微生物自动化检测装置、系统及方法与流程

1.本发明涉及微生物检测技术领域，尤其涉及一种微生物自动化检测装置、系统及方法。


背景技术：

2.食品样本中背景复杂，并且食源性致病菌的浓度通常很低，常规检测方法很难对食品样本直接进行检测。而双抗体夹心技术是基于抗原抗体免疫结合的生物检测技术，利用结合特异性抗体的捕获探针捕获目标细菌，然后用结合另一种抗体的信号探针标记目标细菌，形成“免疫捕获探针
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目标细菌
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免疫信号探针”双抗夹心结构，用信号探针将对应的细菌浓度信号转化成光、热、磁、力、声、电等可检测的物理信号，间接检测目标细菌浓度。
3.但是现有的双抗体夹心技术在应用于微生物检测时，大多自动化程度低下，需要依靠各种仪器和专业的操作人员，导致双抗夹心结构的形成效率低下，而双抗夹心结构的形成效率会影响检测时间和检测灵敏度，导致检测时间长且灵敏度不高。因此，如何提高双抗夹心结构的形成效率对减少检测时间和提高检测灵敏度是目前业界亟待解决的重要课题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种微生物自动化检测装置、系统及方法，用以解决现有技术中的双抗体夹心技术存在自动化程度低下，需要依靠各种仪器和专业的操作人员，双抗夹心结构的形成效率低下，检测时间长且灵敏度不高的缺陷，实现了对微生物的自动化检测，降低了对各种仪器设备和专业操作人员的依赖，提高了双抗夹心结构的形成效率，缩短了微生物检测时间，提高了微生物检测灵敏度。
5.本发明提供一种微生物自动化检测装置，包括有工作台、两个固定件、反应容器、磁场旋转部件、两个液位检测部件、磁吸截留部件、背景光源部件和图像采集部件；
6.两个所述固定件分别固定安装在所述工作台的两侧，所述磁场旋转部件安装在两个所述固定件之间，所述磁场旋转部件用于在所述磁场旋转部件的中心处形成磁感线平行分布的磁场；
7.所述反应容器的一端安装在其中一个所述固定件上，所述反应容器的另一端穿过所述磁场旋转部件的中心后与另一个所述固定件连接；
8.两个所述液位检测部件分别安装在所述磁场旋转部件的两侧，所述液位检测部件与所述反应容器连接；
9.所述磁吸截留部件安装在所述反应容器的一侧，所述磁吸截留部件位于两个所述液位检测部件之间；
10.所述背景光源部件安装在所述工作台上，所述背景光源部件位于所述反应容器的下方；
11.所述图像采集部件位于所述背景光源部件上方，所述反应容器位于所述背景光源
部件和所述图像采集部件之间。
12.根据本发明提供的一种微生物自动化检测装置，所述磁场旋转部件包括有旋转固定座、旋转驱动件和环形哈尔巴赫阵列磁铁，所述旋转固定座安装在两个所述液位检测部件之间，所述旋转驱动件和所述环形哈尔巴赫阵列磁铁均安装在所述旋转固定座上，所述旋转驱动件与所述环形哈尔巴赫阵列磁铁连接。
13.根据本发明提供的一种微生物自动化检测装置，所述环形哈尔巴赫阵列磁铁包括有多个呈哈尔巴赫阵列分布的磁铁以及锁磁环，所述锁磁环将所述磁铁包裹在内。
14.根据本发明提供的一种微生物自动化检测装置，所述液位检测部件包括有液位检测固定架和液位传感器，所述液位检测固定架安装在所述反应容器的一侧，所述液位传感器安装在所述液位检测固定架上，所述液位传感器与所述反应容器连接。
15.根据本发明提供的一种微生物自动化检测装置，所述磁吸截留部件包括有上下驱动件和永磁体，所述上下驱动件固定安装在两个所述液位检测部件之间，所述永磁体的一端与所述上下驱动件连接，所述永磁体的另一端位于所述反应容器的上方。
16.根据本发明提供的一种微生物自动化检测装置，所述背景光源部件包括有pc光扩散板和多个发光led，所述发光led固定安装在所述工作台上，所述pc光扩散板盖合在所述发光led上，所述pc光扩散板位于所述图像采集部件的下方。
17.根据本发明提供的一种微生物自动化检测装置，所述图像采集部件包括有图像采集驱动件和摄像头，所述图像采集驱动件固定安装在所述反应容器的一侧，所述摄像头安装在所述图像采集驱动件上，所述反应容器位于所述摄像头和所述背景光源部件之间。
18.本发明还提供一种微生物自动化检测系统，包括有检测箱以及微生物自动化检测装置，所述检测箱内设置有腔体，所述微生物自动化检测装置安装在所述腔体的上半部，所述工作台与所述腔体的内壁面连接，所述腔体的下半部设置有泵送模块和控制模块，所述泵送模块与所述反应容器连接，所述控制模块与所述泵送模块连接。
19.根据本发明提供的一种微生物自动化检测系统，所述微生物自动化检测系统还包括有废液池，所述废液池固定安装在所述检测箱上，所述泵送模块的一端与所述反应容器连接，所述泵送模块的另一端与所述废液池连接。
20.本发明还提供一种微生物自动化检测方法，包括：
21.将混合液柱、清洗液柱和显色底物液柱分别注入反应容器内，并通过空气柱将混合液柱、清洗液柱和显色底物液柱间隔开；
22.旋转磁场旋转部件，控制所述混合液柱在磁场区间往复运动目标次数，使得目标细菌在免疫反应作用下形成双抗夹心结构；
23.使得磁吸截留部件靠近所述反应容器，将所述混合液柱从所述反应容器内排出，控制所述清洗液柱移动到磁场区间，然后使得所述磁吸截留部件远离所述反应容器；
24.控制所述清洗液柱在磁场区间往复运动目标次数，然后使得所述磁吸截留部件靠近所述反应容器，将所述清洗液柱从所述反应容器内排出；
25.将所述显色底物液柱泵送到磁场区间，控制所述磁吸截留部件远离所述反应容器，显色底物变色后控制所述磁吸截留部件接近所述反应容器，然后将所述显色底物液柱泵送到图像采集部件下方，然后开启背景光源部件并拍照；
26.对图像进行处理和分析，获得图像中变色的显色底物区域的饱和度值，计算得到
待检样本中的细菌含量。
27.根据本发明提供的一种微生物自动化检测装置、系统及方法，通过一驱动泵与反应容器连接，进而可以通过驱动泵带动反应容器内的液柱进行往复运动。驱动混合液柱反复经过磁场旋转部件若干次后，纳米镍线在磁场的作用下，被捕获在磁场旋转部件的中心内部并呈链状分布，并随磁场旋转而旋转。目标细菌在免疫反应作用下与纳米镍线和金核铂纳米簇快速结合形成纳米镍线
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目标细菌
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金核铂纳米簇的双抗夹心结构，并随纳米镍线被固定于环形磁场旋转部件中心处。磁吸截留部件靠近反应容器，然后驱动泵带动混合液柱排出反应容器，混合溶液排出后，此时磁性复合物被吸附在反应容器内。然后驱动清洗液柱移至两个液位检测部件之间复溶双抗夹心结构后，磁吸截留部件远离反应容器，并使清洗液柱在两个液位检测部件之间往复运动若干次，对游离的金核铂纳米簇进行清洗。磁吸截留部件再次靠近反应容器，然后将清洗液柱排出反应容器，清洗液柱排出后，此时磁性复合物被吸附在反应容器内。然后驱动显色底物液柱移动到环形磁场旋转部件处，复溶双抗夹心结构后，磁吸截留部件远离反应容器，利用位于“双抗夹心结构”上的金核铂纳米簇催化显色底物，使显色底物由无色变为蓝色，然后磁吸截留部件靠近反应容器，将显色底物液柱移至磁吸截留部件处，充分吸附双抗夹心结构后，将变色后的显色底物液柱驱动到图像采集部件下方，并开启背景光源部件，图像采集部件对显色底物液柱进行拍照，然后通过对照片进行处理分析即可得知图像中蓝色显色底物区域的饱和度值，进而依据预先标定的饱和度
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细菌浓度曲线计算待检样本中的细菌含量。进而实现了对微生物的自动化检测，降低了对各种仪器设备和专业操作人员的依赖，提高了双抗夹心结构的形成效率，缩短了微生物检测时间，提高了微生物检测灵敏度。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1是本发明提供的微生物自动化检测装置的结构示意图之一；
30.图2是本发明提供的微生物自动化检测装置的结构示意图之二；
31.图3是本发明提供的微生物自动化检测装置的环形哈尔巴赫阵列磁铁的剖视图；
32.图4是本发明提供的微生物自动化检测系统的结构示意图；
33.图5是本发明提供的微生物自动化检测方法的流程图；
34.附图标记：
35.1：工作台；
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2：固定件；
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3：反应容器；
36.4：磁场旋转部件；
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5：液位检测部件； 6：磁吸截留部件；
37.7：背景光源部件；
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8：图像采集部件； 9：检测箱；
38.41：旋转固定座；
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42：旋转驱动件；
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43：环形哈尔巴赫阵列磁铁；
39.51：液位检测固定架； 52：液位传感器；
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71：pc光扩散板；
40.61：上下驱动件；
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62：永磁体；
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91：腔体；
41.81：图像采集驱动件； 82：摄像头；
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94：废液池；
42.92：泵送模块；
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93：控制模块；
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431：磁铁；
43.432：锁磁环。
具体实施方式
44.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.下面结合图1至图5描述本发明的微生物自动化检测装置、系统及方法。
46.如附图1所示，微生物自动化检测装置包括有工作台1、两个固定件2、反应容器3、磁场旋转部件4、两个液位检测部件5、磁吸截留部件6、背景光源部件7和图像采集部件8。
47.具体来说，两个固定件2分别固定安装在工作台1的两侧，磁场旋转部件4安装在两个固定件2之间，磁场旋转部件4用于在磁场旋转部件4的中心处形成磁感线平行分布的磁场。反应容器3的一端安装在其中一个固定件2上，反应容器3的另一端穿过磁场旋转部件4的中心后与另一个固定件2连接。
48.两个液位检测部件5分别安装在磁场旋转部件4的两侧，液位检测部件5与反应容器3连接。磁吸截留部件6安装在反应容器3的一侧，磁吸截留部件6位于两个液位检测部件5之间。背景光源部件7安装在工作台1上，背景光源部件7位于反应容器3的下方。图像采集部件8位于背景光源部件7上方，反应容器3位于背景光源部件7和图像采集部件8之间。
49.在使用时，先将修饰了抗沙门氏菌多克隆抗体的纳米镍线、待检样本溶液和修饰了抗沙门氏菌单克隆抗体金核铂纳米簇溶液三者的混合溶液注入反应容器3形成混合液柱，将1％脱脂乳注入反应容器3形成清洗液柱，将tmb
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h2o2注入反应容器形成显色底物液柱，并通过空气柱将混合液柱、清洗液柱和显色底物液柱三者隔开。
50.然后磁场旋转部件4开始工作，在磁场旋转部件4的中心处形成磁感线平行分布的磁场。然后通过一驱动泵与反应容器3连接，进而可以通过驱动泵带动反应容器3内的液柱进行往复运动，且两个液位检测部件5可以实时检测液柱的位置，进而可以控制液柱在两个液位检测部件5往复运动，且可以通过液位检测部件5检测到液柱的次数得知液柱往复运动的次数。
51.驱动混合液柱反复经过磁场旋转部件若干次后，纳米镍线在磁场的作用下，被捕获在磁场旋转部件的中心内部并呈链状分布，并随磁场旋转而旋转。目标细菌在免疫反应作用下与纳米镍线和金核铂纳米簇快速结合形成纳米镍线
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目标细菌
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金核铂纳米簇的双抗夹心结构，并随纳米镍线被固定于磁场旋转部件4中心处。
52.先使得磁吸截留部件6靠近反应容器3，然后驱动泵带动混合液柱排出反应容器3，同时磁吸截留部件6对混合液体中的磁性复合物进行磁吸，进而防止混合溶液中的磁性复合物被排出。混合溶液排出后，驱动清洗液柱移动到两个液位检测部件5之间，此时磁性复合物被吸附在反应容器3内，然后磁吸截留部件6远离反应容器3，然后驱动清洗液柱在两个液位检测部件5之间不断往复运动，对游离的金核铂纳米簇进行清洗，使得磁吸截留部件6靠近反应容器3，然后将清洗液柱排出反应容器3，磁吸截留部件6同时防止磁性复合物随清洗液柱排出。
53.然后驱动显色底物液柱移动到磁场旋转部件4处，使得磁吸截留部件6远离反应容器3，利用位于“双抗夹心结构”上的金核铂纳米簇催化显色底物，使显色底物由无色变为蓝色，将磁吸截留部件6靠近反应容器3，然后将变色后的显色底物液柱驱动到图像采集部件8下方，并开启背景光源部件7，图像采集部件8对显色底物液柱进行拍照，然后通过对照片进行处理分析即可得知图像中蓝色显色底物区域的饱和度值，进而依据预先标定的饱和度
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细菌浓度曲线计算待检样本中的细菌含量。
54.进而实现了对微生物的自动化检测，降低了对各种仪器设备和专业操作人员的依赖，提高了双抗夹心结构的形成效率，缩短了微生物检测时间，提高了微生物检测灵敏度。
55.其中，在本发明的可选实施例中，固定件2例如为上端设置有与反应容器3相匹配的连接孔的安装架。但是应当了解，固定件2还可以是其他任何合适的结构。
56.其中，在本发明的可选实施例中，反应容器3例如为玻璃管。但是应当了解，反应容器3还可以是其他任何合适的容器。
57.进一步的，如附图1和附图2所示，磁场旋转部件4包括有旋转固定座41、旋转驱动件42和环形哈尔巴赫阵列磁铁43，旋转固定座41安装在两个液位检测部件5之间，旋转驱动件42和环形哈尔巴赫阵列磁铁43均安装在旋转固定座41上，旋转驱动件42与环形哈尔巴赫阵列磁铁43连接。在使用时，通过旋转驱动件42带动环形哈尔巴赫阵列磁铁43旋转，且环形哈尔巴赫阵列磁铁43的中心处形成有磁感线平行的磁场，进而诱导反应容器3内的磁性材料，如纳米镍线，在磁场中心附近呈链状分布进行旋转，并在旋转中扫掠整个截面，并同时驱动混合液柱在两个液位检测部件5之间往复流动，使样本反复经过限制在哈尔巴赫环中心的旋转磁链，增大磁性物质与流经的样本溶液中目标微生物的碰撞结合几率。解决了传统磁栅形成的链较短，不能布满整个通道，导致部分样本溶液无法和磁性物质结合的缺点。
58.其中，如附图2和附图3所示，环形哈尔巴赫阵列磁铁43包括有多个呈哈尔巴赫阵列分布的磁铁431以及锁磁环432，锁磁环432将磁铁431包裹在内，图3中的箭头方向即为每个所述磁铁431对应的充磁方向。在使用时，锁磁环432可以增强环形磁场内的磁场强度。
59.其中，在本发明的可选实施例中，旋转驱动件42例如为步进电机。但是应当了解，旋转驱动件42还可以是其他任何合适的驱动件。
60.进一步的，如附图1和附图2所示，液位检测部件5包括有液位检测固定架51和液位传感器52，液位检测固定架51安装在反应容器3的一侧，液位传感器52安装在液位检测固定架51上，液位传感器52与反应容器3连接。在使用时，液位传感器52实时检测反应容器3内的液柱，当其中一个液位检测部件5的液位传感器52检测到液柱时，则驱动液柱往另一个液位检测部件5一侧运动，当另一个液位检测部件5的液位传感器52检测到液柱时，驱动液柱往其中一个液位检测部件5一侧运动，进而实现了对反应容器3内液柱往复运动的控制，以及可以计算液柱往复运动的次数，实现了微生物自动化检测，降低了对专业技术人员的依赖。
61.进一步的，如附图1和附图2所示，磁吸截留部件6包括有上下驱动件61和永磁体62，上下驱动件61固定安装在两个液位检测部件5之间，永磁体62的一端与上下驱动件61连接，永磁体62的另一端位于反应容器3的上方。在使用时，当需要将混合液柱排出反应容器3时，通过上下驱动件61带动永磁体62下移，使得永磁体62接近反应容器3，对混合液体中的磁性复合物进行磁吸，进而防止混合溶液中的磁性复合物被排出。然后清洗液柱移动到哈尔巴赫磁场旋转部件处进行复溶步骤，然后通过上下驱动件61带动永磁体62上移远离反应
容器3，进行清洗步骤。当清洗液柱完成清洗步骤后，通过上下驱动件61带动永磁体62下移，使得永磁体62再次接近反应容器3，然后将清洗液柱排出反应容器3，进而防止磁性复合物随清洗液柱排出。
62.其中，在本发明的可选实施例中，上下驱动件61例如为基于步进电机的微型滑台。但是应当了解，上下驱动件61还可以是其他任何合适的驱动件。
63.其中，在本发明的可选实施例中，永磁体62例如为圆柱形的n52钕铁硼永磁体62。但是应当了解，永磁体62还可以是其他任何合适的形状或材质的永磁体62。
64.进一步的，如附图1和附图2所示，背景光源部件7包括有pc光扩散板71和多个发光led，发光led固定安装在工作台1上，pc光扩散板71盖合在发光led上，pc光扩散板71位于图像采集部件8的下方。在使用时，发光led作为光源发出光线，光线通过pc光扩散板71后得到均匀的光线，避免灯珠局部光线过强而影响图像质量。
65.其中，在本发明的可选实施例中，发光led例如为额定电压为3.3v的白光led灯。但是应当了解，其他任何合适的规格的led灯，也可以作为发光led。
66.进一步的，如附图1和附图2所示，图像采集部件8包括有图像采集驱动件81和摄像头82，图像采集驱动件81固定安装在反应容器3的一侧，摄像头82安装在图像采集驱动件81上，反应容器3位于摄像头82和背景光源部件7之间。在使用时，通过图像采集驱动件81带动摄像头82上下移动，进而调整摄像头82与反应容器3之间的距离，使得摄像头82可以更好的对反应容器3内进行拍照。
67.其中，在本发明的可选实施例中，图像采集驱动件81例如为基于步进电机的微型滑台。但是应当了解，其他任何合适的驱动件也可以作为图像采集驱动件81。
68.其中，在本发明的可选实施例中，摄像头82例如为200万像素的cmos微距摄像头82，物距大于20mm。
69.另一方面，如附图1和附图4所示，本发明还提供一种微生物自动化检测系统，包括有检测箱9，检测箱9内设置有腔体91，微生物自动化检测装置安装在腔体91的上半部，工作台1与腔体91的内壁面连接，腔体91的下半部设置有泵送模块92和控制模块93，泵送模块92与反应容器3连接，控制模块93与泵送模块92连接。在使用时，工作台1将腔体91的上下两个部分分隔开，使得腔体91的上半部形成了一个暗室，进而可以为图像采集和图像分析提供稳定的光源环境，控制模块93用于控制泵送模块92，然后通过泵送模块92控制反应容器3内的液柱流动。
70.进一步的，如附图4所示，微生物自动化检测系统还包括有废液池94，废液池94固定安装在检测箱9上，泵送模块92的一端与反应容器3连接，泵送模块92的另一端与废液池94连接。在使用时，当反应容器3内的混合液柱和清洗液柱使用完后，通过泵送模块92将混合液柱和清洗液柱抽到废液池94内进行存放。
71.其中，在本发明的可选实施例中，泵送模块92例如为蠕动泵。但是应当了解，其他任何合适的泵也可以作为泵送模块92。
72.其中，在本发明的可选实施例中，控制模块93例如为基于树莓派的控制系统。但是应当了解，其他任何合适的控制系统也可以作为控制模块93。
73.另一方面，如附图5所示，本发明还提供一种微生物自动化检测方法，包括：
74.s1、将混合液柱、清洗液柱和显色底物液柱分别注入反应容器内，并通过空气柱将
混合液柱、清洗液柱和显色底物液柱间隔开；
75.具体的，混合液柱由修饰了抗沙门氏菌多克隆抗体的纳米镍线、待检样本溶液和修饰了抗沙门氏菌单克隆抗体金核铂纳米簇溶液三者组成，其中，纳米镍线用量为优选40微克，待检样本溶液用量对应为50微升，修饰了抗沙门氏菌单克隆抗体金核铂纳米簇溶液的用量优选为16微升。清洗液柱则由50微升的浓度为1％的脱脂乳组成。显色底物液柱则由50微升tmb
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h2o2组成。
76.s2、旋转磁场旋转部件，控制混合液柱在磁场区间往复运动目标次数，使得目标细菌在免疫反应作用下形成双抗夹心结构；
77.具体的，纳米镍线在磁场的作用下，被捕获在磁场旋转部件中心内部并呈链状分布，并随磁场旋转而旋转。目标细菌在免疫反应作用下与纳米镍线和金核铂纳米簇结合形成纳米镍线
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目标细菌
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金核铂纳米簇“双抗夹心结构”，并随纳米镍线被固定于磁场旋转部件中心。
78.s3、使得磁吸截留部件靠近反应容器，将混合液柱从反应容器内排出，控制所述清洗液柱移动到磁场区间，然后使得磁吸截留部件远离反应容器；
79.具体的，磁吸截留部件靠近反应容器，可以对混合液体中的磁性复合物进行磁吸，进而防止混合溶液中的磁性复合物被排出。
80.s4、控制清洗液柱在磁场区间往复运动目标次数，然后使得磁吸截留部件靠近反应容器，将清洗液柱从反应容器内排出；
81.具体的，清洗液柱反复经过磁场旋转部件若干次，对游离的金核铂纳米簇进行清洗，磁吸截留部件则可以防止磁性复合物随清洗液柱排出。
82.s5、将所述显色底物液柱泵送到磁场区间，控制所述磁吸截留部件远离所述反应容器，显色底物变色后控制所述磁吸截留部件靠近所述反应容器，然后将所述显色底物液柱泵送到图像采集部件下方，然后开启背景光源部件并拍照；
83.具体的，双抗夹心结构上的金核铂纳米簇可以催化显色底物，进而使得显色底物由无色变为蓝色。
84.s6：对图像进行处理和分析，获得图像中变色的显色底物区域的饱和度值，计算得到待检样本中的细菌含量。
85.进而实现了对微生物的自动化检测，降低了对各种仪器设备和专业操作人员的依赖，提高了双抗夹心结构的形成效率，缩短了微生物检测时间，提高了微生物检测灵敏度。
86.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。