曹　恒,李建杰,王　婷,袁旭軍,劉　麗

(1.上海理工大學(xué) 上海市現(xiàn)代光學(xué)重點實驗室,上?！?00093;

2.上?？圃措娮涌萍加邢薰?上?！?01101)

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一種新型生物振蕩培養(yǎng)箱

曹恒1,李建杰1,王婷1,袁旭軍2,劉麗2

(1.上海理工大學(xué) 上海市現(xiàn)代光學(xué)重點實驗室,上海200093;

2.上?？圃措娮涌萍加邢薰?上海201101)

摘要：鑒于傳統(tǒng)生物振蕩培養(yǎng)箱無法獲知被培養(yǎng)物質(zhì)的實時生長狀況,在濁度法的基礎(chǔ)上設(shè)計出了以光電傳感器為檢測單元,以ADS8320為數(shù)據(jù)采集和傳輸單元,實現(xiàn)在線光密度(optic density,OD)檢測的新型生物振蕩培養(yǎng)箱。該新型振蕩培養(yǎng)箱不僅可用于生物培養(yǎng),還能對被培養(yǎng)物質(zhì)的生長狀況進(jìn)行實時監(jiān)測。實驗驗證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性,測量誤差在2%左右,能夠準(zhǔn)確地反映當(dāng)前被培養(yǎng)物質(zhì)的OD值。

關(guān)鍵詞：生物振蕩培養(yǎng)箱; 實時生長狀況; 濁度法; OD檢測電路

引言

生物振蕩培養(yǎng)箱也稱為搖床,是一種實驗室常用的液體搖勻和微生物、細(xì)菌和細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備。它是一種生化儀器,在對于溫度和振蕩頻率有較高要求的細(xì)菌培養(yǎng)、發(fā)酵、雜交、生物化學(xué)反應(yīng)以及酶和組織研究等方面具有廣泛的應(yīng)用。

隨著時代的發(fā)展,要求搖床具有經(jīng)濟環(huán)保,更好的振蕩特性、溫度特性以及可操作性,現(xiàn)有的搖床已經(jīng)不能滿足人們的需求。Yang等[1]在對現(xiàn)有搖床研究后發(fā)現(xiàn),目前用于微生物培養(yǎng)的搖瓶多為玻璃或一次性硬質(zhì)塑料制成。玻璃制品每次實驗前后均需清洗和消毒,既浪費人力,又容易造成交叉污染。塑料制品雖然克服了前者的缺點,可也由于不易處理而產(chǎn)生大量廢物,而且經(jīng)濟上也不是很合算。為此他們在這二者的基礎(chǔ)上提出了一種新型的一次性柔性生物反應(yīng)器,這種生物反應(yīng)器不但克服了上述兩種物品的缺點,而且在細(xì)菌培養(yǎng)和氧氣傳輸速率上也有了顯著的提高。此外,古磊等[2]、謝清華等[3]、陳培強[4]則針對當(dāng)前搖床技術(shù)的不足之處做出了改進(jìn),改善了搖床的振蕩性能、溫度均勻性及可操作性,使得搖床結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠、振蕩性好。

以上所做的改進(jìn)雖然使得搖床更加的完善,可也僅僅只是在搖床原有的框架內(nèi)做出了改進(jìn)?，F(xiàn)有的搖床存在著一個很大的局限性,雖然其可以用來進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng),可是卻無法得知細(xì)胞生長的實時情況,只有將經(jīng)過培養(yǎng)的細(xì)胞溶液取出置于酶標(biāo)儀等工具上測量后,才能得知當(dāng)前的細(xì)胞生長情況。在這一過程中由于環(huán)境的改變以及人為操作等因素,使結(jié)果與實際的搖床內(nèi)部的細(xì)胞生長結(jié)果不一致,從而導(dǎo)致結(jié)論錯誤。因此,本文提出的振蕩培養(yǎng)箱集成了細(xì)胞培養(yǎng)和細(xì)胞檢測功能,在原有的搖床基礎(chǔ)上添加了光密度(optic density,OD)檢測功能,使得我們能夠在培養(yǎng)細(xì)胞的過程中實時檢測細(xì)胞溶液的OD值,進(jìn)而監(jiān)視細(xì)胞的生長情況。

1OD檢測原理

吸光度又稱為光密度(OD),是指光線通過溶液或某一物質(zhì)前的入射光的強度I0與該光線通過溶液或物質(zhì)之后的透射光強度I1的對數(shù)比值(即lg(I0/I1)),吸光度受溶劑、濃度、溫度等因素的影響。

細(xì)胞是不透光的,光束通過細(xì)胞懸浮液時,由于散射或被吸收而降低透過率,因此懸浮液細(xì)胞濃度與光密度(OD)成正比,與透光率成反比。測量前將樣品適當(dāng)稀釋或加酸處理,在波長450~660 nm處測光密度。有時直接以O(shè)D值代替細(xì)胞濃度,有時需預(yù)先用已知濃度的懸浮液測出吸光度-細(xì)胞濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線,再根據(jù)所測OD值,從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出細(xì)胞濃度值[5-6]。因此,我們便可以通過實時檢測溶液的OD值來監(jiān)控細(xì)胞生長狀況。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計

如圖1所示,本系統(tǒng)采用STM32處理器作為主控芯片來控制振蕩電路、OD檢測電路、勻光板控制電路以及溫濕度控制電路的運行。圖中振蕩電路[7]包含電機測速電路和電機調(diào)速電路,通過調(diào)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)的速度來帶動托盤,以達(dá)到搖勻溶液的目的。OD檢測電路是通過光電傳感器來測量入射光光強在經(jīng)過溶液后的衰減值,入射光光強的大小是通過調(diào)節(jié)電位器阻值來控制流經(jīng)發(fā)光二極管的電流大小來調(diào)節(jié)的,而入射光的周期和頻率則是通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)來控制的[8]。勻光板控制電路是通過改變PWM波的占空比來控制勻光板光強的大小。溫濕度控制電路中溫度控制是通過PT100來檢測振蕩箱箱內(nèi)溫度,將其與設(shè)置溫度做對比,通過比例、積分、微分(PID)控制算法來達(dá)到精準(zhǔn)控溫的目的。濕度控制則是通過PWM來控制加濕或者抽濕的量度。

圖1　控制電路框圖Fig.1　Block diagram of Control circuits

軟件設(shè)計中主要解決了液晶顯示器(LCD)與STM32處理器之間的通訊以及ADS8320和STM32之間的通訊等問題。LCD通過串口協(xié)議控制STM32處理器以此來完成電機轉(zhuǎn)速測定和調(diào)控,溫濕度檢測及調(diào)控,勻光板光強調(diào)控及OD數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)热蝿?wù)。軟件設(shè)計的原理圖見圖2。

圖2　系統(tǒng)軟件流程圖

3結(jié)果與分析

為驗證這種新型生物振蕩培養(yǎng)箱是否達(dá)到了設(shè)計要求,進(jìn)行了下面的驗證實驗。

將OD標(biāo)準(zhǔn)板分別置于搖床的8個托盤區(qū)域上,然后運行搖床進(jìn)行檢測,記錄數(shù)據(jù)并分析。其中標(biāo)準(zhǔn)板分為12行8列共96孔,每一行的OD值均為同一數(shù)值。理論值除第一行為透光孔以外,其余各行OD值分別為3.00、0.30、0.57、1.10、2.00、3.00、3.00、0、0、0、0。實際測試時的記錄數(shù)據(jù)如圖3所示,其中X軸的孔位表示第x行的孔,1~8分別對應(yīng)這一行的8個孔,Y軸的OD值表示吸光度值。

本文選取了6行具有不同OD值的孔位分別與標(biāo)準(zhǔn)板對應(yīng)行孔位的OD值做對比,從圖3中我們可以看出實際測得的OD值與標(biāo)準(zhǔn)值雖然不是完全吻合,但是差異不大,數(shù)據(jù)顯示實際偏差在2%左右,由此說明本文中所設(shè)計的OD測量模塊是可信的,能夠準(zhǔn)確地測量出OD值。

圖3　不同孔位對應(yīng)的OD值

4結(jié)論

針對目前生物振蕩培養(yǎng)箱不能觀察培養(yǎng)液內(nèi)細(xì)胞生長過程的特點,本文在研究了細(xì)胞生長測定方法與研究進(jìn)展后,采用光電傳感器和ADS8920設(shè)計出了一種新的基于濁度法的在線OD檢測生物振蕩培養(yǎng)箱。通過實驗驗證后,發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)能夠在振蕩培養(yǎng)細(xì)胞的過程中實現(xiàn)在線測量,測量精度在2%左右,能夠較好地用于觀測細(xì)胞培養(yǎng)過程中的生長趨勢和過程。

參考文獻(xiàn)：

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[2]古磊,李愛東,張兆平,等.一種可在線操作的高速細(xì)胞培養(yǎng)振蕩器:CN103320325A[P].2013-09-25.

[3]謝清華,徐永光,甘宜梧.生物安全恒溫振蕩培養(yǎng)箱:CN102586108A[P].2012-07-18.

[4]陳培強.振蕩搖床:CN203955116U[P].2014-11-26.

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[7]宰文姣.無刷直流電動機驅(qū)動控制電路的設(shè)計和實現(xiàn)[J].微特電機，2013，41(1):54-56.

[8]周明昱,嚴(yán)惠民.分光光度計光強采樣電路設(shè)計[J].光學(xué)儀器，2003，25(4):67-72.

(編輯:劉鐵英)

A novel biological incubator shaker

CAOHeng1,LIJianjie1,WANGTing1,YUANXujun2,LIULi2

(1.Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China;2.Shanghai Cohere Electronics Technology Co.,Ltd.,Shanghai 201101, China)

Abstract：Traditional biological incubator can’t culture cells and observe real-time cell growth at the same time. An optic density(OD) detection circuit based on turbidity method has been designed, which uses photo-electric sensor for detection and ADS8320 for data acquisition and transmission. This new shaker can be used for not only cultivation, but also observation of the growth in real time. The experiment has been set up to verify the stability and accuracy of the system. Comparing with the average value, the error of the OD value detected by OD detection circuit is no more than 2%. It is demonstrated that the circuit could reflect the OD value of the cultured materials in real time accurately.

Keywords：biological incubator shaker; real-time growth; turbidity method; OD detection circuit

中圖分類號：TP 274

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1005-5630.2016.01.019

作者簡介：曹恒(1990—),男,碩士研究生,主要從事生物振蕩培養(yǎng)箱的研究與改進(jìn)。 E-mail:caoheng90@163.com通信作者： 李建杰(1981—),男,講師,主要從事電磁場與微波技術(shù)的研究。 E-mail:lijianjie-972023@163.com

收稿日期：2015-05-21