CN108841716A - 一种实现培养皿梯度温控的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于培养皿温度控制领域，并公开了一种实现培养皿梯度温控的装置。该装置包括加热模块、散热模块、测量模块和控制模块，加热模块实现对培养皿各个小井内溶液精准独立的加热，通过调节该模块中导热针的长度和排列方式，实现待加热培养皿中不同深度和不同区域的加热，以此在待加热培养皿中形成梯度温度场；散热模块用于降低加热模块的温度；测量模块用于实时监控待加热培养皿中的温度；控制模块用于调节和控制各个模块，使得待加热的培养皿中的温度达到预设温度阈值。相较于传统的加热装置，本发明的装置实现对培养皿溶液的更加直接有效的加热以及更加精确的温度控制。

Description

一种实现培养皿梯度温控的装置

技术领域

本发明属于培养皿温度控制领域，更具体地，涉及一种实现培养皿梯度温控的装置。

背景技术

在一些生物实验中，需要讨论细胞所处的环境温度对其生物活性的影响。不同的温度下，细胞的形状存在明显差异，呈圆形或椭圆型回缩,细胞浆呈串珠样改变，或呈边缘翘起并以片状脱落，原因是温度的变化引起细胞的某些细胞器变性，影响细胞生长。观察细胞的形状，可以推测出相应温度下的细胞活性，获取细胞特性。由此，可通过温度的设定，达到筛选细胞的目的。

通常，此类实验在培养皿或试管中进行，为了监控培养皿中所培养的细胞在不同环境温度下的生长情况，以及在环境温度发生迅速变化时的反应情况，需要提供一种可以针对性调节控制培养液温度的加热装置来模拟出目标环境，从而实现对细胞在相应温度下的生长及反应情况的观察，以及通过温度对细胞进行筛选。

实验室中传统的加热方法一般是采用加热箱对培养皿进行整体的加热，但由于是封闭空间，使得加热状态无法被实时观测，也无法对溶液的温度实现精确的控制，只能在初始状态下设定加热箱的加热温度，与溶液的实际温度仍存在一定的偏差。并且，加热箱对于培养皿溶液温度的改变是统一的，无法实现各个区域小井温度的差别控制和针对性控制，以及培养皿各区域不同标准的细胞筛选。

目前市面上不存在针对于培养皿的同时进行大批量调控温度并进行精确反馈控制的装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种实现培养皿梯度温控的装置，该装置通过对其关键组件加热模块中导热针的设置，通过调节导热针的长度和排列方式，以此调控待加热培养皿的加热区域，同时通过测量模块的设置，实时监控培养皿中的温度，由此解决培养皿中温度的精确控制和无法形成梯度温度场的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种实现培养皿中梯度温控的装置，其特征在于，该装置包括加热模块、散热模块、测量模块和控制模块，其中：

所述加热模块包括支座、加热板和导热针，所述支座上方设置有多个加热板，用于加热产生热量，并通过支座传递给所述导热针，所述支座的下方排列着多个导热针，用于通过热传导的方式提高待加热的培养皿中的温度，通过调节导热针的长度和排列方式，实现待加热培养皿中不同区域的加热，以此在不同或者同一待加热培养皿中形成梯度温度场；

所述散热模块设置在所述加热模块的上方，用于降低所述加热模块的温度；

所述测量模块用于实时监控待加热培养皿中的温度；

所述控制模块与所述加热模块和测量模块连接，用于根据所述测量模块反馈的温度，调节所述加热模块，使得待加热的培养皿中的温度达到预设温度阈值。

进一步优选地，所述测量装置还用于测量所述支座的温度，用于监控所述加热板的加热温度。

进一步优选地，所述导热针包括导柱和和设置在导柱底端的导热球，导热球呈半球状，用于导热，所述导柱用于支撑所述导热球。

进一步优选地，所述导柱和支座表面均涂覆有隔热胶，用于减少热损耗。

进一步优选地，所述散热模块包括水箱、压力泵、吸入泵和冷水头，所述冷水头设置所述加热板的上方，用于降低所述加热板的温度，所述压力泵将所述水箱中的水压入所述冷水头中，所述吸入泵将所述冷水头中的水吸入至所述水箱，从而降低所述冷水头中的温度。

进一步优选地，所述控制模块包括微处理器、控制器和计算机，所述微处理器用于接收并处理所述测量模块的测量数据，并将其传递给所述控制器，所述控制器用于根据所述测量数据来调节所述加热板的参数，使得待加热的培养皿中的温度达到预设温度阈值，所述计算机用于设定所述温度阈值、加热模块和测量模块的参数。

进一步优选地，所述加热板优选采用半导体制冷片，该半导体制冷片中包括两种不同半导体材料串联成的电偶，当直流电通过该两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端分别吸收热量和放出热量，以此实现制冷或制热。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明中通过采用排列方式可调和长度可调的导热针，实现培养皿中不同区域的加热，由此在培养皿中形成所需的温度梯度场，同时，通过设置多个导热针，实现多个培养皿同时加热，且各个培养皿中加热区域可多样化，以此实现一次性加热多个培养皿，提高工作效率，保证温度控制的精确度；

2、本发明通过采用半导体制冷片作为加热板，通过控制输入半导体制冷片中的电流大小及方向来改变半导体制冷片的传热功率以及温度状态(加热或者制冷)调节温度方式方便快捷；

3、本发明通过在支座和导柱上均涂覆绝缘胶，减少加热过程中的热量损耗，提高整个装置的效率，减少能量损耗，提高工作效率；

4、本发明提供的装置结构简单，操作便捷，适合于培养皿中各小井溶液温度精密调控的场合，通过本发明的装置使得培养皿各小井中的溶液处于恰当的温度范围，保证了溶液温度的可控性。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的实现培养皿梯度温控的装置的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的散热模块结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的本装置的反馈控制电路示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的加热模块的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中

1-电源；2-控制器；3-计算机；4-水箱；5-冷水头；6-半导体制冷片；7-微处理器；8-探针式传感器；9-贴片式传感器；10-铝板支座；11-钨针；12-培养皿。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

按照本发明的一个实施例，一种实现培养皿梯度温控的装置，包括加热模块、散热模块、测量模块、控制模块。

所述加热模块包括半导体制冷片6、铝板支座10针11，其中，所述半导体制冷片6作为加热板，安装在铝板支座10槽中，通过铝板支座的导热性将热量传递到钨针11上；

所述散热模块包括水箱4和冷水头5，其中所述水箱4通过水管与冷水头5连接构成冷水水循环系统；

所述测量模块包括贴片式传感器9与探针式传感器8，分别测量铝板支座和溶液的实时温度，其中所述探针式传感器的测量信息输送至微处理器7；

所述控制模块包括微处理器7、控制器2及计算机1，其中微处理器7对测量模块中传感器8的输出信号进行调制和处理并输送至控制器2，控制器2接用于接收来自所述微处理器的测量数据，然后将其与温度设定值的偏差进行比较，将比较的结果作为控制信号来控制输入半导体制冷片6的电流大小及方向，从而改变加热板的传热功率以及温度状态，控制器2外接所述计算机。

作为进一步优选的，所述钨针11底部加热端加工成半球形，使得溶液均匀受热。所述钨针除加热端及连接处涂有导热胶，其他部分均涂有隔热胶，保证局部加热的准确性，减少热能的损耗。

作为进一步优选的，所述钨针11通过导热胶固定在所述铝板支座的凹槽中，凹槽位置及所述钨针数量与培养皿规格相匹配，所述钨针直径由热仿真分析的结果所确定，当其伸入溶液中，靠近钨针加热端的溶液温度与远离加热端的溶液温度明显不同，溶液的温度呈现梯度分布，可实现培养皿中液体温度的梯度控制。

作为进一步优选的，所述铝板支座可通过调节与培养皿之间的距离或钨针的长度来调整所述钨针深入溶液的长度，从而实现对于溶液各个区域针对性的加热。所述铝板支座的侧边及底部未安装所述钨针的区域均涂抹隔热胶，降低所述铝板支座与空气的热交换，减少热量的流失损耗，提高了加热效率以及能量利用率；

作为进一步优选的，利用多个控制器可分别设定半导体制冷片不同温度，造成钨针温度的区域性差异，实现对培养皿各部分小井溶液温度的不同要求。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的实现培养皿梯度温控的装置的结构示意图，如图1所示，该装置包括电源1，控制器2，计算机3，水箱4，冷水头5，半导体制冷片6，微处理器7，探针式传感器8，贴片式传感器9，铝板支座10，钨针11。

所述电源1为控制器2提供直流电流；所述控制器2与半导体制冷片6及微处理器7连接，通过控制输入半导体制冷片6中的电流大小及方向来改变半导体制冷片6的传热功率以及温度状态(加热或者制冷)；所述计算机3通过USB接口或者RS232与温度控制器2实现通信，设置温度控制器2的PID参数以及其他设定参数，可以显示探针式传感器8及贴片式传感器9测得的溶液及铝板支座的实时温度。所述水箱4通过水管与冷水头5连接，提供用于散热的水源，所述冷水头5，通过内部循环流通的冷水完成半导体制冷片6热端的散热，所述半导体制冷片6，利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷或制热的目的。所述微处理器7，接收并处理探针式传感器8及贴片式传感器9的输出信号，输送至控制器2；所述探针式传感器8，通过铝板支座10上的通孔伸入至溶液中，测量溶液的实时温度，并将温度信息输送至微处理器7中，作为反馈控制的输入；所述贴片式传感器9，安装在铝板支座10的凹槽中，测量铝板支座10的实时温度，并将温度信息输送至微处理器7中，作为反馈控制的输入；图4是按照本发明的优选实施例所构建的加热模块的结构示意图，如图4所示，所述铝板支座10，作为加热的媒介，上端安装半导体制冷片，下端安装可深入培养皿12井中的钨针，在该铝板支座上还安装有贴片式传感器，用于监测铝板支座的温度；所述钨针11底端为半球形，伸入培养皿12的溶液中进行加热。

下面将介绍本发明提供的实现培养皿梯度温控的装置的工作过程，具体操作步骤如下：

(1)已知培养皿的基本参数信息，热仿真分析得出一定时间后培养皿中溶液的温度分布情况，根据实际情况中对于溶液温度分布的要求选用最接近理想状态的温度云图所对应的钨针规格，确定钨针直径，并通过对各个情况下得到的温度云图进行对比分析，确定钨针应当深入溶液的长度；通过热仿真分析得出的溶液温度随时间变化的曲线图，可估计溶液达到目标温度时所需的时间；

(2)培养皿12置于本发明系统的底部平台上，将铝板支座10下移至设定位置，使钨针11上未覆盖隔热胶的加热端浸入溶液中，浸入深度为通过仿真分析所得到的最佳浸入深度，通过对半导体制冷片6进行仿真，确定温度控制器中PID参数的取值。图3是按照本发明的优选实施例所构建的本装置的反馈控制电路示意图，如图3所示，接通电源后，在计算机3上利用温度控制器设定溶液的目标温度以及温度控制器2的PID参数，探针式传感器8测定溶液中的温度，将信息输送到微处理器7，经处理后输送至温度控制器2，并显示在屏幕上；贴片式传感器9测定铝板支座10的温度，温度信息经微处理器7输送至温度控制器2，当测量的温度低于设定温度时，控制器2输出正向电流信号，半导体制冷片6迅速生热，通过铝板支座10和钨针11将热量传递到溶液中，当溶液的温度低于设定温度值时，控制器输出反向电流信号，半导体制冷片迅速制冷，通过PID控制可以使得溶液的温度保持在很小的范围内变动，很好的实现溶液温度的精确控制。

在半导体制冷片6工作过程中，冷端和热端会产生大量的热交换，使得冷热端的温差升高。在半导体制冷片6热端安装有冷水头5，通过冷水器进行水循环，加快热端的热量传导，降低冷热端的温差，提高半导体制冷片6的热量传递效率。图2是按照本发明的优选实施例所构建的散热模块结构示意图，如图2所示，压力泵将水箱4中的冷水压入，经水管输送到冷水头5中，流动的冷水带走半导体制冷片热端所产生的热量。吸入泵将带有热量的水吸入至水箱4中，经加热制冷管冷却后保证水箱中的水温稳定在一个相对平衡的状态。加热制冷管的温度由上端的控制面板进行设定。

在本实施例中，铝板支座10侧边及底部钨针区域的边缘处均涂有隔热胶，降低铝板支座10与空气的热交换，减少热量的流失损耗，确保试验的精确与迅速。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种实现培养皿中梯度温控的装置，其特征在于，该装置包括加热模块、散热模块、测量模块和控制模块，其中：

所述加热模块包括支座、加热板和导热针，所述支座上方设置有多个加热板，用于加热产生热量，并通过支座传递给所述导热针，所述支座的下方排列着多个导热针，用于通过热传导的方式提高待加热的培养皿中的温度，通过调节导热针的长度和排列方式，实现待加热培养皿中不同区域的加热，以此在不同或者同一待加热培养皿中形成梯度温度场；

所述散热模块设置在所述加热模块的上方，用于降低所述加热模块的温度；

所述测量模块用于实时监控待加热培养皿中的温度；

所述控制模块与所述加热模块和测量模块连接，用于根据所述测量模块反馈的温度，调节所述加热模块，使得待加热的培养皿中的温度达到预设温度阈值。

2.如权利要求1所述的一种实现培养皿梯度温控的装置，其特征在于，所述测量装置还用于测量所述支座的温度，用于监控所述加热板的加热温度。

3.如权利要求1或2所述的一种实现培养皿梯度温控的装置，其特征在于，所述导热针包括导柱和设置在导柱底端的导热球，导热球呈半球状，用于导热，所述导柱用于支撑所述导热球。

4.如权利要求3所述的一种实现培养皿梯度温控的装置，其特征在于，所述导柱和支座表面均涂覆有隔热胶，用于减少热损耗。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种实现培养皿梯度温控的装置，其特征在于，所述散热模块包括水箱、压力泵、吸入泵和冷水头，所述冷水头设置于所述加热板的上方，用于降低所述加热板的温度，所述压力泵将所述水箱中的水压入所述冷水头中，所述吸入泵将所述冷水头中的水吸入至所述水箱，从而降低所述冷水头中的温度。

6.如权利要求1-4任一项所述的一种实现培养皿梯度温控的装置，其特征在于，所述控制模块包括微处理器、控制器和计算机，所述微处理器用于接收并处理所述测量模块的测量数据，并将其传递给所述控制器，所述控制器用于根据所述测量数据来调节所述加热板的参数，使得待加热的培养皿中的温度达到预设温度阈值，所述计算机用于设定所述温度阈值、加热模块和测量模块的参数。

7.如权利要求1-4任一项所述的一种实现培养皿梯度温控的装置，其特征在于，所述加热板优选采用半导体制冷片，该半导体制冷片中包括两种不同半导体材料串联成的电偶，当直流电通过该两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端分别吸收热量和放出热量，以此实现制冷或制热。