CN103243025A - 一种可精确定时、定量并在位灭活的全自动快速取样设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可精确定时、定量并在位灭活的全自动快速取样设备，该设备包括机械传动装置、取样装置及控制装置，控制装置联动控制取样装置及机械传动装置，机械传动装置包括电机、传动轴、取样转盘及储液槽，电机通过传动轴驱动取样转盘的转动，取样转盘上设有多个安放取样管的定位取样孔，储液槽设在取样转盘下方，取样时控制装置先定位取样转盘上的定位取样孔位置后控制取样装置进行定量取样。与现有技术相比，本发明能在秒级内完成快速、定量、连续、定时取样和淬灭全过程，在整个过程中实现完全自动化，单个样品单次取样时间在一秒以内，经淬灭后能保证细胞内代谢物真实反映细胞真实情况，有效避免细胞内代谢物发生转化、降解的产生。

Description

一种可精确定时、定量并在位灭活的全自动快速取样设备

技术领域

本发明涉及一种用于细胞生理代谢研究的快速取样设备，尤其是涉及一种可精确定时、定量并在位灭活的全自动快速取样设备。

背景技术

为了研究不同生理状态下微生物、植物和动物等多种细胞的生理代谢特性(如代谢物组学和代谢通量组学)，需要从培养液中取出细胞。在取样过程中，由于细胞内的酶催化反应十分迅速(尤其是在中心碳代谢途径中的中间代谢物转化一般在秒级或亚秒级)，目标代谢物可能会产生结构改变、浓度变化甚至于完全转化成其他物质，使得难以对目标物质进行准确定性和定量分析。当前细胞代谢研究中主要采用的培养装置趋于小型化(100-500ml)和微型化(几十毫升)，尤其是高通量研究时采用的反应器仅有数毫升，对精确取样有了更高要求。同时，采用同位素标记物或其他示踪物甚至环境扰动等方法来对细胞代谢反应变化研究中也需要进行连续、快速地取样。因此，能够快速、定量、定时取样并及时将细胞内酶灭活对研究细胞生理代谢(代谢物组学代谢通量组学)是至关重要的，开发能同时实现精确定时、定量的快速(能实现亚秒级)连续取样并同时灭活细胞的一体化装置是实现对细胞内部代谢研究的设备基础。

当前做法主要集中在以下几个方面：

1.手动采样。全过程采用手动操作，有的直接手动打开取样口阀门靠反应器的正压力将细胞培养液从取样口压出、然后进行淬灭、离心或水洗等相关处理操作。手动取样的缺点是操作时间长、取样量难以控制，取样时间点难以准确控制，操作时间在数秒钟以上。有的采用含有冷甲醇水溶液等淬灭冷液体的注射器直接从反应器中取样，虽然将淬灭和取样整合在一起，但难以实现快速连续操作，取样时间不可能准确把握，取样结果偏差很大。

2.半自动采样。有的采用三通阀方式通过开关阀门对取样进行控制，解决了手动控制精度差的不足。但由于采用电动电磁阀依次打开、关闭阀门，取样时间在秒级以上。有的采用在三阀系统基础上额外引入外界动力(用空气或蒸汽吹出)，也同样存在取样时间较长的问题。有的采用单阀控制阀门，并开发出带有取样试管的传动履带，进行连续取样，但仍不能实现定时、快速、定量取样。

3.自动取样。自动取样包括了采样、灭活和同步位移等功能。文献报道中有的采用热交换器对样品直接灭活，通过装有连续多个电磁阀门的管道来确定采样时间节点。此方法能在脉冲加入后精确确定取样时间，但是高温会使一些物质降解，也存在应用的局限性。有的文献采用电磁阀取样到冷的淬灭液中，并设有取样转盘，可实现连续取样，此方式阀门系统和外动力取样时间仍然存在不够快速的局限性，难以实现定量采样。但是在目前来看后者是比较可取的方式，具有广泛应用的前景。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能在秒级内完成快速、定量、连续、定时取样和淬灭全过程，完全自动化的可精确定时、定量并在位灭活的全自动快速取样设备。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种可精确定时、定量并在位灭活的全自动快速取样设备，该设备包括：

机械传动装置：包括电机、传动轴、取样转盘及储液槽，所述的电机通过传动轴驱动取样转盘转动，所述的取样转盘上设有多个安放取样管的定位取样孔，所述的储液槽设在取样转盘下方；

取样装置：通过管道将反应器中的样品输送至取样转盘上的取样管内；

控制装置：联动控制取样装置及机械传动装置，取样时控制装置先定位取样转盘上的定位取样孔位置后控制取样装置进行定量取样。

所述的取样装置包括耐压泵及与耐压泵串联的柱塞泵或三阀机构。设置耐压泵，可耐受反应器内部压力，同时防止压力波动造成单次定量取样误差增加。所述的柱塞泵或三阀机构可根据取样量要求更换泵或三阀机构的容量或多个柱塞泵或三阀机构串联甚至提高取样次数来满足取样量要求。

所述的控制装置包括操作界面、控制模块、通讯模块及单片机，所述的操作界面连接控制模块及通讯模块，所述的控制模块及通讯模块均通过单片机连接取样装置及机械传动装置，通过操作界面向控制模块及通讯模块输入信号控制取样装置及机械传动装置的运行。

所述的控制装置控制取样装置连续取样或单个取样，所述的控制装置可对取样装置的取样量进行设定，可统一设定，也可以分别设定任意一个取样管的取样量。控制装置控制取样装置的取样时间及取样时间间隔。根据实际细胞代谢过程中的研究时间点可自由设定取样时间，两个取样点时间设计应具备一定跨度(可满足不同取样要求)。

所述的控制装置调整取样转盘上的取样管与取样装置之间的位置，保证取样过程中细胞液能全部进入取样管中而不外溅。

所述的取样装置单次取样所需时间可在一秒以内，取样精度能满足定量取样要求，误差范围在5％范围内。

所述的定位取样孔设有1～40个。定位取样孔大小可根据实际使用取样管的直径确定，定位取样孔数目设计能满足取样个数要求和准确机械定位要求。

所述的取样转盘与传动轴之间设有互相啮合的齿轮，所述的传动轴通过齿轮带动取样转盘转动，所述的齿轮个数及定位取样孔个数相同。取样转盘上的齿轮与传动轴的齿轮为同步设计实现取样装置后的管道与取样转盘上的取样管的精确定位。

所述的取样转盘上的齿轮与转动轴的齿轮设计可根据连续取样个数的需求而采用增加取样转盘定位取样孔数目同时更换电机齿轮来实现。

所述的取样转盘采用耐受液氮低温及100℃沸水的合金材质，可同时耐受低温和沸水高温；所述的储液槽材质为聚合塑料，可以放置低温液体保证取样过程淬灭剂温度不回升或加入沸水保证热水淬灭时温度恒定；所述的取样装置之前的管道为耐高温塑料软管，可符合反应器灭菌要求且根据实际反应器位置要求能随意弯转。

所述的储液槽及取样管内设有淬灭剂。储液槽内可以放置低温液体保证取样过程淬灭剂温度不回升或加入沸水保证热水淬灭时温度恒定。

与现有技术相比，本发明能在秒级内完成快速、定量、连续、定时取样和淬灭全过程。在整个过程中实现完全自动化，只需根据取样要求在软件中设定好参数便可自动完成。单个样品单次取样时间在秒以下，经淬灭后能保证细胞内代谢物真实反映细胞真实情况，有效避免细胞内代谢物发生转化、降解的产生。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1为取样转盘，2为储液槽，3为传动轴，4为电机，5为单片机，6为数据传输线，7为反应器，8为计算机，9为管道，10为耐压泵，11为柱塞泵，12为取样管，13为卡槽，14为定位取样孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种可精确定时、定量并在位灭活的全自动快速取样设备，结构如图1所示，该设备包括：

机械传动装置：包括电机4、传动轴3、取样转盘1及储液槽2，电机4通过传动轴3驱动取样转盘1的转动，取样转盘1上设有多个安放取样管12的定位取样孔14，储液槽2设在取样转盘1下方；

取样装置：包括高精度、高频率的柱塞泵11，高频柱塞泵11频率为1.6HZ、单次取样为150uL、单次取样误差为0.2％，精确定量，柱塞泵11之前设有耐压泵10，可耐受反应器7内部0.5工程压力，同时防止压力波动造成单次定量取样误差增加，柱塞泵11可根据取样量要求更换泵的容量或多个柱塞泵11串联甚至提高取样次数来满足取样量要求，取样装置通过管道9将反应器7中的样品输送至机械传动装置上的取样管12内；

控制装置：联动控制取样装置及机械传动装置，取样时控制装置先定位取样转盘1上的定位取样孔14位置，然后含细胞的培养液从耐压泵10前管道9在柱塞泵11提供的动力下快速泵出并流进含有淬灭剂的取样管12内进行淬灭，单次取样在1秒内完成。如果采用连续取样，控制装置首先指令转动轴3带动取样转盘1转动并定位到下一取样管12位置，后指令柱塞泵11抽取样品后在取样管12内淬灭。

控制装置包括计算机8及单片机5，计算机8与单片机5通过数据传输线6连接，计算机8设有操作界面、控制模块及通讯模块，操作界面连接控制模块及通讯模块，控制模块及通讯模块均通过单片机5连接取样装置及机械传动装置，通过操作界面向控制模块及通讯模块输入信号控制取样装置及机械传动装置的运行。计算机8中的通讯模块保证控制计算机8与取样装置及机械传动装置的信号传输畅通。机械传动装置及取样装置内置单片机5，并通过数据传输线6与装有控制模块及通讯模块的计算机8连接，计算机8通过操作界面向控制模块及通讯模块输入信号控制取样装置及机械传动装置的运行。

控制装置的计算机8控制取样装置连续取样或根据具体需要分别设定单个取样。计算机8可对取样装置的取样量进行设定，可统一设定，也可以分别设定任意一个取样管12的取样量。计算机8控制取样装置的取样时间及取样时间间隔。根据实际细胞代谢过程中的研究时间点可自由设定取样时间，两个取样点时间设计应具备一定跨度(可满足不同取样要求)。计算机8调整取样转盘1上的定位取样孔14与取样装置后的管道9的位置，保证取样过程中细胞液能全部进入取样管12中而不外溅。计算机8的操作界面分为两部分，一部分是统一设置全部20个连续取样管12的取样量、取样时间和取样时间间隔。另一部分是分别设置每一个取样管12的取液量、取样时间和取样间隔时间。取样间隔时间最短为1s，最大为48h。

定位取样孔14设有20个，可以放置10ml的取样管12。定位取样孔14大小可根据实际使用取样管12的直径确定，可以放置50ml、10ml、5ml等不同型号取样管12，定位取样孔14数目设计能满足取样个数要求和准确机械定位要求。

电机4为220伏异步电机，取样转盘1与传动轴3之间设有互相啮合的齿轮，电机4驱动传动轴3通过齿轮带动取样转盘1转动，齿轮个数及定位取样孔14个数相同。取样转盘1上的齿轮与传动轴3的齿轮为同步设计实现取样装置后的管道9与取样转盘1上的取样管12的精确定位。传动轴3与放置取样管12的取样转盘1之间设有卡槽13，便于拆卸、清洗和更换。取样转盘1上的齿轮与转动轴的齿轮设计可根据连续取样个数的需求而采用增加取样转盘1定位取样孔14数目同时更换电机4齿轮来实现。

取样转盘1采用耐受液氮低温及100℃沸水的合金材质，可同时耐受低温和沸水高温。储液槽2材质为聚合塑料，可放置低温液体如干冰、-60℃甲醇水溶液等保证取样过程淬灭剂温度不回升或加入沸水保证热水淬灭时温度恒定。储液槽2及取样管12内设有淬灭剂。储液槽2内可以放置低温液体保证取样过程淬灭剂温度不回升或加入沸水保证热水淬灭时温度恒定。耐压泵10之前的管道9为耐高温塑料软管，可符合反应器灭菌要求且根据实际反应器位置要求能随意弯转。

本发明的装置在研究钾离子对辅酶Q10生产菌株的代谢影响中的应用。

在培养过程中采用快速取样装置对光合细菌进行了快速、连续取样操作。首先取10支10ml取样管12，里面放置淬灭剂，插入取样转盘1上的定位取样孔14内。取样前首先打开装有计算机8，校正取样口与取样管12的位置。完成后，开始在计算机8的操作界面设置各个参数。时间间隔设定为1min，分别设置每个取样管12的取样量，第一个取样管12主要为了排出管道内死体积，取样量设定为2mi其余试管内取样量设定为0.5ml。以上参数设定完成后，确定执行操作。取样装置开始自动运行。

取样结果见表1所示。

表1

从表1可以看出，本取样装置可以实现连续、精确定量、定时全自动取样。完全满足对微生物生理特性研究需要。

Claims (7)

1.一种可精确定时、定量并在位灭活的全自动快速取样设备，其特征在于，该设备包括：

机械传动装置：包括电机、传动轴、取样转盘及储液槽，所述的电机通过传动轴驱动取样转盘转动，所述的取样转盘上设有多个安放取样管的定位取样孔，所述的储液槽设在取样转盘下方；

取样装置：通过管道将反应器中的样品输送至取样转盘上的取样管内；

控制装置：联动控制取样装置及机械传动装置。

2.根据权利要求1所述的一种可精确定时、定量并在位灭活的全自动快速取样设备，其特征在于，所述的取样装置包括耐压泵及与耐压泵串联的柱塞泵或三阀机构。

3.根据权利要求1所述的一种可精确定时、定量并在位灭活的全自动快速取样设备，其特征在于，所述的控制装置包括操作界面、控制模块、通讯模块及单片机，所述的操作界面连接控制模块及通讯模块，所述的控制模块及通讯模块均通过单片机连接取样装置及机械传动装置，通过操作界面向控制模块及通讯模块输入信号控制取样装置及机械传动装置的运行。

4.根据权利要求1所述的一种可精确定时、定量并在位灭活的全自动快速取样设备，其特征在于，所述的控制装置控制取样装置连续取样或单个取样，控制取样装置的取样量、取样时间及取样时间间隔，所述的控制装置调整取样转盘上的取样管与取样装置之间的位置。

5.根据权利要求1所述的一种可精确定时、定量并在位灭活的全自动快速取样设备，其特征在于，所述的定位取样孔设有1～40个。

6.根据权利要求1所述的一种可精确定时、定量并在位灭活的全自动快速取样设备，其特征在于，所述的取样转盘与传动轴之间设有互相啮合的齿轮，所述的传动轴通过齿轮带动取样转盘转动，所述的齿轮个数及定位取样孔个数相同。

7.根据权利要求1所述的一种可精确定时、定量并在位灭活的全自动快速取样设备，其特征在于，所述的取样转盘采用合金材质，所述的储液槽材质为聚合塑料，所述的取样装置之前的管道为耐高温塑料软管。

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