CN105842178A - 一种细胞培养液酸碱度非侵入式在线检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种细胞培养液酸碱度非侵入式在线检测装置，包括：光程长调节单元，其调节光源和光电传感器之间的距离；温度信息采集单元，其测量细胞培养环境温度；样品存放单元，其具有至少一个待测样品仓和空仓；当所述待测样品仓处于测量位置时，所述光源和光电传感器被所述待测样品仓中的样品阻隔；当所述空仓处于测量位置时，所述光源和光电传感器直接连通；微处理单元，获取光电传感器检测的光强信号以及温度信息采集单元采集的环境温度，并进行细胞培养液酸碱度的计算。上述的在线检测装置及方法，具有不破坏样品、无污染、经济的优点；并且采用了可见/近红外光谱分析技术，检测速度快、可实时测量、精度高。

Description

一种细胞培养液酸碱度非侵入式在线检测装置和检测方法

技术领域

本发明涉及生物医学检测技术领域，涉及一种细胞培养过程中培养液酸碱度的非侵入式在线检测装置及方法。

背景技术

细胞培养是生物、医学研究和应用领域中广泛采用的技术。利用细胞培养开展体外试验，是一种阐释生命现象、发病机理、筛选药物、制备疫苗等的重要手段，是医药生物技术产业的重要部分。

细胞培养是指从体内组织取出细胞模拟体内生存环境，在无菌、适当温度及酸碱度和一定营养条件下，使其生长繁殖并维持结构和功能的一种培养技术。

在细胞培养过程中，细胞培养的环境和生长条件(如培养基、缓冲环境、气体环境、无菌无毒环境、恒温环境等)要求严格。细胞培养状态参数的检测，对于保证细胞培养过程中细胞的数量和质量非常重要。

目前，细胞培养液酸碱度的检测主要有三种方式：一种是依靠医技人员的人工观察，这种方式直观，但效率低，并且依赖于医技人员的经验，不能实时监测；另一种是依靠取样，采用离线方式测量酸碱度等，离线取样测定结果相对准确，但往往需要花费时间，且由于取样时间和次数的限制，也不能及时指导细胞培养有关参数的控制和细胞培养环境的优化；再一种是采用探针在线检测，该方法测定速度快，可采集细胞培养条件、代谢产物和目的产物浓度等数据，但与离线取样检测的方式类似，都属于侵入式的测量方法，容易造成污染，会影响细胞培养质量，增加费用。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题是提供一种细胞培养过程中培养液状态酸碱度的非侵入式在线检测装置及方法，无需特殊的样品处理过程，可以直接原位测定，具有不破坏样品、无污染、经济的优点；另外，本发明提供的细胞培养过程中培养液参数的非侵入式在线检测方法，采用了可见/近红外光谱分析技术，具有检测速度快、可实时测量、精度高的优点。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种细胞培养液酸碱度非侵入式在线检测装置，包括：

光程长调节单元，其调节光源和光电传感器之间的距离，使其达到待测培养液样品酸碱度检测标定实验中获得的最佳光程长的位置；

温度信息采集单元，其测量细胞培养环境温度；

样品存放单元，其具有至少一个待测样品仓和空仓；当所述待测样品仓处于测量位置时，所述光源和光电传感器被所述待测样品仓中的样品阻隔；当所述空仓处于测量位置时，所述光源和光电传感器直接连通；

微处理单元，其内部具有数据获取模块和计算模块，数据获取模块获取光电传感器检测的光强信号以及温度信息采集单元采集的环境温度，计算模块根据数据获取模块中的数据进行细胞培养液酸碱度的计算。

在一较佳实施例中：所述光程调节单元包括底座、支架；所述支架与底座滑动配合，从而沿着所述底座的长度方向靠近或远离所述光电传感器；所述支架面向所述光电传感器的一面，安装有所述光源。

在一较佳实施例中：所述光源为4个单色光源，每个单色光源的发射波长为λ₁＝420ˉ450nm，λ₂＝540～570nm，λ₃＝640～670nm，λ₄＝730～780nm。

在一较佳实施例中：所述样品存放单元包括驱动电机和与其转动连接的转台；所述转台设有与转台表面垂直的容置仓，该容置仓沿着转台径向方向为不封闭的面；当所述容置仓位于测量位置时，所述不封闭的面位于光源和光电传感器之间。

在一较佳实施例中：所述容置仓为6个，3个为所述待测样品仓，3个为所述空仓；且空仓和待测样品仓间隔分布。

本发明还提供了一种应用上述的装置进行细胞培养液酸碱度非侵入式在线检测的方法，包括以下步骤：

(1)根据待测细胞培养液样品，调节光程长调节单元，使得光源和光电传感器之间的距离达到待测培养液样品酸碱度检测标定实验中获得的最佳光程长的位置；

(2)在初始状态下，关闭光源；

(3)微处理单元的数据获取模块获取温度信息采集单元测量的细胞培养环境温度，记为V_Temp；

(4)样品存放单元将空仓转至测量位置；

(5)微处理单元的数据获取模块获取光电传感器采集的光强信号，记为V_Dark，并传至计算模块；

(6)光源中的单色光源依次打开，发出的光直接照射至光电传感器，微处理单元的数据获取模块依次获取每个单色光源打开时，光电传感器采集的光强信号，记为V_R1、V_R2、V_R3、V_R4；

(7)样品存放单元将待测样品仓转至测量位置；

(8)光源中的单色光源依次打开，发出的光透过待测细胞培养液样品照射至光电传感器，微处理单元的数据获取模块依次获取每个单色光源打开时，光电传感器采集的光强信号，记为V_M1、V_M2、V_M3、V_M4；

(9)根据待测细胞培养液样品及其对应的最佳光程长信息，微处理单元的计算模块根据以下公式计算细胞培养液样品的酸碱度：

$\begin{array}{c}{C}_{pH}=a_1\ln \left(\frac{V_{M1}-V_{Dark}}{V_{R1}-V_{Dark}}\right)+a_2\ln \left(\frac{V_{M2}-V_{Dark}}{V_{R2}-V_{Dark}}\right)+a_3\ln \left(\frac{V_{M3}-V_{Dark}}{V_{R3}-V_{Dark}}\right)\\ +a_4\ln \left(\frac{V_{M4}-V_{Dark}}{V_{R4}-V_{Dark}}\right)+a_5{V}_{Temp}+a_6\end{array}$

其中a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆为系数，该系数是通过不同规格的培养瓶、不同细胞培养液样品及其对应的最佳光程长条件下的标定实验来确定。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

(1)本发明采用可见/近红外光谱分析技术，能够实现细胞培养液酸碱度的快速、非侵入式测量，避免了取样离线测量或采用探针侵入式测量存在的样品污染问题；同时在线、连续测量的方式，可实时监测细胞培养液酸碱度、温度变化，及时调整细胞培养液营养成分和环境温度，提高了细胞培养的质量。

(2)本发明设计了光程长调节单元，根据不同的细胞培养液样品，通过光程长调节单元调整至其最佳的光程长的位置，选择该最佳光程长所对应的测量模型，即可对不同规格培养皿或不同培养液的细胞培养液酸碱度进行检测，简化了细胞培养液酸碱度检测装置的结构，操作简单；并且因为增加了不同光程长下的不同测量模型，通过最佳光程长对应的测量模型的选择，降低了光程长对测量结果的影响问题，可提高测量精度。

(3)本发明设计了温度信息采集单元，可获取培养环境温度信息，为细胞培养环境监测提供了参考；同时，将温度信息作为校正模型的一个输入，参与测量计算，通过该措施可消除测量过程中温度引入的误差，从而可提高检测精度。

附图说明

图1为本发明的细胞培养液酸碱度非侵入式在线检测装置的原理示意图；

图2为本发明的细胞培养液酸碱度非侵入式在线检测装置的结构示意图；

图3为本发明的细胞培养液酸碱度非侵入式在线检测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明的核心思想是：采用可见/近红外光谱分析技术，基于4波长光电检测信号的测量和计算，实现细胞培养液酸碱度的快速、非侵入式、在线测量；通过设计光程长调节单元，在测量前根据不同的细胞培养液样品，调节至其最佳的光程长的位置，并选用该最佳光程长所对应的测量模型，即可实现对不同规格培养皿或不同细胞培养液的样品的酸碱度进行检测，简化了装置结构，操作简单，测量中降低了光程长对测量结果的影响，可提高测量精度；设计了温度信息采集单元，在测量时提供了细胞培养环境温度信息，并将温度信息作为测量用的校正模型的一个输入，参与测量计算，消除了测量过程中温度引入的误差，可提高检测精度。

如图1所示，细胞培养液酸碱度非侵入式在线检测装置，包括光程长调节单元、温度信息采集单元、光电检测单元、微处理单元、人机接口单元和样品存放单元。

光程长调节单元，用于调节光源和光电传感器之间的距离，通过该单元调节到待测培养液样品酸碱度检测标定实验中获得的最佳光程长的位置，可提高待测培养液样品酸碱度的检测精度。所述最佳光程长，其范围在4ˉ10cm之间，超出该范围，则会导致测量结果误差变大。

所述光程调节单元包括底座11、支架12；所述支架12与底座11滑动配合，从而沿着所述底座11的长度方向靠近或远离所述光电传感器；所述支架12面向所述光电传感器的一面，安装有所述光源。

温度信息采集单元，包括测量细胞培养环境温度的温度传感器及第一A/D转换模块，温度传感器所测得的温度电信号经第一A/D转换模块转换为数字信号，传至微处理单元的数据获取模块。要求温度传感器的量程要包括30ˉ42℃范围，精度至少高于0.1℃。

光电检测单元，包括光源模块、光电传感器和第二A/D转换模块，光源模块用于提供必要的光照条件，以便光电传感器获取待测样品的光信号。光源模块主要是4个单色光源，可以是发光二极管或激光二极管，发射波长为λ₁＝420ˉ450nm，λ₂＝540～570nm，λ₃＝640～670nm，λ₄＝730～780nm；光电传感器接收由光源发射的入射光经细胞培养液后的出射光的光强信号，然后经第二A/D转换模块转换为数字信号，并传至微处理单元的数据获取模块。光电传感器可以是光电二极管、光电池或光电倍增管，可以实现400ˉ1000nm范围内光信号的检测。

进一步参考图2，所述样品存放单元包括驱动电机21和与其转动连接的转台22；所述转台22设有与转台表面垂直的容置仓23，该容置仓23沿着转台径向方向为不封闭的面24；当所述容置仓23位于测量位置时，所述不封闭的面24位于光源和光电传感器之间。本实施例中，所述容置仓23为6个，3个为所述待测样品仓，3个为所述空仓；且空仓和待测样品仓间隔分布。

微处理单元，用于实现检测过程中对光源的控制、样品仓的控制、数据获取、数据计算、数据存储、数据显示以及为装置提供电源等功能。包括控制模块、数据获取模块、计算模块、输入/输出接口模块、样品仓转台模块、电源模块。

控制模块，用于控制光源开闭，控制对温度传感器、光电传感器的数据获取，根据程序流程控制数据计算过程，控制样品仓转台模块的转动。

数据获取模块，在控制模块的驱动下，获取温度传感器经第一A/D转换模块的数字信号，获取来自光电传感器经第二A/D转换模块的数字信号，获取来自光程长调节单元的最佳光程长信息，并将这些信息传给计算模块。

计算模块，在控制模块的驱动下，读取数据获取模块存储或采集的测量数据，执行相应的数据计算，并将运算结果存储在内部存储器中，以供控制器调用输出。

输入/输出模块，用于通过该模块接收输入设备的控制信号、及外接显示设备来显示数据信号和输出测量结果数据。

样品仓转台模块，在控制模块的控制下，控制电机带动样品仓转台22转动，使各仓位的样品按流程依次到达测量位置，实现多个细胞培养样品的逐个测量。

电源模块，在控制模块控制下工作，为装置提供稳定的电压。

人机接口单元，包括按键模块和显示模块，显示模块包括LCD、LED数码管等，人机接口单元也可以是集按键和显示功能为一体的触摸屏。根据显示模块中的显示屏提示的测量操作指导，通过按键模块的按键输入相应的测量操作指令，并显示温度值、最佳光程长、以及微处理单元所输出的测量结果。

完成上述准备工作后，即可应用本发明装置对细胞培养液样品的酸碱度进行检测，图3为应用本发明的细胞培养液酸碱度非侵入式在线检测装置进行细胞培养液酸碱度、温度检测的过程示意图，如图3所示，该过程包括：

步骤1、打开电源。为系统各单元及其各功能模块供电。

步骤2、执行系统初始化操作。使系统进入工作状态，清除内存中的数据，为系统各模块赋初始状态值。

步骤3、手动移动支架12一以调节光程长至预设位置，并通过按键输入光程长信息。根据培养样品及培养瓶规格，通过光程长调节单元，手动调节光程长，通过人机接口单元的按键模块输入光程长信息，微处理单元的控制模块控制数据获取模块将光程长信息传至计算模块，并通过输入/输出接口模块，由人机接口单元显示在装置的显示屏上。

步骤4、在初始状态下，关闭光源，关闭样品仓盖。在装置运行测量的过程中使整个光电检测单元和样品仓始终保持密闭状态，以减少外界光线干扰对测量结果的影响。

步骤5、样品仓温度的检测。微处理单元控制模块控制数据获取模块采集由第一A/D转换模块得到的温度传感器的数字信号，记为V_Temp，传至计算模块，并通过输入/输出接口模块，由人机接口单元的显示模块将温度信息显示在装置的显示屏上。

步骤6、微处理单元的控制模块控制样品仓转台转至空样品仓位。

步骤7、背景光信号的检测。微处理单元控制模块控制数据获取模块采集由第二A/D转换模块得到的光电传感器的数字信号，记为V_Dark，并传至计算模块。

步骤8、参考光信号的检测。并控制4个单色光源轮流发光，直接照射光电传感器，测量所得的称为参考光。光电传感器将检测得到的光信号转化为电信号，经第二A/D转换模块后，分别得到4个波长对应的参考信号电压值的数字信号，记为V_R1、V_R2、V_R3、V_R4，数据获取模块采集V_R1、V_R2、V_R3、V_R4数据，并传至计算模块。

步骤9、微处理单元控制模块控制样品仓转台转至待测样品的样品仓位。

步骤10、测量光信号的检测。微处理单元的控制模块控制4个单色光源轮流发光，透过细胞培养样品的光照射到光电传感器上，测量所得的称为测量光。光电传感器将检测到的光信号转化成电信号，经第二A/D转换模块后，分别得到4个波长对应的测量信号电压值的数字信号，记为V_M1、V_M2、V_M3、V_M4，数据获取模块采集V_M1、V_M2、V_M3、V_M4数据，并传至计算模块。

步骤11、细胞培养液酸碱度的计算。根据输入的最佳光程长信息，选用对应的计算公式计算细胞培养液样品的酸碱度，微处理单元的计算模块根据以下公式计算细胞培养液样品的酸碱度：

$\begin{array}{c}{C}_{pH}=a_1\ln \left(\frac{V_{M1}-V_{Dark}}{V_{R1}-V_{Dark}}\right)+a_2\ln \left(\frac{V_{M2}-V_{Dark}}{V_{R2}-V_{Dark}}\right)+a_3\ln \left(\frac{V_{M3}-V_{Dark}}{V_{R3}-V_{Dark}}\right)\\ +a_4\ln \left(\frac{V_{M4}-V_{Dark}}{V_{R4}-V_{Dark}}\right)+a_5{V}_{Temp}+a_6\end{array}$

其中a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆为系数，该系数是通过不同规格培养瓶、不同细胞培养液样品及其对应的最佳光程长条件下的标定实验来确定。酸碱度的计算结果记为C_pH，通过输入/输出接口模块，该结果通过人机接口单元的显示模块显示在装置的显示屏上；

步骤12、判断所有样品是否测量。如果所有样品已测或者操作人员需要结束测量则整个检测过程结束，否则重复步骤5ˉ步骤11，测量下一个待测样品的酸碱度值，并在显示屏上显示相应的最佳光程长、温度、酸碱度信息，由此循环进行测量，直至测量结束。

本发明所述的光程长指的是光源到光电传感器的光路的长度，最佳光程长是通过大量的标定实验确定的，通过进行不同规格培养瓶、不同细胞培养样品在不同光程长下的标定实验，根据实验的精度结果。最终确定使用某规格培养瓶开展某种细胞培养时检测细胞培养液的最佳光程长。在本实施例中，温度24℃，采用1640液体培养基配置培养液模拟样品20个，样品装于15ml规格的培养瓶，利用0.1M氢氧化钠和0.1M稀盐酸标准溶液调节模拟样品的pH值，pH值范围在4ˉ10，其中配置的15个样品作为校正集，5个样品作为验证集。采用phs-3c型实验室用pH计测量的样品pH值作为参考值。通过实验结果分析该规格培养瓶装的培养液样品酸碱度测量的最佳光程长为5cm。采用本发明的装置和方法5个验证集培养液样品的参考值和预测值如表1所列，预测的均方根误差为0.34，相关系数为0.94。由于在本发明的检测方法中，其测量模型考虑了光程长及温度的影响，可提高装置的检测精度，另一方面采用基于4波长LED光源及光电传感器的检测方式可降低装置成本，便于实现仪器的小型化。

表1 验证集培养液样品的参考值和预测值

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种细胞培养液酸碱度非侵入式在线检测装置，其特征在于包括：

光程长调节单元，其调节光源和光电传感器之间的距离，使其达到待测培养液样品酸碱度检测标定实验中获得的最佳光程长的位置；

温度信息采集单元，其测量细胞培养环境温度；

样品存放单元，其具有至少一个待测样品仓和空仓；当所述待测样品仓处于测量位置时，所述光源和光电传感器被所述待测样品仓中的样品阻隔；当所述空仓处于测量位置时，所述光源和光电传感器直接连通；

微处理单元，其内部具有数据获取模块和计算模块，数据获取模块获取光电传感器检测的光强信号以及温度信息采集单元采集的环境温度，计算模块根据数据获取模块中的数据进行细胞培养液酸碱度的计算。

2.根据权利要求1所述的一种细胞培养液酸碱度非侵入式在线检测装置，其特征在于：所述光程调节单元包括底座、支架；所述支架与底座滑动配合，从而沿着所述底座的长度方向靠近或远离所述光电传感器；所述支架面向所述光电传感器的一面，安装有所述光源。

3.根据权利要求2所述的一种细胞培养液酸碱度非侵入式在线检测装置，其特征在于：所述光源为4个单色光源，每个单色光源的发射波长为λ₁＝420-450nm，λ₂＝540～570nm，λ₃＝640～670nm，λ₄＝730～780nm。

4.根据权利要求1所述的一种细胞培养液酸碱度非侵入式在线检测装置，其特征在于：所述样品存放单元包括驱动电机和与其转动连接的转台；所述转台设有与转台表面垂直的容置仓，该容置仓沿着转台径向方向为不封闭的面；当所述容置仓位于测量位置时，所述不封闭的面位于光源和光电传感器之间。

5.根据权利要求4所述的一种细胞培养液酸碱度非侵入式在线检测装置，其特征在于：所述容置仓为6个，3个为所述待测样品仓，3个为所述空仓；且空仓和待测样品仓间隔分布。

6.一种应用权利要求1-5中任一项所述的装置进行细胞培养液酸碱度非侵入式在线检测的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)根据待测细胞培养液样品，调节光程长调节单元，使得光源和光电传感器之间的距离达到待测培养液样品酸碱度检测标定实验中获得的最佳光程长的位置；

(2)在初始状态下，关闭光源；

(3)微处理单元的数据获取模块获取温度信息采集单元测量的细胞培养环境温度，记为V_Temp；

(4)样品存放单元将空仓转至测量位置；

(5)微处理单元的数据获取模块获取光电传感器采集的光强信号，记为V_Dark，并传至计算模块；

(6)光源中的单色光源依次打开，发出的光直接照射至光电传感器，微处理单元的数据获取模块依次获取每个单色光源打开时，光电传感器采集的光强信号，记为V_R1、V_R2、V_R3、V_R4；

(7)样品存放单元将待测样品仓转至测量位置；

(8)光源中的单色光源依次打开，发出的光透过待测细胞培养液样品照射至光电传感器，微处理单元的数据获取模块依次获取每个单色光源打开时，光电传感器采集的光强信号，记为V_M1、V_M2、V_M3、V_M4；

(9)根据待测细胞培养液样品及其对应的最佳光程长信息，微处理单元的计算模块根据以下公式计算细胞培养液样品的酸碱度：

$\begin{array}{c}{C}_{pH}=a_1\ln \left(\frac{V_{M1}-V_{Dark}}{V_{R1}-V_{Dark}}\right)+a_2\ln \left(\frac{V_{M2}-V_{Dark}}{V_{R2}-V_{Dark}}\right)+a_3\ln \left(\frac{V_{M3}-V_{Dark}}{V_{R3}-V_{Dark}}\right)\\ +a_4\ln \left(\frac{V_{M4}-V_{Dark}}{V_{R4}-V_{Dark}}\right)+a_5{V}_{Temp}+a_6\end{array}$

其中a₁、a₂、a₃、a₄、a₅、a₆为系数，该系数是通过不同规格的培养瓶、不同细胞培养液样品及其对应的最佳光程长条件下的标定实验来确定。