CN105132285A - 矩阵式水套培养箱及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矩阵式水套培养箱，包括m组培养箱，每组培养箱包括n个并联的子培养箱，组成m*n矩阵式箱体群，所述m、n均为不小于2的整数；子培养箱内均设置有检测培养环境的检测装置，每组培养箱均与供气系统和温度可控的供水系统连接，检测装置、供气系统以及供水系统均与控制器连接，控制器根据检测装置反馈的信号自动调节每组培养箱的培养环境。本发明中，控制器根据检测装置反馈的信号独立、自动调节每组培养箱的培养环境，可以实现多个子培养箱无限拼接，集中对每组培养箱单独供水供气并控制培养环境，实现细胞的高效率培养。本发明还提供一种矩阵式水套培养箱的控制方法，通过该方法独立调节每组培养箱的培养环境。

Description

矩阵式水套培养箱及其控制方法

技术领域

本发明涉及实验设备技术领域，具体涉及一种矩阵式水套培养箱及其控制方法。

背景技术

二氧化碳培养箱是通过在培养箱箱体内模拟形成一个类似细胞/组织在生物体内的生长环境，如稳定的温度(37℃)、稳定的CO₂浓度(5％)、恒定的酸碱度(pH值：7.2-7.4)、较高的相对饱和湿度(95％)，来对细胞/组织进行体外培养的一种装置。因此要求箱内的温度、湿度等参数尽可能保持恒定值，以免影响细胞的生长。三气培养箱是在二氧化碳培养箱的基础上进一步改进后形成的新产品，其原理同二氧化碳培养箱一样，区别在于三气培养箱不仅可加入二氧化碳，还可加入氮气和氧气，并由电脑控制和调节各种气体的含量。

水套式二氧化碳培养箱是通过一个独立的热水间隔间包围内部的箱体来维持温度恒定。热水通过自然对流在箱体内循环流动，热量传递到箱体内部从而保持温度的恒定。对于水套式二氧化碳培养箱，当遇到断电的时候，水套式系统能长时间保持培养箱内温度的准确性和稳定性。

中国专利文献CN2335972Y公开了一种新型水套式CO₂细胞培养箱，其箱体顶部做成台阶状水套，电机装在水套外面，电机轴和传感器导线与箱内的风轮和传感器连接，风轮附近还装有空气加热器，由门开关控制启动，传感器采用超声波换能器，并与控制电路连接，控制电路输出端与显示面板表、气阀开关连接。该培养箱不受环境温度影响、调整容易、电路简单、检测控制精度高、使用寿命长。但是此培养箱对于规模化细胞的培养效率较低，而且操作繁杂，浪费人力和时间。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种矩阵式水套培养箱，可实现独立控制每组培养箱内的培养环境，使每组培养箱中的所有子培养箱的培养环境保持一致。

本发明的另一个目的在于提供一种矩阵式水套培养箱的控制方法，通过该控制方法可实现集中控制矩阵式水套培养箱，提高培养效率。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种矩阵式水套培养箱，包括m组培养箱，每组培养箱包括n个并联的子培养箱，组成m*n矩阵式箱体群，所述m、n均为不小于2的整数；

每个所述子培养箱内均设置有检测培养环境的检测装置，每组所述培养箱均与供气系统和温度可控的供水系统连接，所述检测装置、所述供气系统以及所述供水系统均与控制器连接，所述控制器根据所述检测装置反馈的信号自动调节每组所述培养箱的培养环境。

具体地，每组所述培养箱内的所有所述子培养箱均与同一组所述供气系统和所述供水系统连接。

具体地，所述子培养箱为水套培养箱，所述子培养箱的水套的进水口通过进水管与所述供水系统连接，所述子培养箱的水套的出水口通过出水管与所述供水系统连接，所述进水管设置有水泵和水阀。

具体地，所述供水系统包括采用PID控温的智能电热恒温水箱。

具体地，所述供气系统包括CO₂气瓶和N₂气瓶，所述CO₂气瓶、所述N₂气瓶分别通过气路与所述子培养箱连接，所述气路中设置有气泵和气阀。

具体地，所述检测装置设置于所述子培养箱的箱体顶部，所述检测装置包括检测所述子培养箱内温度的温度传感器，所述温度传感器与所述控制器连接。

具体地，所述子培养箱的箱体底部设置有湿度水盘，所述检测装置还包括检测所述子培养箱内湿度的湿度传感器，所述湿度传感器与所述控制器连接。

具体地，所述检测装置还包括检测所述子培养箱内CO₂、O₂、N₂浓度的气体传感器，所述气体传感器与所述控制器连接。

具体地，所述子培养箱内并位于箱体的顶部设置有风扇，所述风扇与所述控制器连接。

具体地，所述矩阵式箱体群的内部还设置有指示灯，用以观察箱体群内各组培养箱的工作状态。

本发明还提供一种矩阵式水套培养箱的控制方法，使用上述矩阵式水套培养箱，包括以下步骤：

S100、关闭子培养箱的箱门后，设定每组培养箱的温度、湿度及CO₂、O₂、N₂的浓度值；

S200、检测装置对每组培养箱内的培养环境进行检测，控制器根据检测值和设定值之间的差异自动控制供水系统、供气系统的工作状态；

优选地，矩阵式水套培养箱至少包括第一组培养箱、第二组培养箱，第一组培养箱、第二组培养箱分别包括三个相互并联的第一子培养箱、第二子培养箱，相应地，控制器包含与所述第一子培养箱对应的第一子检测模块、第一子控制模块，与所述第二子培养箱对应的第二子检测模块、第二子控制模块；所述S200包含检测、控制第一组培养箱内的检测环境的步骤S200′，以及检测、控制第二组培养箱内的检测环境的S200″，所述S200′包含以下步骤：

S210′、所述第一子控制模块控制打开第一组培养箱的N₂气瓶的气阀以及气泵，分别往第一子培养箱内通入N₂，第一子检测模块检测到第一子培养箱内的N₂、O₂浓度达到设定值时，第一子控制模块控制关闭第一子培养箱的N₂气瓶的气阀以及气泵，同时打开第一组培养箱的CO₂气瓶的气阀及气泵，第一子检测模块检测到CO₂的浓度达到设定值时，第一子控制模块控制关闭第一组培养箱的CO₂气瓶的气阀及气泵；

S220′、第一子检测模块检测到第一子培养箱内的温度低于设定值时，第一子控制模块控制打开与第一组培养箱连接的水阀、水泵以及供水系统的加热开关，使子培养箱内的温度精确升温至设定值；

S230′、第一子检测模块检测到第一子培养箱内的湿度低于设定值时，第一控制模块控制提高风扇转速，使第一子培养箱内的湿度达到设定值；

其中，所述S200″包含步骤S210″、步骤S220″、步骤S230″，所述步骤S210″、步骤S220″、步骤S230″分别与所述步骤S210′、步骤S220′、步骤S230′相同，所述步骤S200′与所述步骤S200″相互独立。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提供的矩阵式水套培养箱，检测装置、供气系统以及供水系统均与控制器连接，控制器根据检测装置反馈的信号独立、自动调节每组培养箱的培养环境，可以实现多个子培养箱无限拼接，集中对每组培养箱单独供水供气并进行控制，实现细胞的高效率培养。本发明的矩阵式水套培养箱中，子培养箱体积小，每个子培养箱仅放置一个人的细胞，避免了一个培养箱中放置多个人的细胞时细胞之间相互污染，保证了多个人的细胞培养环境的一致性。本发明还提供一种矩阵式水套培养箱的控制方法，通过该方法独立调节每组培养箱的培养环境。

附图说明

图1为本发明一实施例所述的矩阵式水套培养箱的示意图。

图2是本发明另一实施例所述的矩阵式水套培养箱的示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。

于本发明的实施例中，矩阵式水套培养箱包括m组培养箱，每组培养箱包括n个并联的子培养箱，组成m*n矩阵式箱体群，所述m、n均为不小于2的整数；每个子培养箱内均设置有检测培养环境的检测装置，每组培养箱均与供气系统和温度可控的供水系统连接，检测装置、供气系统以及供水系统均与控制器连接，控制器根据检测装置反馈的信号自动调节每组培养箱的培养环境。其中，“检测装置反馈的信号”即培养箱内的培养环境的检测值。如图1所示，矩阵式水套培养箱包括4组培养箱，每组培养箱包括3个并联的子培养箱，组成4*3矩阵式箱体群，每组培养箱均配有单独的供水系统与供气系统。在每组培养箱中的每个子培养箱的箱体内均设置有检测装置，用以检测培养箱内的培养环境，检测装置将检测值反馈给控制器之后，控制器根据该检测值与培养环境的设定值之间的差异自动调节每组培养箱的培养环境。本实施例中，每组培养箱中的每个子培养箱的培养环境完全一致，检测装置结合控制器可以为每组培养箱实现独立供水供气。当然，本实施例中的矩阵式箱体群不限于4*3矩阵，可以根据实际需要进行增减，例如2*2矩阵、2*3矩阵、3*2矩阵、3*3矩阵、3*4矩阵、4*4矩阵、4*5矩阵、5*4矩阵等等，可以实现多个子培养箱无限拼接，集中对每组培养箱单独供水供气并进行控制，实现细胞的高效率培养。

本实施例的矩阵式水套培养箱可扩展性强，多个子培养箱无限拼接的同时，可以根据培养箱的组数对控制器里的子控制模块和子检测模块进行相应地扩展，使矩阵式水套培养箱的矩阵扩展之后仍然能采用控制器进行独立自动控制每组培养箱，以满足用户不断发展的需求。

传统的培养箱体积大，用于细胞培养时，一个培养箱中放置多个人的细胞，细胞之间容易污染；本实施例中的子培养箱与常规的水套式三气培养箱的结构以及工作原理相似，区别在于子培养箱的体积比常规的培养箱小很多，用于细胞培养时，一个子培养箱只放置一个人的细胞，由于采用了矩阵式水套培养箱，每组培养箱的各个子培养箱中可以培养不同人的细胞，但是各个子培养箱的培养环境完全相同，这就排除了培养环境的差异对细胞培养的影响，而且还避免了不同人的细胞相互污染。本实施例中的矩阵式水套培养箱不限于培养人的细胞，也可以用来培养动物细胞或者植物细胞。

本实施例中，每组培养箱内的所有子培养箱均与同一组供气系统和供水系统连接，以保证子培养箱的培养环境的一致性。

上述子培养箱为水套培养箱，子培养箱的水套的进水口通过进水管与供水系统连接，子培养箱的水套的出水口通过出水管与所述供水系统连接，进水管设置有水泵和水阀。本实施例的水套培养箱即在子培养箱的内表面设置水套夹层，水由供水系统经进水管注入水套夹层之后，又经出水管流入供水系统，形成水循环，节约了大量用水，降低了能耗。作为进一步的实施方案，还可以在水套夹层内设置导流板，水进入水套夹层之后通过导流板快速布满整个夹层，并通过出水管回流至供水系统，进一步降低了能耗。

上述实施例中的供水系统包括采用PID控温的智能电热恒温水箱，子培养箱的水套的进水口通过进水管与智能电热恒温水箱连接，子培养箱的水套的出水口通过出水管与智能电热恒温水箱连接。本实施例的智能电热恒温水箱的保温性能良好，采用微电脑程序PID自动控温，并通过LCD或LED显示温度，智能电热恒温水箱先通过水箱内的电阻丝快速加热至设定的温度值附近，然后通过微电脑程序PID精确升至设定的温度，具有温度均匀性好、控温精度高、安全保护等优点。智能电热恒温水箱与水循环相结合，保证子培养箱温度恒定的同时可以节约大量用水。

本实施例中，每组培养箱配有一个智能电热恒温水箱，进水管分为进水总管与进水支管，智能电热恒温水箱内的水经进水总管流入各个进水支管，在进水总管上设置有水阀，通过手动控制水阀的开度来调节水的流量；当然，本实施例的水阀还可以采用气动调节阀，气动调节阀、水泵均与控制器连接，通过控制器可以实现自动调节水的流量，本实施例还可以在各个进水支管设置水阀，作为备用。

上述实施例中的供气系统包括CO₂气瓶和N₂气瓶，CO₂气瓶、N₂气瓶分别通过气路与子培养箱连接，气路中设置有气泵和气阀。如图1所示，每组培养箱中，CO₂气瓶和N₂气瓶通过并联的方式与各个子培养箱连接，即CO₂气瓶和N₂气瓶分别通过一条第一支气路与主气路连接，第一支气路再通过第二支气路与子培养箱连接，第一支气路中设置有气阀，主气路中设置有气泵，通过气泵将相应的气体输入至子培养箱内，当然，本实施例也可以在第二支气路中设置气阀，以作为备用。本实施例中的气阀、气泵与控制器连接后，各个子培养箱所需的各种气体的含量通过控制器与检测装置的结合可以实现自动控制。

具体地，本实施例中的检测装置设置于子培养箱的箱体顶部，用以检测子培养箱内的培养环境，培养环境包括温度、湿度以及CO₂、O₂、N₂浓度；与培养环境相对应地，检测装置包括检测培养箱内温度的温度传感器，温度传感器与控制器连接，控制器通过设定的温度值与温度传感器检测的温度值之间的差自动调节智能电热恒温水箱的升温程序，使培养箱内的温度精确升温至设定值。

具体地，本实施例中的子培养箱的箱体顶部设置有风扇，风扇与控制器连接，控制器可以调节风速，通过风速的调节可以使子培养箱内各个角落的培养环境保持一致。

具体地，子培养箱的箱体底部设置有湿度水盘，通过湿度水盘为子培养箱提供适宜的湿度环境；对应地，检测装置还包括检测子培养箱内湿度的湿度传感器，湿度传感器与控制器连接，通过设定的湿度值与湿度传感器检测的湿度值之间的差，控制器自动调节风扇的转速，当湿度低于设定值时，控制器控制风扇转速提高，直至湿度传感器检测的湿度值达到设定值；反之，当湿度高于设定值时，控制器控制风扇转速降低，直至湿度传感器检测的湿度值达到设定值。

由于处于工作状态的培养箱内含有CO₂、O₂、N₂气体，对应地，检测装置还包括检测子培养箱内CO₂、O₂、N₂浓度的气体传感器，气体传感器与控制器连接。本实施例中的子培养箱还设有气体排出口，气体排出口设置在子培养箱靠近箱体底部的位置。通常情况下，子培养箱中的O₂浓度高于设定值，而N₂的分子量小于O₂的分子量，因此需要先通入N₂将子培养箱中的部分O₂通过气体排出口排出，当O₂浓度降低至设定值时，关闭气体排出口。

本实施例的控制器为电容式触控屏，用以显示和调节每组培养箱的温度、湿度及CO₂、O₂、N₂浓度。本实施例矩阵式水套培养箱还可以通过网络与电脑连接，通过电脑软件或者手机APP查看、管理，使观察操作更加方便简单，可以实现远程控制。

上述矩阵式箱体群的内部还可以设置指示灯，用以观察箱体群内各组培养箱的工作状态。

图2是本发明的另一种实施例的矩阵式水套培养箱的示意图。如图2所示，本实施例的矩阵式水套培养箱除了供气系统之外，其他均与上述实施例相同。本实施例中，所有子培养箱共用一个供气系统，N₂气瓶与CO₂气瓶分别通过一个主气路将气体输出，主气路中设置有气阀，然后分别通过第一支气路将气体输入每组培养箱，最后通过第二支气路将第一支气路中的气体输入该组培养箱中的各个子培养箱，在第一支气路中设置有气泵，第二支气路中设置有气阀。通过单独控制每组培养箱中的气泵与气阀，实现独立控制每组培养箱内的CO₂、O₂、N₂浓度。

于本发明的另一实施例中，提供了一种矩阵式水套培养箱的控制方法，其采用了上述矩阵式水套培养箱，包括以下步骤：

S100、关闭子培养箱的箱门后，设定每组培养箱的温度、湿度及CO₂、O₂、N₂的浓度值；

S200、检测装置对每组培养箱内的培养环境进行检测，控制器根据检测值和设定值之间的差异自动控制供水系统、供气系统的工作状态。

作为优选的实施方案，矩阵式水套培养箱至少包括第一组培养箱、第二组培养箱，第一组培养箱、第二组培养箱分别包括三个相互并联的第一子培养箱、第二子培养箱，相应地，控制器包含与第一子培养箱对应的第一子检测模块、第一子控制模块，与第二子培养箱对应的第二子检测模块、第二子控制模块；S200包含检测、控制第一组培养箱内的检测环境的步骤S200′，以及检测控制第二组培养箱内的检测环境的S200″，所述S200′包含以下步骤：

S210′、所述第一子控制模块控制打开第一组培养箱的N₂气瓶的气阀以及气泵，分别往第一子培养箱内通入N₂，第一子检测模块检测到第一子培养箱内的N₂、O₂浓度达到设定值时，第一子控制模块控制关闭第一子培养箱的N₂气瓶的气阀以及气泵，同时打开第一组培养箱的CO₂气瓶的气阀及气泵，第一子检测模块检测到CO₂的浓度达到设定值时，第一子控制模块控制关闭第一组培养箱的CO₂气瓶的气阀及气泵；

S220′、第一子检测模块检测到第一子培养箱内的温度低于设定值时，第一子控制模块控制打开与第一组培养箱连接的水阀、水泵以及供水系统的加热开关，使子培养箱内的温度精确升温至设定值；

S230′、第一子检测模块检测到第一子培养箱内的湿度低于设定值时，第一控制模块控制提高风扇转速，使第一子培养箱内的湿度达到设定值；

其中，S200″包含步骤S210″、S220″、S230″，步骤S210″、S220″、S230″分别与上述S210′、S220′、S230′相同，步骤S200′与S200″相互独立。

本实施例中的矩阵式水套培养箱不限于两组培养箱，可以根据需求设置更多组培养箱，例如再设置第三组培养箱、第四组培养箱、第五组培养箱等，相应地，控制器包含第三子检测模块、第三子控制模块，第四子检测模块、第四子控制模块，第五子检测模块、第五子控制模块等，控制器中的子检测模块与子控制模块的数量根据培养箱的组数进行相应地扩展，每组培养箱的控制方法均相同但相互独立；同样，每组培养箱中的子培养箱也不限于三个，可以根据需求设置更多个子培养箱，例如四个子培养箱、五个子培养箱、六个子培养箱等。

上述实施例的控制方法中采用的矩阵式水套培养为图1所示的矩阵式水套培养箱，图2所示的矩阵式水套培养箱的控制方法中，矩阵式水套培养箱工作时，与气瓶直接连接的气阀始终处于打开的状态，其他步骤均与上述实施例类似，在此不再赘述。

上述实施例中的矩阵式水套培养箱还可以配合智能机械手，实现全机械化自动控制，可以实现大规模细胞培养，进一步提高培养效率。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种矩阵式水套培养箱，其特征在于，包括m组培养箱，每组培养箱包括n个并联的子培养箱，组成m*n矩阵式箱体群，所述m、n均为不小于2的整数；

每个所述子培养箱内均设置有检测培养环境的检测装置，每组所述培养箱均与供气系统和温度可控的供水系统连接，所述检测装置、所述供气系统以及所述供水系统均与控制器连接，所述控制器根据所述检测装置反馈的信号自动调节每组所述培养箱的培养环境。

2.根据权利要求1所述的矩阵式水套培养箱，其特征在于，每组所述培养箱内的所有所述子培养箱均与同一组所述供气系统和所述供水系统连接。

3.根据权利要求2所述的矩阵式水套培养箱，其特征在于，所述子培养箱为水套培养箱，所述子培养箱的水套的进水口通过进水管与所述供水系统连接，所述子培养箱的水套的出水口通过出水管与所述供水系统连接，所述进水管设置有水泵和水阀。

4.根据权利要求3所述的矩阵式水套培养箱，其特征在于，所述供水系统包括采用PID控温的智能电热恒温水箱。

5.根据权利要求2所述的矩阵式水套培养箱，其特征在于，所述供气系统包括CO₂气瓶和N₂气瓶，所述CO₂气瓶、所述N₂气瓶分别通过气路与所述子培养箱连接，所述气路中设置有气泵和气阀。

6.根据权利要求2所述的矩阵式水套培养箱，其特征在于，所述检测装置设置于所述子培养箱的箱体顶部，所述检测装置包括检测所述子培养箱内温度的温度传感器，所述温度传感器与所述控制器连接。

7.根据权利要求6所述的矩阵式水套培养箱，其特征在于，所述子培养箱的箱体底部设置有湿度水盘，所述检测装置还包括检测所述子培养箱内湿度的湿度传感器，所述湿度传感器与所述控制器连接。

8.根据权利要求6所述的矩阵式水套培养箱，其特征在于，所述检测装置还包括检测所述子培养箱内CO₂、O₂、N₂浓度的气体传感器，所述气体传感器与所述控制器连接。

9.根据权利要求1至8任一项所述的矩阵式水套培养箱，其特征在于，所述子培养箱内并位于箱体的顶部设置有风扇，所述风扇与所述控制器连接。

10.一种矩阵式水套培养箱的控制方法，使用如权利要求1至9任一项所述的矩阵式水套培养箱，其特征在于，包括以下步骤：

S100、关闭子培养箱的箱门后，设定每组培养箱的温度、湿度及CO₂、O₂、N₂的浓度值；

S200、检测装置对每组培养箱内的培养环境进行检测，控制器根据检测值和设定值之间的差异自动控制供水系统、供气系统的工作状态；

优选地，矩阵式水套培养箱至少包括第一组培养箱、第二组培养箱，第一组培养箱、第二组培养箱分别包括三个相互并联的第一子培养箱、第二子培养箱，相应地，控制器包含与所述第一子培养箱对应的第一子检测模块、第一子控制模块，与所述第二子培养箱对应的第二子检测模块、第二子控制模块；所述S200包含检测、控制第一组培养箱内的检测环境的步骤S200′，以及检测、控制第二组培养箱内的检测环境的S200″，所述S200′包含以下步骤：

S210′、所述第一子控制模块控制打开第一组培养箱的N₂气瓶的气阀以及气泵，分别往第一子培养箱内通入N₂，第一子检测模块检测到第一子培养箱内的N₂、O₂浓度达到设定值时，第一子控制模块控制关闭第一子培养箱的N₂气瓶的气阀以及气泵，同时打开第一组培养箱的CO₂气瓶的气阀及气泵，第一子检测模块检测到CO₂的浓度达到设定值时，第一子控制模块控制关闭第一组培养箱的CO₂气瓶的气阀及气泵；

S220′、第一子检测模块检测到第一子培养箱内的温度低于设定值时，第一子控制模块控制打开与第一组培养箱连接的水阀、水泵以及供水系统的加热开关，使子培养箱内的温度精确升温至设定值；

S230′、第一子检测模块检测到第一子培养箱内的湿度低于设定值时，第一控制模块控制提高风扇转速，使第一子培养箱内的湿度达到设定值；

其中，所述S200″包含步骤S210″、步骤S220″、步骤S230″，所述步骤S210″、步骤S220″、步骤S230″分别与所述步骤S210′、步骤S220′、步骤S230′相同，所述步骤S200′与所述步骤S200″相互独立。