CN108913597A - 微流控细胞培养用二氧化碳浓度控制方法与装置 - Google Patents

微流控细胞培养用二氧化碳浓度控制方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种微流控细胞培养用二氧化碳浓度控制方法与装置，能生成用于微流控细胞培养实验的二氧化碳浓度环境，第一活塞控制纯二氧化碳储气瓶中的气体经第一阀门单向流入气体混合室，第二活塞控制外部和气体混合室之间的气体经第二阀门双向流动，第一活塞和第二活塞的结构相同，细胞培养室通过循环通气管道和气体混合室联通；将需要补充的纯二氧化碳体积做权值分解，确定四个单位充气量，计算出每个单位充气量对应的加药次数，依次充入纯二氧化碳，控制第二活塞中的活塞励磁线圈通电，将空气充入或者排出气体混合室；将整个气体混合以及气体的使用在一个密闭空间中进行，将该浓度的二氧化碳直接用于微流控细胞培养，提高细胞培养的成功率。

Description

微流控细胞培养用二氧化碳浓度控制方法与装置
技术领域
本发明涉及微流控细胞培养领域，特别是一种微流控细胞培养用二氧化碳浓度的控制方法和装置，能生成可用于微流控细胞培养实验的二氧化碳浓度环境。
背景技术
细胞培养作为医疗、制药、生物研究等领域中的重要技术，无论是什么细胞类型在细胞培养过程中要求都很高，需要模拟形成一个类似细胞在生物体内的生长环境，要求有稳定的温度、稳定的二氧化碳水平、恒定的酸碱度和较高的相对饱和湿度等条件。其中二氧化碳浓度水平的控制是较难的，因为细胞在培养过程中伴随有二氧化碳的产生或消耗，另外在培养过程中存在人为的打开关闭培养箱，这就造成二氧化碳需要一个动态的调节控制以至浓度始终处于一个稳定的水平。
现有的气体浓度控制装置大多是开放式的，即气体的混合是在一个流通的区域内，最后产生的是源源不断的恒浓度气体流。这种方法在产生“即产即用”的场合是适用的，例如产生用于呼吸的氧气、用于恒定浓度燃烧用的气体等。但是像细胞培养这样需要密闭空间的情况就不适用了，不断的气体流失会产生大量的浪费，而且在密闭空间内控制气体的浓度需要同时考虑气体浓度和空间内气压两个指标。在气体连续控制的过程中，随着加入密闭空间中的气体压强越来越大，导致空气或者二氧化碳的充入速度越来越慢。另外，现有装置使用的是阀门和流量计的配合来充入定量的气体，控制过程中存在较大的惯性作用，会导致控制结果中产生较大的超调和稳态误差。
现有的密闭空间二氧化碳浓度控制方法有化学制造法和二氧化碳培养箱中采用的快慢速双重充气法。化学制造法通过控制化学反应物的剂量产生一定量的二氧化碳，从而能达到精确的量的控制；但是这种方法的实现装置复杂，使用起来很不方便。快慢速双重充气法采用快慢两种充气速度结合，使CO2箱内的CO2浓度在开关门之后能快速恢复。在CO2箱工作过程中，由储气瓶对工作室内进行补气，以保持稳定的CO2浓度值；但是该方法使用流量计和阀门组合的方式来实现充气量的控制，由于阀门开关的延时问题导致控制精度不高，另外增加了装置的成本。
发明内容
本发明的目的是针对现有细胞培养用二氧化碳浓度控制技术存在的问题，提出一种微流控细胞培养用二氧化碳浓度控制方法与装置，在密闭空间内产生特定浓度的二氧化碳，在同一装置内实现气体的产生与使用，准确、快速、低成本地控制二氧化碳浓度。
本发明微流控细胞培养用二氧化碳浓度控制装置采用如下技术方案：纯二氧化碳储气瓶经减压阀、第一阀门连通气体混合室，第一活塞连接第一阀门且控制纯二氧化碳储气瓶中的气体经第一阀门单向流入气体混合室；外部空气经第二阀门连通气体混合室，第二活塞连接第二阀门且控制外部和气体混合室之间的气体经第二阀门双向流动；第一活塞和第二活塞的结构相同且由MCU控制系统控制工作；细胞培养室通过循环通气管道和气体混合室联通，循环通气管道上串接排气扇，排气扇经控制线连接MCU控制系统；气体混合室内部装有连接于MCU控制系统的气体压强传感器和二氧化碳传感器。
进一地，第一活塞或第二活塞的外部都是一个密闭的活塞套筒，内部有活塞上腔和活塞下腔，活塞下腔底部通过活塞出气口连接第一阀门或第二阀门；活塞下腔中从上至下同轴心地设有相连接的永磁铁、连杆和充气活塞头，充气活塞头与活塞下腔的内壁之间密封且滑动连接；活塞上腔内设有电动推杆，电动推杆输出轴底部同轴固定连接位于永磁铁的正上方的活塞励磁线圈；电动推杆和活塞励磁线圈均与MCU控制系统相接。
更一步地，所述的第一阀门外部是两端开口朝向下方的阀体，内腔形成阀门气腔，阀体两端开口处各密封套有第一套筒、第二套筒；第一套筒顶部设有上下贯通的第一堵气通孔，第一堵气通孔正上方是固定连接第一弹簧下端的第一堵气凸块，第一弹簧上端固定连接贯通阀门气腔的第一固定卡口，第一堵气凸块能向下运动正好堵住第一堵气通孔；第二套筒顶部设有上下贯通的第二固定卡口，第二固定卡口固定连接正上方的第二弹簧下端，第二弹簧上端固定连接第二堵气凸块，第二堵气凸块正上方是贯通阀门气腔的第二堵气通孔，第二堵气凸块向上运动堵住第二堵气通孔；阀体顶部中间设有连接第一活塞的活塞出气口的上出气孔，第一套筒底部开有连接减压阀第一个下出气孔，第二套筒底部开有连接气体混合室的第二个下出气孔。
更一步地，所述的第二阀门外部是阀体，内部形成阀门气腔，阀体开有上方的一个上出气孔和下方的第一通气孔、第二通气孔；上出气孔连接第二活塞的活塞出气口，第一通气孔与大气相通，第二通气孔与气体混合室连接；阀体相对的两侧内壁上各设置一个励磁线圈，两个励磁线圈之间设有两个能沿阀体内壁密封滑动的密封橡胶块，两个密封橡胶块之间通过橡胶块连杆相连接，每个密封橡胶块的面对着励磁线圈这一面上固定连接一个铁块，两个励磁线圈均与MCU控制系统相接
本发明微流控细胞培养用二氧化碳浓度控制装置的控制方法采用的技术方案是具有以下步骤：
A、气体压强传感器和二氧化碳传感器分别检测气体混合室内的气体压强和二氧化碳浓度并输入MCU控制系统，MCU控制系统将当前二氧化碳浓度C1和当前气压值P1分别和二氧化碳期望浓度C0和期望气体压强P0相比较；
B、如果C1小于C0*0.95，MCU控制系统计算出需要补充的纯二氧化碳体积V为气体混合室内部体积；再将Vco2做权值分解，使确定四个单位充气量V0、 计算出每个单位充气量对应的加药次数n0、n1、n2、n3，依次充入n0次体积V0、n1次体积V1、n2次体积V2、n3次体积V3的纯二氧化碳；
C、如果P1小于P0*0.95，MCU控制系统控制第二活塞中的活塞励磁线圈通电，永磁铁带着气体活塞头向上运动与活塞励磁线圈相合，空气进入第二阀门内；然后改变活塞励磁线圈电流方向，永磁铁向下运动，将第二阀门内的空气充入气体混合室内；
D、如果C1大于C0*1.05或者P1大于P0*1.05，MCU控制系统控制第二活塞中的活塞励磁线圈通电，永磁铁带着气体活塞头向上运动与活塞励磁线圈相合，气体混合室中的混合气体进入第二阀门内；然后改变励活塞磁线圈的电流方向，永磁铁向下运动，进第二阀门中的混合气体排出。
本发明与已有方法和技术相比具有如下优点：
1.本发明设计的二氧化碳浓度控制装置将整个气体混合以及气体的使用在一个密闭空间中进行，然后将该浓度的二氧化碳直接用于微流控细胞培养，能有效地减少污染的入侵，提高细胞培养的成功率。
2.本发明能有效解决了密闭空间中浓度和内部压强的同时控制问题，避开了压强增大导致的充气速度减慢和超调问题，减小了稳态误差，消除超调，且能快速到达稳态。
3.本发明采用了权值分解充气法，极大地提高了充气精度和速度。
4.本发明中的二氧化碳利用率高，减少了资源的浪费，且装置本身的成本大大降低。
附图说明
图1为本发明微流控细胞培养用二氧化碳浓度控制装置的整体结构示意图；
图2为图1中第一活塞3和第二活塞5结构示意图；
图3为本发明二氧化碳浓度控制装置的二氧化碳支路阀门结构示意图；
图4为本发明二氧化碳浓度控制装置的空气支路阀门结构示意图；
图5为本发明二氧化碳浓度控制装置的电路系统结构框图；
图6为本发明二氧化碳浓度控制方法与装置的系统工作流程图。
附图中各部件的序号和名称：1、纯二氧化碳储气瓶；2、减压阀；3、第一活塞；4、第一阀门；5、第二活塞；6、第二阀门；7、二氧化碳喷气头；8、空气喷气头；9a、第一气体压强传感器；9b、第二气体压强传感器；10a、第一二氧化碳浓度传感器；10b、第二二氧化碳浓度传感器；11、气体混合室；12，紫外线杀毒灯；13、排气扇；14、细胞培养室；15、MCU控制盒；16、LCD控制面板；17a、循环通道出气口；17b、循环通道进气口；18、充气活塞上盖板；19、电动推杆；20、活塞套筒；21、电动推杆固定支架；22、活塞励磁线圈；23、永磁铁；24、连杆；25、充气活塞头；26、活塞出气口；27、阀体；28、上出气孔；29a、第一固定卡口；29b、第二固定卡口；30a、第一弹簧；30b、第二弹簧；31a、第一堵气凸块；31b、第二堵气凸块；32a、第一堵气通孔；32b、第二堵气通孔；33a、第一个下出气孔；33b、第二个下出气孔；34a、第一套筒；34b、第二套筒；35、阀门气腔；36、上出气孔；37、阀体；38a、第一密封橡胶块；38b、第二密封橡胶块；39a、第一铁块；39b、第二铁块；40a、第一励磁线圈；40b、第二励磁线圈；41、阀门气腔；42a、第一通气孔；42b、第二通气孔；43、橡胶块连杆；44、活塞上腔；45、活塞下腔。
具体实施方式
参见图1，本发明微流控细胞培养用二氧化碳浓度控制装置包括充气模块、气体混合室、细胞培养模块。其中，充气模块位于气体混合室11外部，包含二氧化碳充气支路以及空气充气支路这两条充气支路，二氧化碳充气支路在空气充气支路的上方，两条充气支路均包括充气活塞、阀门和通气管道三部分。充气模块与柜式的气体混合室11连接且连通，分别向气体混合室11内充入二氧化碳气体和空气。
二氧化碳充气支路由纯二氧化碳储气瓶1、减压阀2、第一活塞3、第一阀门4以及通气管道组成。纯二氧化碳储气瓶1经减压阀2串接第一阀门4。第一活塞3连接第一阀门4，作为动力装置作用于第一阀门4。第一阀门4经通气管道与气体混合室11连接且连通。纯二氧化碳储气瓶1中的二氧化碳经过减压阀2减压至外部的气压值后，在第一活塞3的作用下，经过第一阀门4进入气体混合室11。
空气充气支路由第二活塞5、第二阀门6以及通气管道组成。外部的空气经第二阀门6、通气管道后连接且连通气体混合室11。第二充气活塞5连接第二阀门6，作为动力装置作用于第二阀门6。外部的空气在第二活塞5的作用下，经过第二阀门6进入气体混合室11。
第一活塞3和第二活塞5的结构完全相同。但第一阀门4和第二阀门6的结构则完全不同。第一活塞3控制纯二氧化碳储气瓶1中的气体经第一阀门4单向流入气体混合室11，第二活塞5控制外部和气体混合室11之间的气体经第二阀门6双向流动。
气体混合室11是一个用于气体混合的缓冲区域，设计成顶板可拆卸的柜式结构，顶板连接处需要加橡胶垫圈以保证气体混合室11是的密封性。充气模块中进来的二氧化碳和空气在此混合达到特定浓度。
在气体混合室11的顶部装有紫外线杀毒灯9，紫外线杀毒灯9经控制线连接位于气体混合室11外部的MCU控制盒15内部，MCU控制盒15内部设有MCU控制系统，紫外线杀毒灯9连接MCU控制系统，由MCU控制系统控制紫外线杀毒灯9打开后全程工作，以保证新充入气体混合室11内的气体经过杀毒杀菌，消除污染物，从而提高细胞培养的成功率。
二氧化碳充气支路中连接于气体混合室11的通气管道伸入在气体混合室11中，并且伸入的头部固定连接二氧化碳喷气头7。空气充气支路中连接于气体混合室11的通气管道伸入在气体混合室11中，并且伸入的头部固定连接空气喷气头8。二氧化碳喷气头7在二氧化碳喷气头7的上方，位于气体混合室11内部的同一侧。
细胞培养模块在气体混合室11外部，包括一个细胞培养室14，细胞培养室14设计成单开门柜式结构。细胞培养室14通过循环通气管道和气体混合室11联通。在气体混合室11内部的通气管道的两端头分别是循环通道出气口17a和循环通道进气口17b，循环通道出气口17a在循环通道进气口17b的上方。
在循环通道进气口17b和细胞培养室14之间的通气管道上串接排气扇13。排气扇13位于气体混合室11外部，位于气体混合室11和细胞培养室14之间。排气扇13经控制线连接MCU控制系统，由MCU控制系统控制工作，能将气体混合室11中混合均匀的气体通过循环管道进气口17b吸入细胞培养室14中，将细胞培养室14的气体通过循环管道17a排入气体混合室11再混合。
在气体混合室11内部安装气体压强传感器和二氧化碳传感器，分别检测气体的压强和二氧化碳的浓度。气体压强传感器和二氧化碳传感器均由信号线连接MCU控制系统，将采集的数据信号传送给MCU控制系统。气体压强传感器装两个，是第一气体压强传感器9a和第二气体压强传感器9b，分别在靠近二氧化碳喷气头7和空气喷气头8处各装一个。二氧化碳传感器装两个，是第一二氧化碳传感器10a和第二二氧化碳传感器10b，分别在靠近循环通道出气口17a和循环通道进气口17b处各装一个，这样测得的二氧化碳浓度值更准确、更具有代表性。气体压强传感器和二氧化碳传感器分别位于气体混合室11内部相面对的两侧。
细胞培养室14是细胞培养的地方，也是气体混合后的主要使用场所。在细胞培养室14的室门外壁上嵌上MCU控制盒15和LCD控制面板16。
参见图2所示的第一活塞3和第二活塞5的结构，外部是一个密闭的活塞套筒20，活塞套筒20顶部开口用充气活塞上盖板18密封。活塞套筒20内部有上下两个腔室，分别是活塞上腔44和活塞下腔45，活塞下腔45的内径要小于活塞上腔44的内径。活塞下腔45的底部通过活塞出气口26连接第一阀门4或者第二阀门6。
活塞下腔45中从上至下同轴心地设有永磁铁23、连杆24和充气活塞头25，永磁铁23通过连杆24和充气活塞头25同轴心地连成一个活动整体。充气活塞头25与活塞下腔45的内壁之间密封性且滑动连接，能沿活塞下腔45的内壁上下运动。充气活塞头25选用密封性能好的橡胶材料并且底部加工成和活塞套筒20相契合的子弹头形状。永磁铁23的外径小于活塞下腔45的内径，连杆24的外径远小于永磁铁23的外径。
活塞上腔44内设有电动推杆19和活塞励磁线圈22，电动推杆19上下垂直布置，其输出轴底部同轴固定连接活塞励磁线圈22，活塞励磁线圈22位于永磁铁20的正上方，与永磁铁20之间留有间隙。电动推杆19的壳体通过电动推杆固定支架21固定连接在充气活塞上盖板18上。
电动推杆19和活塞励磁线圈22均与MCU控制系统相接，当MCU控制系统控制电动推杆19上下垂直运动时，可以调节活塞励磁线圈22的上下高度位置，进而改变第一活塞3和第二活塞5动作一次的充气体积，完成单位充气量的实现。在MCU控制系统的控制下，有序地改变活塞励磁线圈22的通电状态，形成方向上有序变化的电磁场，而永磁铁23受到电磁场作用，依次产生向上向下的作用力以实现充气活塞头25的上下运动，达到充气的目的。
参见图3所示的二氧化碳支路中的第一阀门4的结构，这是一个由纯二氧化碳储气瓶1经经减压阀2向气体混合室11方向的单向流动阀门。第一阀门4的外部是阀体27，阀体27内腔形成的阀门气腔35。阀体27的两端开口朝向下方，两端开口处各固定套有一个套筒，分别是第一套筒34a和第二套筒34b。第一套筒34a、第二套筒34b与阀体27密封连接，保证阀门气腔35的密封性。
其中，第一套筒34a的顶部设有上下贯通的第一堵气通孔32a，第一堵气通孔32a正上方是第一堵气凸块31a，第一堵气凸块31a固定连接正上方的第一弹簧30a的下端，第一弹簧30a的上端固定连接第一固定卡口29a，第一固定卡口29a固定设在阀体27的内壁上，由阀体27的内壁朝径向延伸而形成，第一固定卡口29a上下贯通阀门气腔35。第一堵气凸块31a能在阀体27开口处内上下运动，当第一堵气凸块31a向下运动时能正好与第一堵气通孔32a相配合，从而将第一堵气通孔32a堵住；当第一堵气凸块31a向上运动时，第一堵气通孔32a打开，使阀体27和第一套筒34a内部上下贯通。
第一套筒34a的底部开有第一个下出气孔33a，第一下出气孔33a通过通气管道经图1中的减压阀2后与纯二氧化碳储气瓶1连接。
第二套筒34b的顶部设有上下贯通的第二固定卡口29b，第二固定卡口29b固定连接正上方的第二弹簧30b的下端，第二弹簧30b的上端固定连接第二堵气凸块31b，第二堵气凸块31b正上方是第二堵气通孔32b，第二堵气通孔32b贯通阀门气腔35，第二堵气通孔32b由阀体27的内壁朝径向延伸而形成。第二堵气凸块31b能在阀体27第二个开口处内上下运动，当第二堵气凸块31b向上运动时能正好与第二堵气通孔32b相配合，从而将第二堵气通孔32b堵住；当第二堵气凸块31b向下运动时，打开第二堵气通孔32b，使阀体27和第二套筒34b内部上下贯通。
第二套筒34b的底部开有第二个下出气孔33b，第二个下出气孔33b通过通气管道与气体混合室11连接。
阀体27的顶部中间开有上出气孔28，上出气孔28与图2中的第一充气活塞3的活塞出气口26相接相通。由此，第一阀门4共有三个出气孔，分别是上出气孔28、第一个下出气孔33a、第二个下出气孔33b，分别对应地连接第一充气活塞3、纯二氧化碳储气瓶1、气体混合室11。
第一阀门4在初始状态时，第一弹簧30a和第二弹簧30b都处于压缩状态，第一堵气凸块31a和第二堵气凸块31b受到弹簧作用，分别堵住了第一堵气通孔32a和第二堵气通孔32b，使阀门第一阀门4处于常闭状态，这样能保证没有气体的流动。
当图2中的第一充气活塞3的充气活塞头25向上运动时，阀门气腔35中的气压降低，第一堵气凸块31a由于上下气压差作用向上移动，第一堵气通孔32a打开。纯二氧化碳储气瓶1中的纯二氧化碳便通过第一个下出气孔33a进入阀门气腔35中。而第二堵气凸块31b由于气压差作用受到向上的力，继续堵住着第二堵气通孔32b，仍处于关闭状态。反之，当充气活塞头25向下运动时，阀门气腔35中的气压增大，第一堵气凸块31a向下运动，使第一堵气通孔32a关闭；而第二堵气凸块31b受到向下的推力，打开第二堵气通孔32b，使阀门气腔35中的二氧化碳通过第二个下出气孔33b进入气体混合室11中。所以第一充气活塞3的一次上下运动，使第一阀门4完成一次二氧化碳的充入。
参见图4所示的充气支路中的第二阀门6的结构，第二阀门6的气流方向是准双向性的，既能将外部的空气充入气体混合室11中，也能将气体混合室11中的气体排出来。
第二阀门6的外部是阀体37，阀体37内部形成阀门气腔41。阀体37上开有三个出气口，分别是上方的一个上出气孔36和下方的第一通气孔42a、第二通气孔42b。上出气孔36，第一通气孔42a与图2中的第二充气活塞5的活塞出气口26连接起来，第一通气孔42a与大气相通，第二通气孔42b通过通气管道与气体混合室11连接。
在阀体37相对的两侧内壁上各设置一个励磁线圈，分别是第一励磁线圈40a和第二励磁线圈40b，两个励磁线圈之间设有两个密封橡胶块，分别是第一密封橡胶块38a和第二密封橡胶块38b，两个密封橡胶块能沿阀体37内壁滑动，两个密封橡胶块38b之间通过橡胶块连杆43相连接。共同构成的可活动“工”字形活动件。每个密封橡胶块的面对着励磁线圈这一面上固定连接一个铁块，分别是第一铁块39a和第二铁块39b。第一铁块39a位于第一励磁线圈40a和第一密封橡胶块38a之间，第二铁块39b位于第二励磁线圈40b和第二密封橡胶块38b之间。
当图2中的第二充气活塞6的充气活塞头25向上运动时，阀门气腔41中的气压降低，此时当给第一励磁线圈40a通电，而第二励磁线圈40b断电时，第一励磁线圈40a吸引第一铁块39a向其方向运动，从而带动整个“工”字形活动件运动，当第一铁块39a运动至与第一励磁线圈40a两者吸合位置时，第二密封橡胶块38b正好将第二通气孔42b堵住，而此时，第一通气孔42a处于打开状态，空气在压强差的作用下进入阀门气腔41内部。当充气活塞头25停止运动时，交换第一励磁线圈40a和第二励磁线圈40b的通电状态，第一励磁线圈40a断电，第二励磁线圈40b通电，则第二铁块39b向第二励磁线圈40b方向运动至吸合位置，此时，第一密封橡胶块38a正好赌住第一通气孔42a，第一通气孔42a关闭，而第二通气孔42b处于打开状态。此时，充气活塞头25向下运动将之前进入阀门气腔41内的空气充入气体混合室11中。如此完成一次空气的充气过程。
如果需要将气体混合室11中的气体排出来，只需要先给第二励磁线圈40b通电，使得第一通气孔42a关闭、第二通气孔42b打开，充气活塞头25向上运动将气体混合室11中的气体吸入阀门气腔41内，再交换两个励磁线圈的通电状态，从而改变第一通气孔42a关闭、第二通气孔42b的开关状态，充气活塞头25再向下运动进而将气体从左第一通气孔42a排出去。如此完成一次空气的排出过程。
参见图5所示，MCU控制盒15内部安装有MCU控制系统及相关电路，MCU控制系统通过A/D转换电路连接放大电路，放大电路连接两个气体压强传感器和两个二氧化碳浓度传感器，传感器将检测的信号通过放大、转换后传送给MCU控制系统。MCU控制系统还分别通过控制线连接紫外线杀毒灯12、排风扇子13、电动推杆19、活塞励磁线圈22、第一励磁线圈40a和第二励磁线圈40b，能控制紫外线杀毒灯12和排风扇子13的关闭，控制电动推杆19工作以及控制励磁线圈的通电和断电。MCU控制系统还连接LCD控制面板16。MCU控制系统定时采集各个传感器的数据，经过算法处理以后产生控制信号作用于电动推杆19、各个励磁线圈与阀门。LCD控制面板16完成装置参数的设定并输入MCU控制系统中，可以设置的参数有二氧化碳期望浓度c0、期望气体压强P0，输入MCU控制系统保存这些预设值。
参见图1-5，本发明装置工作时，MCU控制系统的控制下进行检测、进气和排气，自动完成二氧化碳浓度的控制，具体工作流程如下：
步骤一、由用户通过LCD控制面板16根据具体使用情况设置二氧化碳期望浓度C0和期望气体压强P0，并输入到MCU控制系统保存。然后MCU控制系统打开紫外线杀毒灯12和排气扇13，紫外线杀毒灯12对气体混合室11内气体杀毒消菌，排气扇13使气体混合室11和细胞培养室14气体流通起来。紫外线杀毒灯12与排气扇13需要一直工作直至装置关机。
步骤二、MCU控制系统设置内部定时器，每隔时间t＝3min对气体混合室11内的气体浓度实现一次调节控制。
步骤三、两个气体压强传感器和两个二氧化碳传感器分别检测气体混合室11内的气体压强和二氧化碳浓度，并将检测值输入MCU控制系统，检测出的气体压强为p1、p2、二氧化碳浓度为c1、c2。MCU控制系统计算出二氧化碳浓度的平均值为作为当前气体混合室11中的二氧化碳浓度C1，计算出气体压强的平均值为作为当前气体混合室11中的当前气压值P1。
步骤四、MCU控制系统将当前二氧化碳浓度C1和当前气压值P1分别和二氧化碳期望浓度C0和期望气体压强P0相比较，如果二氧化碳浓度C1偏低，小于二氧化碳期望浓度C0的百分之九十五，即C1小于C0*0.95，则需要往气体混合室11内补充纯二氧化碳气体；否则执行步骤九。
补充纯二氧化碳气体时，MCU控制系统首先根据当前二氧化碳浓度C1和当前气压值P1计算出需要补充的纯二氧化碳体积其中，V为气体混合室11内部体积、P0为期望气体压强、C0为二氧化碳期望浓度。
步骤五、为了使二氧化碳充入量Vco2精确且实现方便，采用权值分解充气法，将需要补充的纯二氧化碳体积Vco2做权值分解，使确定四个单位充气量V0、和作为权值，计算出每个单位充气量对应的加药次数。其中加药次数 然后依次充入n0次体积V0的纯二氧化碳气体、n1次体积V1纯二氧化碳、n2次体积V2纯二氧化碳、n3次体积V3纯二氧化碳。当V0的值远小于气体混合室11的体积时，浓度误差将会很小。
因此，MCU控制系统工作时，首先计算出各单位充气量V0、以及对应的充气次数n0、n1、n2、n3，其中 V0值取远小于气体混合室11的体积，本发明可取V0＝16ml。
步骤六、MCU控制系统给电动推杆19控制信号，使第一活塞3工作。先控制电动推杆19带着活塞励磁线圈22运动至距活塞上腔44下壁高度处，其中R为活塞下腔45的内径。再控活塞励磁线圈22通电，使永磁铁23受磁场作用带着充气活塞头25向上运动，直至永磁铁23与活塞励磁线圈22相吸合。进而将纯二氧化碳储气瓶1中的纯二氧化碳气体通过减压阀2和进入第一阀门4中的阀门气腔35内。然后MCU控制系统改变活塞励磁线圈22的通电电流方向，使得永磁铁23受反向磁场力向下运动，进而将第一阀门4中的阀门气腔35内的二氧化碳气体充入气体混合室11中，完成一个单位体积二氧化碳充入工作。
循环重复上述动作n0次，这样就完成了n0次单位充气量V0对应部分的充气工作。
步骤七、MCU控制系统给电动推杆19控制信号，使电动推杆19带着活塞励磁线圈22运动至距活塞上腔44下壁高度处，其中R为活塞下腔45内径。MCU控制系统控制第一活塞3中的活塞励磁线圈22通电，使永磁铁23受磁场作用带着充气活塞头25向上运动至永磁铁23与活塞励磁线圈22相合，进而纯二氧化碳储气瓶1中的纯二氧化碳气体通过减压阀2和进入阀门气腔35内。然后MCU控制系统改变活塞励磁线圈22电流方向，使得永磁铁23受反向磁场力向下运动，进而将阀门气腔35中的二氧化碳气体充气气体混合室11内，完成一个单位体积二氧化碳充入工作。
循环重复上述动作n1次，这样就完成了n1次单位充气量V1对应部分的充气工作。
步骤八、以此类推，MCU控制系统继续控制完成n2次单位充气量V2和n3次单位充气量V3对应部分的充气工作，完成4个不同的单位充气量，这样就完成了纯二氧化碳的补充，补充的二氧化碳总体积是Vco2。
步骤九、如果，MCU控制系统判断出当前气压值P1偏低，小于期望气体压强P0的百分之九十五，即P1小于P0*0.95，则需要向气体混合室11中补充空气，使其内气压达到期望气体压强P0，否则执行步骤十一。
向气体混合室11中补充空气时，MCU控制系统先控制第二阀门6中第一励磁线圈40a通电、第二励磁线圈40b断电，使第一密封橡胶块38a和第二密封橡胶块38b整体运动进而堵住第二通气孔42b。然后，MCU控制系统再控制第二活塞5中的活塞励磁线圈22通电，使永磁铁23受磁场作用带着气体活塞头25向上运动至永磁铁23与活塞励磁线圈22相合，进而使气体混合室11外的空气通过第一通气孔42a进入阀门气腔41内。之后，MCU控制系统交换第二励磁线圈40b和第一励磁线圈40a通电状态，使第一密封橡胶块38a和第二密封橡胶块38b运动进而第一通气孔42a。然后，改变活塞励磁线圈22电流方向，使得永磁铁23受反向磁场力向下运动，进而将阀门气腔41中的空气充入气体混合室11内，完成一次空气充入工作。
步骤十、MCU控制系统继续读取气压传感器数据，如果气体混合室11内当前气压P1小于期望气体压强P0，则重复步骤九的空气充入工作，直到当前气压P1等于期望气压P0为止。
步骤十一、如果MCU控制系统判断出气体混合室11内的当前二氧化碳浓度C1偏高，大于二氧化碳期望浓度C0的百分之一百零五，即C1大于C0*1.05；或者检测到的当前气压值P1偏高，大于期望气体压强P0的百分之一百零五，即P1大于P0*1.05；则需要将气体混合室11内的气体排出，实现再平衡，否则跳至步骤三。
需要排出气体时，MCU控制系统控制第二阀门6中第二励磁线圈40b通电、第一励磁线圈40a断电，使第一、第二密封橡胶块38a、38b运动进而堵住第一通气孔42a；然后控制第二活塞5中的活塞励磁线圈22通电，使永磁铁23受磁场作用带着气体活塞头25向上运动至永磁铁23与活塞励磁线圈22相合，进而使气体混合室11中混合气体通过第二通气孔42b进入阀门气腔41中。之后，交换第二励磁线圈40b和第一励磁线圈40a的通电状态，使第一、第二密封橡胶块38a、38b运动进而堵住第二通气孔42b。接着，MCU控制系统改变励活塞磁线圈22的电流方向，使得永磁铁23受反向磁场力向下运动，进而将阀门气腔41中的混合气体排出去，完成一次混合气体排出工作。
步骤十二、MCU控制系统继续读取气压传感器数据和气体浓度传感器数值，如果检测的当前二氧化碳浓度C1仍然大于二氧化碳期望浓度C0的百分之一百零五，或者检测的当前气压值P1仍然大于期望气体压强P0的百分之一百零五，则重复步骤十一直到当前二氧化碳浓度C1小于二氧化碳期望浓度C0的百分之九十五，且当前气压值P1小于期望气体压强P0的百分之九十五为止。否则，跳至步骤三，开始下一轮检测控制。

Claims (9)

1.一种微流控细胞培养用二氧化碳浓度控制装置，包括细胞培养室(14)，其特征是：纯二氧化碳储气瓶(1)经减压阀(2)、第一阀门(4)连通气体混合室(11)，第一活塞(3)连接第一阀门(4)且控制纯二氧化碳储气瓶(1)中的气体经第一阀门(4)单向流入气体混合室(11)；外部空气经第二阀门(6)连通气体混合室(11)，第二活塞(5)连接第二阀门(6)且控制外部和气体混合室(11)之间的气体经第二阀门(6)双向流动；第一活塞(3)和第二活塞(5)的结构相同且由MCU控制系统控制工作；细胞培养室(14)通过循环通气管道和气体混合室(11)联通，循环通气管道上串接排气扇(13)，排气扇(13)经控制线连接MCU控制系统；气体混合室(11)内部装有连接于MCU控制系统的气体压强传感器和二氧化碳传感器。
2.根据权利要求1所述的一种微流控细胞培养用二氧化碳浓度控制装置，其特征是：第一活塞(3)或第二活塞(5)的外部都是一个密闭的活塞套筒(20)，内部有活塞上腔(44)和活塞下腔(45)，活塞下腔(45)底部通过活塞出气口(26)连接第一阀门(4)或第二阀门(6)；活塞下腔(45)中从上至下同轴心地设有相连接的永磁铁(23)、连杆(24)和充气活塞头(25)，充气活塞头(25)与活塞下腔(45)的内壁之间密封且滑动连接；活塞上腔(44)内设有电动推杆(19)，电动推杆(19)输出轴底部同轴固定连接位于永磁铁(20)的正上方的活塞励磁线圈(22)；电动推杆(19)和活塞励磁线圈(22)均与MCU控制系统相接。
3.根据权利要求2所述的一种微流控细胞培养用二氧化碳浓度控制装置，其特征是：所述的第一阀门(4)外部是两端开口朝向下方的阀体(27)，内腔形成阀门气腔(35)，阀体(27)两端开口处各密封套有第一套筒(34a)、第二套筒(34b)；第一套筒(34a)顶部设有上下贯通的第一堵气通孔(32a)，第一堵气通孔(32a)正上方是固定连接第一弹簧(30a)下端的第一堵气凸块(31a)，第一弹簧(30a)上端固定连接贯通阀门气腔(35)的第一固定卡口(29a)，第一堵气凸块(31a)能向下运动正好堵住第一堵气通孔(32a)；第二套筒(34b)顶部设有上下贯通的第二固定卡口(29b)，第二固定卡口(29b)固定连接正上方的第二弹簧(30b)下端，第二弹簧(30b)上端固定连接第二堵气凸块(31b)，第二堵气凸块(31b)正上方是贯通阀门气腔(35)的第二堵气通孔(32b)，第二堵气凸块(31b)向上运动堵住第二堵气通孔(32b)；阀体(27)顶部中间设有连接第一活塞(3)的活塞出气口(26)的上出气孔(28)，第一套筒(34a)底部开有连接减压阀(2)第一个下出气孔(33a)，第二套筒(34b)底部开有连接气体混合室(11)的第二个下出气孔(33b)。
4.根据权利要求3所述的一种微流控细胞培养用二氧化碳浓度控制装置，其特征是：当第一活塞(3)的充气活塞头(25)向上运动，阀门气腔(35)中的气压降低，第一堵气凸块(31a)向上移动，第一堵气通孔(32a)打开，纯二氧化碳便通过第一个下出气孔(33a)进入阀门气腔(35)中；第二堵气凸块(31b)向上堵住着第二堵气通孔(32b)；当第一充气活塞(3)的充气活塞头(25)向下运动，阀门气腔(35)中的气压增大，第一堵气凸块(31a)向下运动，关闭第一堵气通孔(32a)；第二堵气凸块(31b)打开第二堵气通孔(32b)，阀门气腔(35)中的二氧化碳通过第二个下出气孔(33b)进入气体混合室(11)中。
5.根据权利要求2所述的一种微流控细胞培养用二氧化碳浓度控制装置，其特征是：所述的第二阀门(6)外部是阀体(37)，内部形成阀门气腔(41)，阀体(37)开有上方的一个上出气孔(36)和下方的第一通气孔(42a)、第二通气孔(42b)；上出气孔(36)连接第二活塞(5)的活塞出气口(26)，第一通气孔(42a)与大气相通，第二通气孔(42b)与气体混合室(11)连接；阀体(37)相对的两侧内壁上各设置一个励磁线圈，两个励磁线圈之间设有两个能沿阀体(37)内壁密封滑动的密封橡胶块，两个密封橡胶块(38b)之间通过橡胶块连杆(43)相连接，每个密封橡胶块的面对着励磁线圈这一面上固定连接一个铁块，两个励磁线圈均与MCU控制系统相接。
6.根据权利要求5所述的一种微流控细胞培养用二氧化碳浓度控制装置，其特征是：第二活塞(6)的充气活塞头(25)向上运动，阀门气腔(41)中的气压降低，给第一励磁线圈(40a)通电、第二励磁线圈(40b)断电，第一励磁线圈(40a)吸引面对的第一铁块(39a)向运动至两者吸合位置，第二密封橡胶块(38b)正好堵住第二通气孔(42b)，第一通气孔(42a)处于打开状态；空气进入阀门气腔(41)内部；交换第一励磁线圈(40a)和第二励磁线圈(40b)的通电状态，则第二铁块(39b)向第二励磁线圈(40b)方向运动至吸合位置，第一密封橡胶块(38a)正好赌住第一通气孔(42a)，第一通气孔(42a)关闭，第二通气孔(42b)处于打开状态，第二活塞(6)的充气活塞头(25)向下运动将入阀门气腔(41)内的空气充入气体混合室(11)中。
7.根据权利要求1所述的一种微流控细胞培养用二氧化碳浓度控制装置，其特征是：气体混合室(11)顶部装有紫外线杀毒灯(9)，紫外线杀毒灯(9)经控制线连接MCU控制系统。
8.一种如权利要求2所述的二氧化碳浓度控制装置的控制方法，其特征是具有以下步骤：
A、气体压强传感器和二氧化碳传感器分别检测气体混合室(11)内的气体压强和二氧化碳浓度并输入MCU控制系统，MCU控制系统将当前二氧化碳浓度C1和当前气压值P1分别和二氧化碳期望浓度C0和期望气体压强P0相比较；
B、如果C1小于C0*0.95，MCU控制系统计算出需要补充的纯二氧化碳体积V为气体混合室(11)内部体积；再将Vco2做权值分解，使确定四个单位充气量V0、 计算出每个单位充气量对应的加药次数n0、n1、n2、n3，依次充入n0次体积V0、n1次体积V1、n2次体积V2、n3次体积V3的纯二氧化碳；
C、如果P1小于P0*0.95，MCU控制系统控制第二活塞(5)中的活塞励磁线圈(22)通电，永磁铁(23)带着气体活塞头(25)向上运动与活塞励磁线圈(22)相合，空气进入第二阀门(6)内；然后改变活塞励磁线圈(22)电流方向，永磁铁(23)向下运动，将第二阀门(6)内的空气充入气体混合室(11)内；
D、如果C1大于C0*1.05或者P1大于P0*1.05，MCU控制系统控制第二活塞(5)中的活塞励磁线圈(22)通电，永磁铁(23)带着气体活塞头(25)向上运动与活塞励磁线圈(22)相合，气体混合室(11)中的混合气体进入第二阀门(6)内；然后改变励活塞磁线圈(22)的电流方向，永磁铁(23)向下运动，将第二阀门(6)内的混合气体排出。
9.根据权利要求8所述的二氧化碳浓度控制装置的控制方法，其特征是：步骤B中，依次充入n0次体积V0、n1次体积V1、n2次体积V2、n3次体积V3的纯二氧化碳的步骤是：
1)MCU控制系统先控制电动推杆(19)工作，带着活塞励磁线圈(22)运动至距活塞上腔(44)下壁高度处，R为活塞下腔(45)的内径；再控制活塞励磁线圈(22)通电，永磁铁(23)带着充气活塞头(25)向上运动，纯二氧化碳储气瓶(1)中的纯二氧化碳通过减压阀(2)进入第一阀门(4)中的阀门气腔(35)内；改变活塞励磁线圈(220的通电电流方向，将第一阀门(4)中内的二氧化碳气体充入气体混合室(11)中；
2)循环重复步骤1)n0次，完成n0次单位充气量V0的充气工作；
3)重复步骤1)，但其中的活塞励磁线圈(22)运动至距活塞上腔(44)下壁高度处；
4)重复步骤3)n1次，完成n1次单位充气量V1的充气工作；
5)以此类推的完成n2次单位充气量V2和n3次单位充气量V3的充气工作。
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