密度值与目标等浓度值的比较结果，控制稀释液注入量，以执行等浓度调节，直至各菌液浓度均达到目标等浓度；

7、切换阀组，具有多个入口和可切换的出口，受控于所述控制单元按预设的体积比序列依次选通各等浓度菌液；

8、定量吸取单元，用于在所述切换阀组选通对应菌液后，从相应菌液瓶中定量吸取设定体积的菌液，并注入混合腔，以实现不同体积比混合；

9、所述控制单元还用于在进入体积比混合之前，调整所述体积比序列中各比例的执行优先级，控制所述切换阀组和所述定量吸取单元按照调整后的优先级执行各体积比的吸取与混合操作，直至完成全部预设体积比。

10、进一步的，所述控制单元调整所述执行优先级的具体方式为：获取所述体积比序列中各个比例对应的各菌液吸取量，按照各比例中的最小吸取量从大到小的顺序对所述体积比序列重新排序，以排序后的顺序作为所述执行优先级；对于两种细菌混合，各比例中的最小吸取量为该比例中两种菌液吸取量的较小值；对于三种细菌混合，各比例中的最小吸取量为该比例中三种菌液吸取量的最小值。

11、进一步的，所述控制单元还用于在所述等浓度调节之前，读取所述体积比序列中各比例对应的各菌液吸取量，分别计算各菌液的总体积需求量，所述体积比序列中包含n个体积比，对于两种细菌混合，菌液a的总体积需求量按下式计算：

12、；

13、菌液b的总体积需求量按下式计算：

14、；

15、其中，为第i个体积比中菌液a的吸取量，为第i个体积比中菌液b的吸取量；

16、根据各菌液瓶内当前菌液体积及实测光密度值，按下式计算达到目标等浓度后的预计可获得体积：

17、；

18、其中，为菌液瓶内当前菌液体积，为实测光密度值，为目标等浓度值；

19、若所述预计可获得体积小于所述总体积需求量与预设安全余量系数的乘积，则提示菌液总量不足并暂停等浓度调节流程，直至重新校验通过。

20、进一步的，所述控制单元执行等浓度调节时，获取所述检测单元测得的菌液实测光密度值并进行区间判断：

21、获取所述检测单元测得的菌液实测光密度值，根据所述实测光密度值低于第二阈值、介于第二阈值与第一阈值之间或高于第一阈值而分别执行浓缩处理、稀释调节或稀释流程，所述第一阈值大于所述第二阈值；

22、所述稀释流程包括：所述控制单元按下式计算需加入的稀释液体积并注入菌液瓶中：

23、；

24、其中为需加入的稀释液体积，为菌液瓶内当前菌液体积；

25、将菌液泵入循环流路并经所述切换阀组回流至菌液瓶，循环混匀后重新测量光密度值；重复上述步骤直至实测光密度值与目标等浓度值的偏差不大于预设偏差阈值；

26、所述实测光密度值高于所述第一阈值时，先注入稀释液总量的预设比例，循环混匀后重新测量光密度值，根据实测偏差再补加剩余量的稀释液或终止稀释。

27、进一步的，还包括浓缩单元，用于当所述实测光密度值小于所述第二阈值时，将菌液导入微型离心机进行离心浓缩，排出上清液，注入稀释液重悬沉淀后返回所述储液单元；所述控制单元根据离心前菌液体积和实测光密度值计算重悬用稀释液注入量，使重悬后菌液的光密度值回升至所述第二阈值与所述第一阈值之间。

28、进一步的，所述切换阀组包括多通道切换阀和四通阀，所述多通道切换阀具有多个入口和一个公共出口，所述公共出口可选择性地连通至所述检测单元或所述定量吸取单元；所述四通阀的入口连接所述检测单元的出口，所述四通阀的第一出口连通至各菌液瓶的回流口，第二出口连通至废液瓶，第三出口连通至浓缩单元。

29、第二方面、本发明提出了一种细菌样品混合方法，基于上述的一体化装置实施，包括以下步骤：

30、s1：通过控制单元设定目标等浓度值及包含多个不同体积比的体积比序列；

31、s2：通过检测单元在线实时测量各菌液的光密度值并反馈至所述控制单元，所述控制单元根据实测光密度值与目标等浓度值的比较结果，控制稀释液注入量，直至各菌液浓度均达到目标等浓度；

32、s3：在进入体积比混合之前，获取所述体积比序列中各个比例对应的各菌液吸取量，按照各比例中的最小吸取量从大到小的顺序对所述体积比序列重新排序；

33、s4：按照排序后的顺序，针对每一体积比依次定量吸取对应体积的各等浓度菌液并汇入混合腔进行混合，循环执行直至完成全部预设体积比。

34、进一步的，在步骤s2等浓度调节步骤之前，还包括体积预算预判步骤：

35、读取所述体积比序列中各比例对应的各菌液吸取量，分别计算各菌液的总体积需求量，并根据各菌液瓶内当前菌液体积及实测光密度值确定达到目标等浓度后的预计可获得体积，若所述预计可获得体积小于所述总体积需求量与预设安全余量系数的乘积，则提示菌液总量不足并暂停等浓度调节流程，直至重新校验通过。

36、进一步的，步骤s4体积比混合步骤中，针对每一体积比执行以下子步骤：

37、s4.1：选通第一种菌液通道，定量吸取设定体积的第一种菌液并注入混合腔；

38、s4.2：选通第二种菌液通道，定量吸取设定体积的第二种菌液并注入同一混合腔；

39、s4.3：若为三种细菌混合，则继续选通第三种菌液通道，定量吸取设定体积的第三种菌液并注入同一混合腔；

40、s4.4：启动搅拌器进行搅拌混合；

41、s4.5：将混合菌液输出；

42、s4.6：对混合腔进行清洗；

43、s4.7：加载下一个体积比，返回s4.1，直至完成全部预设体积比。

44、本发明的有益效果在于：

45、1、本发明通过在线检测与控制单元构成的特定调节方式，无需人工测量od值与计算加水量，使不同初始浓度的各菌液均能精准达到同一目标等浓度值；针对浓度过高或过低的情形，分别采用分段稀释策略和离心浓缩处理，有效克服了非线性区加水过量及低于检测下限无法准确调节的问题，显著拓宽了装置的浓度适应范围；同时，控制单元在体积比混合前调整各比例的优先级，使各等浓度菌液按调整后的顺序依次混合，避免了因管路残留导致后续微量吸取比例样本的配制偏差，保证了各体积比样本的配制精度，且每次混合完成后自动清洗，消除了前后样本之间的交叉污染。

46、2、本发明通过上述方案，使多菌种、多体积比混合样本的制备在同一装置中连续完成，体积比序列可自由编程，支持两种或三种细菌混合，且通过增加储液单元可扩展至更多菌种，适用于基于透射光谱技术构建混合细菌标准光谱数据库时的批量样本制备需求。