本發(fā)明涉及一種迅速測(cè)量油田污水和成品油中細(xì)菌含量的方法。
背景技術(shù):
由細(xì)菌等微生物的生命活動(dòng)引起的材料的腐蝕破壞被稱為微生物腐蝕(mic)。mic是一種普遍存在的現(xiàn)象。油氣田、油罐、加油站、油路甚至汽車油箱中都存在著大量的細(xì)菌。每年因腐蝕而造成的經(jīng)濟(jì)損失在一百億美元以上。其中最主要的腐蝕微生物為硫酸鹽還原菌(srb),造成了美國生產(chǎn)油井77%以上的腐蝕損失。srb能夠在無氧環(huán)境下,以環(huán)境中的有機(jī)物為碳源,利用細(xì)菌生物膜內(nèi)產(chǎn)生的氫,將硫酸鹽還原為硫化氫,從氧化還原反應(yīng)中獲得能量,而金屬也在此過程中被氧化腐蝕。目前srb的檢測(cè)方法主要有三種,分別為:培養(yǎng)檢測(cè)技術(shù)、顯微鏡檢測(cè)技術(shù)和生化直接檢測(cè)技術(shù)。培養(yǎng)檢測(cè)技術(shù)是目前應(yīng)用較為廣泛的一種方法,其原理是將樣品做梯度稀釋,在適當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)基上進(jìn)行培養(yǎng),最終根據(jù)稀釋倍數(shù)和細(xì)菌的陽性反應(yīng)進(jìn)行定量。該法的主要依據(jù)是美國石油協(xié)會(huì)api推薦的絕跡稀釋法,我國石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)sy/t0532-2012《油田注入水細(xì)菌分析方法絕跡稀釋法》中也有詳細(xì)規(guī)定。相關(guān)專利已有報(bào)道(如cn102329851a、cn103983636a、cn1769472a、cn200510010459等),目前市場(chǎng)上也存在srb專用測(cè)試瓶可供購買。培養(yǎng)檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)單、成本低廉,結(jié)果準(zhǔn)確性較高。其主要缺點(diǎn)在于耗時(shí)長(2-14天),培養(yǎng)菌種不完全導(dǎo)致定量結(jié)果偏低。一旦陰性對(duì)照組出現(xiàn)菌類生長,需要重做實(shí)驗(yàn),很難保證重新采樣結(jié)果與原樣本一致。
顯微鏡檢測(cè)技術(shù)結(jié)合了特異性染色方法與熒光計(jì)數(shù)方法,將熒光基團(tuán)選擇性地標(biāo)記到srb的表面,然后在熒光顯微鏡下計(jì)數(shù)以定量。但此種方法仍然需要短期培養(yǎng)以提高菌類濃度,培養(yǎng)周期在兩天左右。雖然其操作相對(duì)簡(jiǎn)單、定量成本低,但需要染料分子的高特異性,且不能提供細(xì)菌活性的相關(guān)信息。
生化直接檢測(cè)技術(shù)包含了多種具體方式【關(guān)淑霞葉海春范瑩瑩油田污水中硫酸鹽還原菌檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展化學(xué)與生物工程20122917】,可以檢測(cè)srb內(nèi)部或表面的某種蛋白(如用酶聯(lián)免疫吸附劑測(cè)定elisa方法測(cè)定腺苷-5’-磷酸硫酸鹽還原酶aps【如 gb2354072b、cn103983636a、ep272916a1】),可以檢測(cè)srb特異性的核酸分子序列(如聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)pcr方法【cn105112543a、cn1769472a、cn200510010459】、熒光原位雜交fish方法【王明義梁小兵鄭婭萍趙由之魏中青硫酸鹽還原菌鑒定和檢測(cè)方法的研究進(jìn)展微生物學(xué)雜志20052581】),也可以檢測(cè)srb的代謝產(chǎn)物(如電位法或指示劑法測(cè)定h2s)【李婉義趙自光硫酸鹽還原菌菌量檢測(cè)方法的研究—硫離子選擇電極法化學(xué)傳感器19911164】。這些檢測(cè)方法準(zhǔn)確性高、特異性高、檢測(cè)周期短(幾小時(shí)左右),但操作復(fù)雜,一般只能在專門的生化實(shí)驗(yàn)室內(nèi)由受過訓(xùn)練的專業(yè)人員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中的aps檢測(cè)法相對(duì)簡(jiǎn)單,國外已有商品化的試劑盒出售,可以實(shí)現(xiàn)快速現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,但該方法的缺點(diǎn)有:1)同時(shí)檢出所有具有aps的細(xì)菌種類,結(jié)果可能偏高;2)結(jié)果以顏色變化為指標(biāo)定量不準(zhǔn)確;3)細(xì)菌裂解可能不徹底造成檢出結(jié)果偏低。
綜上所述,目前缺乏一種快速、便捷、準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定方法和裝備。本專利描述的是一種基于核酸分子放大技術(shù)的樣品中細(xì)菌的特異性、自動(dòng)化、可攜帶式定量檢測(cè)裝置。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有技術(shù)中測(cè)量速度較慢、不便捷、結(jié)果不準(zhǔn)確的問題,提供一種新的迅速測(cè)量油田污水和成品油中細(xì)菌含量的方法。該方法具有快速、便捷、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。
為解決上述問題,本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:一種迅速測(cè)量油田污水和成品油中細(xì)菌含量的方法,在液體樣品中細(xì)菌含量測(cè)量裝置上,進(jìn)行液體樣品中細(xì)菌含量的測(cè)量;所述裝置包括箱體、細(xì)菌富集和核酸分子提取設(shè)備,所述細(xì)菌富集和核酸分子提取設(shè)備包括試劑管放置位置(1)和試劑管放置位置(4)、濾膜(2)、吸附層(3)反應(yīng)池(5)、光源(6)、濾光片(7)、感光器(8)以及至少四個(gè)閥門,所述試劑管放置位置(1)底部與濾膜(2)上方空間連通,濾膜(2)下方空間分為兩路,一路與閥門a入口端相連,另一路與閥門b入口端相連,閥門a出口端與廢液池相連,閥門b出口端通過管道與吸附層(3)入口側(cè)相連,吸附層(3)出口側(cè)的管道分為兩路,一路與閥門c入口端相連,閥門c出口端與廢液池相連,另一路經(jīng)過閥門d后與反應(yīng)池(5)相連;試劑管放置位置(4)底部與通過管道與閥門b與吸附層入口側(cè)之間的管道相連;光源(6)為反應(yīng)池(5)提供染料分子激發(fā)能量,產(chǎn)生的熒光透過濾光片(7)后由感光器(8)接收;濾膜(2)上方空間的頂部、試劑管放置位置(4)的底部均設(shè)有金屬尖刺,當(dāng)試劑管放置在試劑管放置 位置(1)或試劑管放置位置(4)上時(shí)可以刺破試劑管底部的鋁箔;油田污水和成品油中細(xì)菌含量的測(cè)量步驟包括:
(a)在試劑管中裝入樣品,放置于試劑管放置位置(1),試劑管底部鋁箔包裝被下部金屬尖刺破,液體流入濾膜上方,小于濾膜孔徑的液體穿過濾膜后進(jìn)入廢液池;
(b)當(dāng)試劑管中的樣品全部流過濾膜后,程序自動(dòng)控制試劑管更替為預(yù)置在箱體內(nèi)的盛裝乙醇溶液的試劑管,重復(fù)上述加壓流程以沖洗濾膜,然后繼續(xù)自動(dòng)控制試劑管更替為盛裝去離子水或緩沖液的試劑管進(jìn)行沖洗操作;
(c)對(duì)濾膜的沖洗完成后,在試劑管放置位置(1)上更換為盛裝細(xì)菌裂解液試劑管,將試劑管中的細(xì)菌裂解液流經(jīng)吸附層(3)后進(jìn)入廢液池;
(d)在試劑管放置位置(4)上放置盛裝洗滌液的試劑管進(jìn)行沖洗,移除細(xì)菌裂解液中的雜質(zhì);
(e)沖洗結(jié)束后,在試劑管放置位置(4)上放置盛裝緩沖液的試劑管,緩沖液流經(jīng)吸附層3時(shí)將dna洗脫下來,沖洗至反應(yīng)池(5);
(f)當(dāng)核酸放大反應(yīng)在反應(yīng)池(5)中發(fā)生時(shí),光源(6)發(fā)出的光激發(fā)反應(yīng)池(5)中的染料分子,產(chǎn)生的熒光由感光器(8)接收,染料分子的濃度與溶液中核酸分子的濃度正相關(guān),由此判斷核酸分子的初始濃度。
上述技術(shù)方案中,優(yōu)選地,當(dāng)試劑管放置在試劑管放置位置(1)上時(shí),在試劑管上部放置活塞,將試劑管中的試劑向下壓入濾膜(2)上方的空間中。
上述技術(shù)方案中,優(yōu)選地,所述細(xì)菌富集和核算分子捕捉設(shè)備集成在所述箱體內(nèi)。
上述技術(shù)方案中,優(yōu)選地,閥門a~閥門d為程序控制的電磁閥,或采用微流控的微閥技術(shù),由氣泵控制其開關(guān)。
上述技術(shù)方案中,優(yōu)選地,反應(yīng)池(5)的上方為開口或透光性材料,內(nèi)部預(yù)置反應(yīng)母液或冷凍干燥后的試劑球,核酸洗脫液流入反應(yīng)池(5)后與預(yù)置溶液或試劑球混合。
上述技術(shù)方案中,優(yōu)選地,感光器(8)出的信號(hào)被送至信號(hào)處理單元進(jìn)行分析。
上述技術(shù)方案中,優(yōu)選地,試劑管放置位置(1)或試劑管放置位置(4)置于較高位置,便于液體下流至較低位置。
上述技術(shù)方案中,優(yōu)選地,當(dāng)采用pcr方法時(shí),需要在反應(yīng)池(5)周邊設(shè)置快速加熱-冷卻模塊以實(shí)現(xiàn)變性-退火-延伸的溫度循環(huán);當(dāng)采用等溫放大方法的時(shí)候,反應(yīng)池周圍只需要設(shè)置加熱模塊即可。
上述技術(shù)方案中,優(yōu)選地,試劑管的更換通過自動(dòng)控制系統(tǒng)完成。
本發(fā)明中,細(xì)菌富集是通過樣品流經(jīng)濾膜實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)樣品加入后,樣品管底部鋁箔包裝被下部金屬尖刺破,液體流入濾膜2上方,此時(shí)在上方施加壓力,推動(dòng)液體經(jīng)過濾膜,大于濾膜孔徑的固體物質(zhì)被留在濾膜上,液體流出。此時(shí)閥門a開啟,閥門b關(guān)閉,廢液流出至廢液池。當(dāng)樣品為油田廢水等水相物質(zhì)時(shí),采用親水性濾膜,濾膜尺寸應(yīng)在0.5微米以下,以確保目標(biāo)微生物能夠保留在濾膜上。當(dāng)樣品為成品油等油相物質(zhì)時(shí),采用親油性濾膜。當(dāng)樣品全部流經(jīng)濾膜后,程序自動(dòng)控制樣品管更替為預(yù)置在箱體內(nèi)的乙醇溶液,重復(fù)上述加壓流程以沖洗濾膜。繼續(xù)更替為去離子水或合適ph的緩沖液進(jìn)行沖洗。當(dāng)沖洗結(jié)束后,加入細(xì)菌裂解液,等待一定時(shí)間后開始加壓,此時(shí)閥門a關(guān)閉,閥門b開啟,細(xì)菌裂解液進(jìn)入核酸提取單元。核酸提取單元中預(yù)置了dna吸附柱(吸附層3內(nèi)),上游流入的細(xì)菌裂解液在流經(jīng)吸附層3時(shí),其中的dna被吸附在吸附層3上,液相流入廢液池。此時(shí)閥門c開,閥門d關(guān)閉。試劑管放置位置4上的試管內(nèi)為預(yù)置的洗滌液,同樣通過壓力使其流經(jīng)吸附層3以帶走雜質(zhì)。更換試劑管放置位置4上的試管以重復(fù)洗滌流程。當(dāng)洗滌結(jié)束時(shí),更換試劑管放置位置4上的試管內(nèi)溶液為少量ph合適的緩沖液。此時(shí)閥門c關(guān)閉,閥門d開啟。緩沖液流經(jīng)吸附層3時(shí)將dna洗脫下來,沖洗至反應(yīng)池5。反應(yīng)池5中預(yù)置了核酸放大反應(yīng)需要的各個(gè)成份,可以為配制好的母液,也可以為了長期保存目的放置冷凍干燥后的試劑,由沖入的緩沖液溶解。放大及檢測(cè)單元由反應(yīng)池5、光源(鹵燈或led)6、濾光片7、感光器(ccd或pmt)8組成。當(dāng)核酸放大反應(yīng)在反應(yīng)池5中發(fā)生時(shí),光源6發(fā)出的光激發(fā)反應(yīng)池5中的染料分子,產(chǎn)生的熒光由感光器8接收。染料分子的濃度與溶液中核酸分子的濃度正相關(guān),可以由此判斷核酸分子的初始濃度。
本發(fā)明所述裝置包含了細(xì)菌富集、核酸分子提取和放大讀出三個(gè)單元,是一種整合型可攜帶式自動(dòng)化儀器,能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。細(xì)菌富集單元采用樣品流經(jīng)過濾膜的方式實(shí)現(xiàn)細(xì)菌的分離和富集,所需時(shí)間與培養(yǎng)法相比大大縮短。核酸分子提取和放大讀出均在微流控平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。提取部分采用二氧化硅吸附柱技術(shù)吸附dna分子,由程序控制以壓力推動(dòng)試劑分別流經(jīng)吸附柱,最終得到純凈的核酸分子。在放大讀出單元中,可以選擇性采用pcr方法或環(huán)介導(dǎo)等溫放大(lamp)方法。與常規(guī)pcr方法相比,lamp方法的特異性更高,對(duì)反應(yīng)介質(zhì)中雜質(zhì)的耐受性更高,反應(yīng)效率更高,檢出時(shí)間更短(可縮短至20分鐘),且不需要變性-退火-延伸的溫度循環(huán),降低了對(duì)溫控模塊的要求。所有操作由程序控制,除加樣外無需手動(dòng)操作,提高了測(cè)試的平行性和便捷性。
附圖說明
圖1為本發(fā)明所述裝置的外觀示意圖;
圖2為本發(fā)明所述裝置內(nèi)部各模塊結(jié)構(gòu)示意圖;
圖1、圖2中,1為試劑管放置位置;2為濾膜;3為吸附層;4為試劑管放置位置;5為反應(yīng)池;6為光源;7為濾光片;8為感光器;a~d為閥門。
下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述,但不僅限于本實(shí)施例。
具體實(shí)施方式
【實(shí)施例1】
一種迅速測(cè)量油田污水和成品油中細(xì)菌含量的方法,如圖1、圖2所示。在液體樣品中細(xì)菌含量測(cè)量裝置上,進(jìn)行液體樣品中細(xì)菌含量的測(cè)量;所述裝置包括箱體、細(xì)菌富集和核酸分子提取設(shè)備,所述細(xì)菌富集和核酸分子提取設(shè)備包括試劑管放置位置(1)和試劑管放置位置(4)、濾膜(2)、吸附層(3)反應(yīng)池(5)、光源(6)、濾光片(7)、感光器(8)以及至少四個(gè)閥門,所述試劑管放置位置(1)底部與濾膜(2)上方空間連通,濾膜(2)下方空間分為兩路,一路與閥門a入口端相連,另一路與閥門b入口端相連,閥門a出口端與廢液池相連,閥門b出口端通過管道與吸附層(3)入口側(cè)相連,吸附層(3)出口側(cè)的管道分為兩路,一路與閥門c入口端相連,閥門c出口端與廢液池相連,另一路經(jīng)過閥門d后與反應(yīng)池(5)相連;試劑管放置位置(4)底部與通過管道與閥門b與吸附層入口側(cè)之間的管道相連;光源(6)為反應(yīng)池(5)提供染料分子激發(fā)能量,產(chǎn)生的熒光透過濾光片(7)后由感光器(8)接收;濾膜(2)上方空間的頂部、試劑管放置位置(4)的底部均設(shè)有金屬尖刺,當(dāng)試劑管放置在試劑管放置位置(1)或試劑管放置位置(4)上時(shí)可以刺破試劑管底部的鋁箔。
本發(fā)明所述的裝置集成在0.5m*0.4m*0.4m的金屬箱體中,箱體外殼上設(shè)有控制面板以及可以掀開的操作板,用戶只需要根據(jù)需要打開面板裝入約1ml液體樣品即可。
本發(fā)明中,細(xì)菌富集是通過樣品流經(jīng)濾膜實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)樣品加入后,樣品管底部鋁箔包裝被下部金屬尖刺破,液體流入濾膜2上方,此時(shí)在上方施加壓力,推動(dòng)液體經(jīng)過濾膜,大于濾膜孔徑的固體物質(zhì)被留在濾膜上,液體流出。此時(shí)閥門a開啟,閥門b關(guān)閉,廢液流出至廢液池。當(dāng)樣品為油田廢水等水相物質(zhì)時(shí),采用親水性濾膜,濾膜尺寸應(yīng)在0.5微米以下,以確保目標(biāo)微生物能夠保留在濾膜上。當(dāng)樣品為成品油等油相物質(zhì)時(shí),采用親油性濾膜。當(dāng)樣品全部流經(jīng)濾膜后,程序自動(dòng)控制樣品管更替為預(yù)置在箱體內(nèi)的乙醇溶液,重復(fù)上述加壓流程以沖洗濾膜。繼續(xù)更替為去離子水或合適ph的緩沖液進(jìn)行沖 洗。當(dāng)沖洗結(jié)束后,加入細(xì)菌裂解液,等待一定時(shí)間后開始加壓,此時(shí)閥門a關(guān)閉,閥門b開啟,細(xì)菌裂解液進(jìn)入核酸提取單元。核酸提取單元中預(yù)置了dna吸附柱(吸附層3內(nèi)),上游流入的細(xì)菌裂解液在流經(jīng)吸附層3時(shí),其中的dna被吸附在吸附層3上,液相流入廢液池。此時(shí)閥門c開,閥門d關(guān)閉。試劑管放置位置4上的試管內(nèi)為預(yù)置的洗滌液,同樣通過壓力使其流經(jīng)吸附層3以帶走雜質(zhì)。更換試劑管放置位置4上的試管以重復(fù)洗滌流程。當(dāng)洗滌結(jié)束時(shí),更換試劑管放置位置4上的試管內(nèi)溶液為少量ph合適的緩沖液。此時(shí)閥門c關(guān)閉,閥門d開啟。緩沖液流經(jīng)吸附層3時(shí)將dna洗脫下來,沖洗至反應(yīng)池5。反應(yīng)池5中預(yù)置了核酸放大反應(yīng)需要的各個(gè)成份,可以為配制好的母液,也可以為了長期保存目的放置冷凍干燥后的試劑,由沖入的緩沖液溶解。放大及檢測(cè)單元由反應(yīng)池5、光源(鹵燈或led)6、濾光片7、感光器(ccd或pmt)8組成。當(dāng)核酸放大反應(yīng)在反應(yīng)池5中發(fā)生時(shí),光源6發(fā)出的光激發(fā)反應(yīng)池5中的染料分子,產(chǎn)生的熒光由感光器8接收。染料分子的濃度與溶液中核酸分子的濃度正相關(guān),可以由此判斷核酸分子的初始濃度。
為了使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)、技術(shù)方案更加清楚、明確,下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的步驟做詳細(xì)說明。
液體在設(shè)備中的流動(dòng)通過壓力驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn),其中試劑管放置位置1、試劑管放置位置4置于較高位置,便于液體下流至較低位置,上方橡膠活塞在向下移動(dòng)過程中產(chǎn)生推力,使液體流過濾膜和吸附柱。試劑管放置位置1和試劑管放置位置4的底部位置為鋁箔材質(zhì),在進(jìn)入指定位置時(shí)會(huì)被下方固定的金屬針尖刺破,使里面的液體流出。試劑管放置位置1位置預(yù)置溶液為乙醇沖洗液、緩沖液沖洗液以及細(xì)胞裂解液(含溶菌酶、ctab或sds);4位置預(yù)置溶液為洗滌液(兩次)和緩沖液洗脫液。
濾膜2的選用:可以根據(jù)樣品的區(qū)別選用不同性質(zhì)的濾膜,濾膜2所在部分為可拆卸式,位于裝置的前端,可以由用戶拆卸。濾膜可以選用尼龍、聚偏氟乙烯、纖維素、聚丙烯、ptfe、陶瓷等,根據(jù)樣品的親水和疏水性以及可能含有的雜質(zhì)選擇不同的濾膜。吸附層3中的核酸吸附柱采用二氧化硅材料,能夠特異性吸附dna和rna分子,通過調(diào)節(jié)溶液的ph值控制核酸分子的吸脫附。
閥門a~d可以為程序控制的電磁閥,也可以采用微流控的微閥技術(shù),由氣泵控制管路的開關(guān)。
反應(yīng)池5位置上方為開口或透光性材料,內(nèi)部預(yù)置反應(yīng)母液或冷凍干燥后的試劑球,核酸洗脫液流入反應(yīng)池5后與預(yù)置溶液或試劑球混合。此時(shí)加熱模塊開始工作,核酸放大 反應(yīng)開始。隨著反應(yīng)的進(jìn)行,溶液中染料與形成的核酸分子結(jié)合(sybrgreen檢出)或溶液中生成能夠發(fā)出熒光的染料分子(qaqman檢出)或溶液中的染料與反應(yīng)副產(chǎn)物結(jié)合發(fā)光(lampcalcein檢出),熒光由光源激發(fā),感受器檢測(cè),檢出的信號(hào)被送至信號(hào)處理單元進(jìn)行分析(此部分未展示在示意圖中)。
油田廢水中srb的定量檢測(cè)
由于樣品為水溶液,采用孔徑在0.2微米的纖維素膜。用戶需要首先更換濾膜部分,用特定樣品管收集油田廢水1ml,打開機(jī)蓋將其放入裝置中,在面板上設(shè)定相關(guān)參數(shù),啟動(dòng)檢測(cè)流程。整個(gè)流程大約持續(xù)30~120分鐘。
針對(duì)srb菌種,使用srb特異性核酸放大試劑盒,其中的pcr引物和探針設(shè)計(jì)可以參考相關(guān)文獻(xiàn)或自行設(shè)計(jì)。對(duì)于lamp反應(yīng),目前還未有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,市場(chǎng)上也還未有成品試劑盒,需要進(jìn)一步針對(duì)srb的16srdna區(qū)域進(jìn)行引物設(shè)計(jì)和開發(fā)。
檢測(cè)結(jié)束后可以獲得熒光的實(shí)時(shí)變化趨勢(shì),根據(jù)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)可以推算出樣品中srb的濃度,計(jì)算方法預(yù)設(shè)在程序中。結(jié)果可以顯示在面板上,導(dǎo)出至計(jì)算機(jī)中,通過郵件或短信形式發(fā)送,或直接上傳至云中供統(tǒng)計(jì)用。
在本實(shí)施例中,放入樣品為0.8ml含有107cfusrb的水溶液,操作總時(shí)長為75分鐘,根據(jù)lamp曲線拐點(diǎn)位置計(jì)算得出試劑濃度為1.2×107cfu/ml,與樣品值相同。
需要說明的是,在本說明書的教導(dǎo)下本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以作出這樣或那樣的容易變化方式,諸如等同方式,或明顯變形方式,均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。