CN105044038A - 一种用于摇瓶培养的非侵入式生物量在线检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于摇瓶培养的非侵入式生物量在线检测装置，包括主控单元、可容纳生物悬浊液的摇瓶和罩在摇瓶外侧的固定套，固定套在摇瓶的底部外侧连接有检测探头，检测探头包括可与摇瓶底部贴合的基板以及设在基板上的光源、光电传感器和加速度传感器，光源可产生倾斜射入摇瓶内的光路，光电传感器位于光路的下方以测量光路照射在生物悬浊液后产生的散射光，光源、光电传感器和加速度传感器均与所述主控单元连接。本发明运用浊度测量的方法，采用后向散射光测量技术实现摇瓶培养菌液浓度的在线检测，可在不打断培养设备的情况下，对摇瓶内生物悬浊液的浓度进行检测，其构造简单、成本低，可有效提高检测效率和精度，避免样品污染。
Description
技术领域
本发明用于细胞或菌体培养技术领域，特别是涉及一种用于摇瓶培养的非侵入式生物量在线检测装置。
背景技术
摇瓶由于其易处理、成本低、设置简单等特点广泛应用于微生物细胞培养。在生物实验室中，摇瓶培养菌体生长的监测常采用多次取样测量，得出其光密度(OD)、细胞干重(CDW)或细胞浓度。由于不能全程自动监控细胞的培养过程，每一种细胞的培养通常都需要测量数次离线值直到浓度达到要求，然后再进行一系列的后续实验。以常用的光密度（吸光度）法为例，随着悬浊液浓度的不断增加，分光光度计测量的线性范围（通常OD600在0.1-0.7之间）不足以满足测量的要求，需要对样品进行稀释处理。同时，摇床所用的摇瓶或三角烧瓶并没有专门的样本出口，每次取样都增加了感染杂菌的风险。如果一个实验员同时监控几种不同细胞或菌体的培养，这种重复的测量过程就会变得费时费力，且频繁打断当前正在运行的培养设备。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种用于摇瓶培养的非侵入式生物量在线检测装置，运用浊度测量的方法，采用后向散射光测量技术实现摇瓶培养菌液浓度的在线检测，可在不打断培养设备的情况下，对摇瓶内生物悬浊液的浓度进行检测，其构造简单、成本低，可有效提高检测效率和精度，避免样品污染。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于摇瓶培养的非侵入式生物量在线检测装置，包括主控单元、可容纳生物悬浊液的摇瓶和罩在所述摇瓶外侧的固定套，所述固定套在摇瓶的底部外侧连接有检测探头，所述检测探头包括可与摇瓶底部贴合的基板以及设在所述基板上的光源、光电传感器和加速度传感器，所述光源可产生倾斜射入摇瓶内的光路，所述光电传感器位于所述光路的下方以测量所述光路照射在生物悬浊液后产生的散射光，所述光源、光电传感器和加速度传感器均与所述主控单元连接。
进一步作为本发明技术方案的改进，所述主控单元包括电路板、与所述电路板连接的单片机和与所述单片机连接的PC终端，所述光源、光电传感器和加速度传感器均通过线路与电路板相连。
进一步作为本发明技术方案的改进，所述基板上设有供所述光源嵌入的第一插孔和供光电传感器嵌入的第二插孔，所述第一插孔倾斜于摇瓶瓶底设置，第二插孔垂直于摇瓶瓶底设置，所述第一插孔和第二插孔间夹角为30°-60°。
进一步作为本发明技术方案的改进，所述基板上在光源和光电传感器间设有挡光块，所述挡光块的顶部与摇瓶底部紧密接触。
进一步作为本发明技术方案的改进，所述固定套的侧面开设开口，开口上设有拉链，固定套在拉链拉合后在内部形成可与所述摇瓶外壁贴合的内锥面。
进一步作为本发明技术方案的改进，所述固定套在摇瓶瓶口的上方和/或侧方设有通风口。
进一步作为本发明技术方案的改进，所述固定套上设有可封闭所述通风口的遮盖。
进一步作为本发明技术方案的改进，所述光源为激光二极管，所述激光二极管的前端设有准直透镜，所述光电传感器为两个集成运放的光电二极管，两个光电二极管均位于光路的正下方分别接收不同距离的散射光，在两个光电二极管的受光面上设有滤光片。
本发明的有益效果：本发明工作时，在摇瓶内加入需要培养的生物悬浊液后，启动摇床，主控单元通过加速度传感器推算出摇瓶及其内生物悬浊液的运动状态，即摇瓶在某一时刻所处摇床运动轨迹的位置。当摇瓶运动到最佳测量角度时，打开光源，主控单元读取光电传感器所测得散射光强信号，经I/V转换，放大滤波后得到该次测量的测量值，本发明运用浊度测量的方法，采用后向散射光测量技术实现摇瓶培养菌液浓度的在线检测，可在不打断培养设备的情况下，对摇瓶内生物悬浊液的浓度进行检测，其构造简单、成本低，可有效提高检测效率和精度，避免样品污染。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明原理结构示意图；
图2是图1中A-A处剖视图；
图3是固定套结构示意图。
具体实施方式
参照图1至图3，其显示出了本发明之较佳实施例的具体结构。以下将详细说明本发明各元件的结构特点，而如果有描述到方向(上、下、左、右、前及后)时，是以图1所示的结构为参考描述，但本发明的实际使用方向并不局限于此。
本发明提供了一种用于摇瓶培养的非侵入式生物量在线检测装置，包括主控单元、可容纳生物悬浊液11的摇瓶1和罩在所述摇瓶1外侧的固定套2，所述固定套2在摇瓶1的底部外侧连接有检测探头3，所述检测探头3包括可与摇瓶1底部贴合的基板31以及设在所述基板31上的光源32、光电传感器33和加速度传感器34，加速度传感器34为三轴加速度传感器，多个检测探头3同时运行时，可仅一个检测探头3集成加速度传感器34作为运动检测，其余则不集成加速度传感器34，以降低成本。所述光源32可产生倾斜射入摇瓶1内的光路，光源32发光角度应尽可能小，优选为±4°，所述光电传感器33位于所述光路的下方以测量所述光路照射在生物悬浊液11后产生的散射光，光电传感器33灵敏度和波长响应范围与光源32相匹配，所述光源32、光电传感器33和加速度传感器34均与所述主控单元连接。所述主控单元包括电路板41、与所述电路板41连接的单片机42和与所述单片机42连接的PC终端43，所述电路板41由光源驱动电路、信号处理电路以及电源电路组成，所述光源32、光电传感器33和加速度传感器34均通过线路与电路板41相连。所述单片机42为Arduino单片机，单片机42可独立进行数据采集、处理、保存及显示，也可以通过串口将数据实时上传到安装有数据分析和绘图软件的PC终端43，用于数据存储和实时显示。
所述基板31上设有供所述光源32嵌入的第一插孔和供光电传感器33嵌入的第二插孔，所述第一插孔倾斜于摇瓶1瓶底设置，第二插孔垂直于摇瓶1瓶底设置，所述第一插孔和第二插孔间夹角为30°-60°，即光电传感器33测量后向120°-150°散射光，以减小液面反射、环境光噪声的影响，提高在极端测量条件下（小液量低转速或小液量高转速）的测量精度。本实施例中，光源32与光电传感器33的夹角优选为45°，光电传感器33接收后向135°散射光。
由于摇瓶1底部带有一定的弧度，故基板31和摇瓶1的接触面通常为“圆环”，光源32位于接触面“圆环”的内侧，光电传感器33位于“圆环”外侧，在摇瓶1底面和锥面的过渡圆弧处接收散射光。所述基板31上在光源32和光电传感器33间设有挡光块35，挡光块35采用不透光软材料制成，所述挡光块35的顶部与摇瓶1底部紧密接触，避免光线直接照射在光电传感器33上。
所述固定套2可以消除环境光的影响，同时固定摇瓶1，以保证在运动状态下摇瓶1与检测探头3之间的稳定。所述固定套2的侧面开设开口，开口上设有拉链21，固定套2在拉链21拉合后在内部形成可与所述摇瓶1外壁贴合的内锥面。所述固定套2在摇瓶1瓶口的上方和/或侧方设有通风口22。所述固定套2上设有可封闭所述通风口22的遮盖，以防止杂物及液体直接通过顶部通风口22进入摇瓶1。
所述光源32为激光二极管，所述激光二极管的前端设有准直透镜，并安装温度补偿模块，所述光电传感器33为两个集成运放的光电二极管，两个光电二极管均位于光路的正下方分别接收不同距离的散射光，在两个光电二极管的受光面上设有滤光片。
本发明提供的一种用于摇瓶培养的非侵入式生物量在线检测装置的原理如下：
首先，将本装置的检测探头3固定在摇床上。在摇床启动前，对加速度传感器34进行静态校正和补偿，并将补偿数据存入单片机42中。在摇瓶1内加入需要培养的生物悬浊液11后，将其放置在固定套2中，拉紧拉链21并固定。启动摇床，摇床运动轨迹为圆形，单片机42通过快速读取加速度传感器34在水平X,Y两个方向加速度的矢量值并通过反三角或反正切函数推算出摇瓶1及其内生物悬浊液11的运动状态，即摇瓶1在某一时刻所处摇床运动轨迹的位置。当摇瓶1运动到最佳测量角度时，打开光源32，单片机42通过其AD转换模块快速读取光电传感器33所测得散射光强信号，经电流/电压（I/V）转换，放大滤波后得到该次测量的测量值，并将该次测量值保存和显示，同时通过串口通信将测量数据上传到PC终端43进行绘图和显示。随着培养的不断进行，生物悬浊液11的浓度逐渐变大，使得光电传感器33所测得的散射光信号不断增强，通过对应生物悬浊液11的测量矫正模型便可推算出当前瓶内液体的浓度。
本实施例以离线光密度（OD）值作为在线测量值的对照参考，对相应菌液建立不同的矫正模型。所述离线光密度为分光光度计在特定波长测得的液体的吸光度的值。同时，可对测量值采用移动平均滤波处理，以平滑测量曲线，降低测量噪声。
当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (8)
1.一种用于摇瓶培养的非侵入式生物量在线检测装置，其特征在于：包括主控单元、可容纳生物悬浊液的摇瓶和罩在所述摇瓶外侧的固定套，所述固定套在摇瓶的底部外侧连接有检测探头，所述检测探头包括可与摇瓶底部贴合的基板以及设在所述基板上的光源、光电传感器和加速度传感器，所述光源可产生倾斜射入摇瓶内的光路，所述光电传感器位于所述光路的下方以测量所述光路照射在生物悬浊液后产生的散射光，所述光源、光电传感器和加速度传感器均与所述主控单元连接。
2.根据权利要求1所述的用于摇瓶培养的非侵入式生物量在线检测装置，其特征在于：所述主控单元包括电路板、与所述电路板连接的单片机和与所述单片机连接的PC终端，所述光源、光电传感器和加速度传感器均通过线路与电路板相连。
3.根据权利要求1所述的用于摇瓶培养的非侵入式生物量在线检测装置，其特征在于：所述基板上设有供所述光源嵌入的第一插孔和供光电传感器嵌入的第二插孔，所述第一插孔倾斜于摇瓶瓶底设置，第二插孔垂直于摇瓶瓶底设置，所述第一插孔和第二插孔间夹角为30°-60°。
4.根据权利要求1所述的用于摇瓶培养的非侵入式生物量在线检测装置，其特征在于：所述基板上在光源和光电传感器间设有挡光块，所述挡光块的顶部与摇瓶底部紧密接触。
5.根据权利要求1所述的用于摇瓶培养的非侵入式生物量在线检测装置，其特征在于：所述固定套的侧面开设开口，开口上设有拉链，固定套在拉链拉合后在内部形成可与所述摇瓶外壁贴合的内锥面。
6.根据权利要求5所述的用于摇瓶培养的非侵入式生物量在线检测装置，其特征在于：所述固定套在摇瓶瓶口的上方和/或侧方设有通风口。
7.根据权利要求6所述的用于摇瓶培养的非侵入式生物量在线检测装置，其特征在于：所述固定套上设有可封闭所述通风口的遮盖。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的用于摇瓶培养的非侵入式生物量在线检测装置，其特征在于：所述光源为激光二极管，所述激光二极管的前端设有准直透镜，所述光电传感器为两个集成运放的光电二极管，两个光电二极管均位于光路的正下方分别接收不同距离的散射光，在两个光电二极管的受光面上设有滤光片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20151111 |