CN106010953A - 细胞发酵罐中细胞生长状态原位实时显微监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

细胞发酵罐中细胞生长状态原位实时显微监测装置及方法属于生物医学工程技术领域。现有技术观察结果存在时间偏差，还会造成培养液污染。本发明之装置为，光源通过照明俯仰转轴安装在左升降机构上，显微镜CCD通过摄像俯仰转轴安装在右升降机构上；光源与显微镜CCD同轴相向排列；照明俯仰转轴轴线与摄像俯仰转轴轴线平行且分别与光源光轴、显微镜CCD光轴相交并垂直；显微镜CCD与计算机连接。本发明之方法为，调整光源高度使其通过照明窗口照明培养液；调整显微镜CCD高度使其通过观察窗口摄录培养液内部影像；调整光源俯仰角和显微镜CCD俯仰角，使光源光轴与显微镜CCD光轴重合；显微镜CCD全程、实时摄录培养液影像并传送至计算机进行图像处理，再显示在显示屏上。

Description

细胞发酵罐中细胞生长状态原位实时显微监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种细胞发酵罐中细胞生长状态原位实时显微监测装置及方法，属于生物医学工程技术领域。

背景技术

细胞发酵罐是医药企业生产疫苗、重组蛋白药物、单抗等最常用也是必备的生物反应器，每家药厂均有大量细胞发酵罐用于培养细胞。细胞发酵罐罐壁上布设照明窗口、观察窗口及取样口，容积有30升、50升等不同规格，应容积规格的不同，照明窗口、观察窗口及取样口在罐壁上的高度也不同。近些年，据报道发生的疫苗致死事件时有发生，单克隆抗体、酶、疫苗等生物药物的质量问题受到各界的广泛关注。为了确保生物药物质量，需要对细胞培养过程进行全程实时观察，从而掌握细胞生长状态。除了自观察窗口借助照明窗口的照明粗略观察外，现有观测方法还要自取样口从细胞发酵罐中取出培养液样液，滴在载玻片上，用倒置显微镜目测细胞形态和数量，据此判断细胞生长状态是否正常。然而，该方法是在取出样品后再观察，并不是实时观察，由于细胞生长状态处在动态中，因此，观察结果与观察时细胞发酵罐内培养液中细胞生长状态有所不同；另外，该方法也不是原位观察，因此，在取出样品的过程中容易对细胞发酵罐中的培养液造成污染；再有，该方法频繁取样，成本较高，操作不便，设置取样口也使得细胞发酵罐结构复杂。

发明内容

为了实现细胞发酵罐内培养液中细胞生长状态的原位、实时检测，保证生物药物的质量，简化观察操作，简化细胞发酵罐结构，降低生产成本，我们发明了一种细胞发酵罐中细胞生长状态原位实时显微监测装置及方法。

本发明之细胞发酵罐中细胞生长状态原位实时显微监测装置其特征在于，光源通过照明俯仰转轴安装在左升降机构上，显微镜CCD通过摄像俯仰转轴安装在右升降机构上；光源光轴与显微镜CCD光轴重合，光源与显微镜CCD相向排列；照明俯仰转轴轴线与摄像俯仰转轴轴线平行且分别与光源光轴、显微镜CCD光轴相交并垂直；显微镜CCD与计算机连接。

本发明之细胞发酵罐中细胞生长状态原位实时显微监测方法其特征在于，调整光源在左升降机构上的高度位置，使光源能够通过照明窗口照明培养液；调整显微镜CCD在右升降机构的高度位置，使显微镜CCD能够通过观察窗口摄录培养液内部影像；调整光源俯仰角和显微镜CCD俯仰角，使光源光轴与显微镜CCD光轴重合；培养液液面低于照明窗口、高于观察窗口；显微镜CCD全程、实时摄录观察点培养液影像并传送至计算机，由计算机对所述影像进行图像处理并在计算机显示屏上显示。

可见，本发明实时监测培养液细胞生长状态，不存在时间差，在显示屏上看到的细胞生长状态就是此时此刻的状态，监测与细胞生长同步，据此，能够使操作人员第一时间掌握细胞生长状态，及时采取操控措施。本发明优点还在于原位非接触监测，无需取样，因此，不存在因监测导致污染培养液的可能性。再有，本发明以自动的方式由摄录设备获取培养液细胞生长状态影响，并由计算机进行图像处理，在显示屏上显示，因此，省去了人工频繁取样，借助显微镜观测等操作，细胞发酵罐取样口也随之取消，罐体结构变得简单。在显示屏上显示的图像相比于观察点影像实际上得到两次放大，一次是由显微镜CCD放大，再一次是显示屏放大，总放大倍数能够达到200倍，足以满足监测要求。本发明实际上使得采用细胞发酵罐的制药工艺满足现行GMP对于医药企业生产设备自动化和全程质量监控的要求。

附图说明

图1是本发明之细胞发酵罐中细胞生长状态原位实时显微监测装置结构示意图，同时也是本发明之细胞发酵罐中细胞生长状态原位实时显微监测方法示意图，该图兼作为摘要附图。图2是显微镜CCD中的显微光学系统结构图。

具体实施方式

在本发明之细胞发酵罐中细胞生长状态原位实时显微监测装置中，如图1所示，光源1通过照明俯仰转轴安装在左升降机构3上，显微镜CCD 2通过摄像俯仰转轴安装在右升降机构4上。光源1光轴与显微镜CCD 2光轴重合，光源1与显微镜CCD 2相向排列。

光源1采用冷光源，如氙灯、白光LED。光源1前置准直镜，确保有足够的光强，以满足监测对照明的要求。显微镜CCD 2中的显微光学系统由李斯特型显微物镜组合及卡塞格林反射系统组成，如图2所示。所述李斯特型显微物镜组合具有类似双高斯结构，此结构有利于校正像散与场曲。由于显微系统是小像差系统，且传统卡塞格林反射系统为反射成像，无色差，所以在校正像差时只需校正球差、慧差和位置色差。由于密闭的细胞发酵罐5中的培养液6中含有大量悬浮细胞，所以，基于分辨率的要求，显微光学系统数值孔径NA＝0.35，物方分辨率为0.95μm，物方线视场2y＝1.2mm，放大倍率为5倍。基于监测深度的需要，显微光学系统的工作距离设为25mm。

所述左升降机构3、右升降机构4均为丝杠滑块机构，照明俯仰转轴、摄像俯仰转轴分别安装在左升降机构3、右升降机构4中的滑块上，丝杠转动，滑块在上下方向上移动，带动光源1、显微镜CCD 2上下移动，以适应不同规格如30L或者50L细胞发酵罐5照明窗口7、观察窗口8的高度。另外，照明窗口7、观察窗口8的厚度均为12mm。

照明俯仰转轴轴线与摄像俯仰转轴轴线平行且分别与光源1光轴、显微镜CCD 2光轴相交并垂直；显微镜CCD 2与计算机9连接。

采用本发明之细胞发酵罐中细胞生长状态原位实时显微监测方法的监测过程为，如图1所示，调整光源1在左升降机构3上的高度位置，使光源1能够通过照明窗口7照明培养液6；调整显微镜CCD 2在右升降机构4的高度位置，使显微镜CCD 2能够通过观察窗口8摄录培养液6内部影像；调整光源1俯仰角和显微镜CCD 2俯仰角，使光源1光轴与显微镜CCD 2光轴重合；培养液6液面低于照明窗口7、高于观察窗口8；显微镜CCD 2全程、实时摄录观察点培养液6影像并传送至计算机9，由计算机9对所述影像进行图像处理并在计算机显示屏上显示。由显微镜CCD 2摄录的影像由CCD自带软件进行预处理，再通过Matlab编程，由计算机9进行图像增强、去噪处理，进一步滤去图像中的培养液杂质成像部分及培养液细胞图像的边缘模糊部分，获得细节清晰、质量较好的图像。

Claims (6)

1.一种细胞发酵罐中细胞生长状态原位实时显微监测装置，其特征在于，光源通过照明俯仰转轴安装在左升降机构上，显微镜CCD通过摄像俯仰转轴安装在右升降机构上；光源光轴与显微镜CCD光轴重合，光源与显微镜CCD相向排列；照明俯仰转轴轴线与摄像俯仰转轴轴线平行且分别与光源光轴、显微镜CCD光轴相交并垂直；显微镜CCD与计算机连接。

2.根据权利要求1所述的细胞发酵罐中细胞生长状态原位实时显微监测装置，其特征在于，光源(1)采用冷光源；光源(1)前置准直镜。

3.根据权利要求1所述的细胞发酵罐中细胞生长状态原位实时显微监测装置，其特征在于，显微镜CCD(2)中的显微光学系统由李斯特型显微物镜组合及卡塞格林反射系统组成，所述李斯特型显微物镜组合具有类似双高斯结构，所述显微光学系统数值孔径NA＝0.35，物方分辨率为0.95μm，物方线视场2y＝1.2mm，放大倍率为5倍，工作距离设为25mm。

4.根据权利要求1所述的细胞发酵罐中细胞生长状态原位实时显微监测装置，其特征在于，所述左升降机构(3)、右升降机构(4)均为丝杠滑块机构，照明俯仰转轴、摄像俯仰转轴分别安装在左升降机构(3)、右升降机构(4)中的滑块上。

5.一种细胞发酵罐中细胞生长状态原位实时显微监测方法，其特征在于，调整光源在左升降机构上的高度位置，使光源能够通过照明窗口照明培养液；调整显微镜CCD在右升降机构的高度位置，使显微镜CCD能够通过观察窗口摄录培养液内部影像；调整光源俯仰角和显微镜CCD俯仰角，使光源光轴与显微镜CCD光轴重合；培养液液面低于照明窗口、高于观察窗口；显微镜CCD全程、实时摄录观察点培养液影像并传送至计算机，由计算机对所述影像进行图像处理并在计算机显示屏上显示。

6.根据权利要求5所述的细胞发酵罐中细胞生长状态原位实时显微监测方法，其特征在于，由显微镜CCD(2)摄录的影像由CCD自带软件进行预处理，再通过Matlab编程，由计算机(9)进行图像增强、去噪处理，进一步滤去图像中的培养液杂质成像部分及培养液细胞图像的边缘模糊部分。