CN112505042A - 生物样本成像设备 - Google Patents

Abstract

本公开实施例公开了一种生物样本成像设备，包括培养箱，所述培养箱的一侧设置有观察窗；生物样本培养模块，设置于所述培养箱的内部；成像模块，设置于所述培养箱的外部，通过所述观察窗采集所述生物样本培养模块中培养的生物样本的图像，从而能够在动态拍摄生长过程的同时，方便地控制培养箱内的环境，适应各种科研场景的需求，此外，由于培养箱内外的隔离，降低了成像模块对生物样本的干扰。

Description

生物样本成像设备

技术领域

本公开涉及生物仪器技术领域，具体涉及一种生物样本成像设备。

背景技术

在传统的植物学科学研究中，受实验手段所限只能研究植物表型(描述植物生长状态的特征或参数)在某一个时间截面时的静止状态，反映的是该时间点以前全部生物学动态过程的累积效应。然而植物的生长发育是一系列时间——空间特异的过程的组合，只有观察动态变化过程才能更加全面地认识植物生长发育调控的时空特异性。

在植物学的基础科学研究中，包括但不限于植物抗环境胁迫(抗高温、抗冻、抗盐、抗缺氧、抗氧化损伤)、光信号通路、光合作用、植物激素信号通路、植物发育生物学、植物育种等课题方向，均需要研究动态的时空特异性，需要与之匹配的实验技术。

Binder,2007和Binder,2017描述了一种基于CCD图像传感器和光学镜头的方法，采用红外LED作为成像照明光源，可以对10mm长度左右的小植物幼苗(如拟南芥)进行成像，并对获得的图像加以处理，得到每5分钟的生长速率变化。Men et al.,2012在上述Binder,2007技术的基础上，增加了步进电机控制的电控移动台来控制相机在水平和竖直方向的运动，以使相机视野在样品之间切换，最多可同时拍摄并分析24棵植物幼苗。以上装置均需要放置在暗室内以维持植物生长环境的稳定。

本发明人发现，这种方式无法方便地控制植物的生长条件，不能适应科研场景的需求。

发明内容

为了解决相关技术中的问题，本公开实施例提供一种生物样本成像设备，该生物样本成像设备包括：

培养箱，所述培养箱的一侧设置有观察窗；

生物样本培养模块，设置于所述培养箱的内部；

成像模块，设置于所述培养箱的外部，通过所述观察窗采集所述生物样本培养模块中培养的生物样本的图像。

根据本公开实施例，该设备还可以包括光学隔震平台，所述培养箱的底部设有开孔，所述生物样本培养模块穿过所述开孔固定于所述光学隔震平台上。

根据本公开实施例，该设备还可以包括外壳，设置于所述培养箱和成像模块的外部，围成一个避光的暗室。

根据本公开实施例，该设备还可以包括主控计算机，用于控制所述培养箱、生物样本培养模块以及成像模块的运行，并接收生物样本图像。

根据本公开实施例，所述培养箱包括温度控制系统和气体控制系统：

所述温度控制系统包括温度传感器、控制电路、压缩机、冷凝器、蒸发器和循环风机，其中，所述压缩机设置于所述箱体的外部；

所述气体控制系统包括气源、混气设备以及气体传感器。

根据本公开实施例，所述生物样本培养模块包括：

旋转架，包括旋转平台和支架本体，所述支架本体上形成多个培养皿架安装位；以及

培养皿架，可拆卸地安装在所述安装位上，用于固定培养皿。

根据本公开实施例，所述支架本体与所述旋转平台固定连接，所述支架本体包括第一支架和第二支架，所述第一支架呈放射状分布，第一支架延伸出所述旋转平台的端部固定有所述第二支架，相邻所述第二支架的空间部分形成所述安装位。

根据本公开实施例，所述第二支架上固定至少一个架位固定件，相邻两个第二支架的架位固定件之间形成所述安装位，其中，所述旋转架上至少包括两个不同高度的架位固定件。

根据本公开实施例，所述架位固定件包括两个安装孔，用于兼容多种类型的培养皿架，所述多种类型的培养皿架包括小型竖直培养皿架、大型水平培养皿架、气密培养皿架以及重力培养皿架中的两种以上。

根据本公开实施例，所述培养皿架包括第一照明部件和/或第二照明部件，所述第一照明部件设置于所述培养皿架的框架的内侧，所述第二照明部件设置于所述培养皿架的顶部。

根据本公开实施例，所述成像模块通过转接组件设置在三维位移控制装置上，所述转接组件具有水平台面，所述水平台面上设置有导轨和定位销孔，所述导轨用于提供承载滑动路径，所述定位销孔用于对所述成像模块进行定位。

根据本公开实施例，所述成像模块包括微观表型检测模块、宏观表型检测模块、发光检测模块、荧光检测模块中的任意一种。

根据本公开实施例，该设备还可以包括前置成像照明模块，安装于所述三维位移控制装置上，位于所述三维位移控制装置靠近所述培养箱的一端，用于透过所述观察窗对所述生物样本培养模块提供前置光源。

根据本公开实施例，该设备还可以包括背置成像照明模块，安装于所述培养箱内部，用于对所述生物样本培养模块提供背置光源。

根据本公开实施例提供的技术方案，通过培养箱，所述培养箱的一侧设置有观察窗；生物样本培养模块，设置于所述培养箱的内部；成像模块，设置于所述培养箱的外部，通过所述观察窗采集所述生物样本培养模块中培养的生物样本的图像，从而能够在动态拍摄生长过程的同时，方便地控制培养箱内的环境，适应各种科研场景的需求，此外，由于培养箱内外的隔离，降低了成像模块对生物样本的干扰。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

结合附图，通过以下非限制性实施方式的详细描述，本公开的其它特征、目的和优点将变得更加明显。在附图中：

图1示出根据本公开实施例的生物样本成像设备的示意图；

图2示出根据本公开实施例的培养箱的示意图；

图3示出根据本公开实施例的气体控制系统的示意图；

图4示出根据本公开实施例的旋转架的示意图；

图5A和图5B示出根据本公开实施例的旋转平台的示意图；

图6示出根据本公开实施例的架位固定件的示意图；

图7示出根据本公开实施例的安装有多种培养皿架的旋转架的示意图；

图8示出根据本公开实施例的小型竖直培养皿架的示意图；

图9示出根据本公开实施例的固定爪的示意图；

图10示出根据本公开实施例的大型水平培养皿架的示意图；

图11示出根据本公开实施例的长方形培养皿的示意图；

图12示出根据本公开实施例的顶置光源的示意图；

图13-16示出根据本公开实施例的气密培养皿架的示意图；

图17示出根据本公开实施例的框架顶端的结构示意图；

图18示出根据本公开实施例的侧置光源的示意图；

图19和图20示出根据本公开实施例的重力培养皿架的示意图；

图21A示出正常培养条件下植物根尖方向的分布示意图；

图21B示出根据本公开实施例的重力扰乱条件下的植物根尖方向的分布示意图；

图22示出根据本公开实施例的三维位移控制装置的示意图；

图23示出根据本公开实施例的微观表型检测模块的示意图；

图24示出根据本公开实施例的宏观表型检测模块的示意图；

图25示出根据本公开实施例的发光检测模块的示意图；

图26示出根据本公开实施例的荧光检测模块的示意图；

图27示出根据本公开实施例的采用前置光源得到的植物样本观测图像；

图28-30示出根据本公开实施例的背置成像照明模块的示意图；

图31示出根据本公开实施例的采用背置光源得到的植物样本观测图像。

具体实施方式

下文中，将参考附图详细描述本公开的示例性实施例，以使本领域技术人员可容易地实现它们。此外，为了清楚起见，在附图中省略了与描述示例性实施例无关的部分。

在本公开中，应理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不欲排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在或被添加的可能性。

另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

现有技术如Binder,2007、Men et al.,2012和Binder,2017均无法方便地控制植物的生长条件，不能适应科研场景的需求。本公开实施例提供的生物样本成像设备，通过在培养箱的一侧设置观察窗；生物样本培养模块设置于所述培养箱的内部；成像模块设置于所述培养箱的外部，通过所述观察窗采集所述生物样本培养模块中培养的生物样本的图像，从而能够在动态拍摄生长过程的同时，方便地控制培养箱内的环境，适应各种科研场景的需求，此外，由于培养箱内外的隔离，降低了成像模块对生物样本的干扰。

图1示出根据本公开实施例的生物样本成像设备的示意图。

如图1所示，该生物样本成像设备包括：

培养箱4，培养箱4的一侧设置有观察窗；

生物样本培养模块5，设置于培养箱4的内部；

成像模块3，设置于培养箱4的外部，通过观察窗采集所述生物样本培养模块5中培养的生物样本的图像。

根据本公开实施例，生物样本可以是植物样本，尤其是植物幼苗样本。本公开实施例提供的生物样本成像设备，可以是植物幼苗成像设备，用于植物幼苗的生长状态的分析。生物样本培养模块5中可以设置培养皿，用于培养生物样本。培养箱4可以灵活调整生物样本的环境条件，包括温度、气体成分浓度等，以满足多种实验条件变量的控制需求。培养箱4侧壁的观察窗可以使培养箱外部的成像模块3采集培养箱4内部的生物样本的图像数据用于研究。

根据本公开实施例提供的技术方案，通过在培养箱的一侧设置观察窗；生物样本培养模块设置于所述培养箱的内部；成像模块设置于所述培养箱的外部，通过所述观察窗采集所述生物样本培养模块中培养的生物样本的图像，从而能够在动态拍摄生长过程的同时，方便地控制培养箱内的环境，适应各种科研场景的需求，此外，由于培养箱内外的隔离，降低了成像模块对生物样本的干扰。

根据本公开实施例，该设备还可以包括外壳1，设置于培养箱4和成像模块3的外部，围成一个避光的暗室。在设备运行时，能够保证成像暗室和培养箱4箱体内的黑暗环境，适于检测黑暗环境中生长的生物样本的生长状态，以及通过长时间曝光检测暗弱的化学发光样品信号。

根据本公开实施例，该设备还可以包括主控计算机，用于控制培养箱4、生物样本培养模块5以及成像模块3的运行，并接收生物样本图像。该主控计算机可以与各个模块的控制板相连接，通过整合的计算机软件控制每个模块的运行，获得、存储并分析生物样本的图像数据。

根据本公开实施例，该设备还可以包括光学隔震平台2，成像模块3、培养箱4、生物样本培养模块5等可固定在光学隔震平台2上以隔离震动，避免成像时产生图像抖动。培养箱4的压缩机、主控计算机等产生震动的组件，不放置在光学隔震平台2上。

下面对本公开实施例的培养箱4的部分进行介绍。

培养箱具有温度控制功能，可以将培养箱内部的温度控制在预定的温度，例如20℃、25℃、37℃等，以控制环境中的温度变量，实现特定的目的。然而，本发明人发现，在一些特殊场景下，对培养箱内的物体的稳定性要求非常高，需要尽可能地降低扰动，现有技术不能满足这一需求。

为了解决上述问题，本公开实施例提供的培养箱的底部设有开孔，生物样本培养模块穿过该开孔固定于所述光学隔震平台上，从而使生物样本培养模块穿过培养箱固定在光学隔震平台上，生物样本培养模块不易受到培养箱壳体机械强度的影响而能够保持稳定，同时光学隔震平台的上表面对培养箱底部形成密封，保持培养箱内部的密闭性。

图2示出根据本公开实施例的培养箱4的示意图。如图2所示，该培养箱4包括：

箱体8，所述箱体8包括至少一个箱门，所述箱体8底部具有开孔14；

温度控制系统7，包括温度传感器、温度调节装置和控制电路，所述控制电路用于根据所述温度传感器获得的温度和目标温度，控制所述温度调节装置工作。

根据本公开实施例，为了进一步加强培养箱4底部与光学隔震平台2之间的密闭性，可以在培养箱4底部设置一层橡胶垫。生物样本培养模块5可以穿过开孔14和橡胶垫固定在光学隔震平台2上。

根据本公开实施例，所述温度调节装置可以包括压缩机6、冷凝器、蒸发器和循环风机，其中，所述压缩机6设置于所述箱体8的外部，其他部分设置于箱体8内。例如，如图2所示，压缩机6设置在所述箱体8的外部，由铜管与箱体8连接，从而避免压缩机6工作时产生的震动干扰箱体8内需要保持稳定的生物样本培养模块5。箱体8内还设置有出风口9，当箱体8的箱门关闭后，温度调节装置冷却或加热后的空气从出风口9吹出，从循环风机吸回，以实现箱体8内密闭空间的温度控制。出风口9可以设置在箱体底部，并且可以设置为长条形，以增加出口截面积，从而在相同风速下可以提高温度控制能力。

根据本公开实施例，该温度调节装置可以用于控制所述箱体内部保持恒温，也可以按照预定温度程序控制箱体内部的温度变化，例如可以控制箱体内部的温度以1摄氏度/分钟的速度在20摄氏度和30摄氏度之间反复改变等等。

根据本公开实施例，观察窗10两侧可以覆有镀膜，以增加观察窗10在可见光和/或红外光波段的透光率。

根据本公开实施例，箱体8外侧的成像设备3可以透过观察窗10对箱体8内的物体进行拍摄，观察窗10所用玻璃采用双面镀膜，同时增加玻璃在可见光与例如940nm红外光波段的透光率，以减少箱体8外侧的红外照明光源反射到镜头中的反光，并减少箱体8内的物体在使用箱体8外侧的传感器检测时的光信号损失。

根据本公开实施例，观察窗10的周围可安装有加热件，用于防止内层观察窗玻璃在内部低温环境时的表面结霜。

根据本公开实施例，箱体8内部设置有插座，例如航空插座面板13上的航空插座，箱体8上设置有通孔，所述插座通过该通孔与外部电连接。箱体8内部设备与外界的电气连接均通过该面板上的航空插座，以保证走线处不透光、不漏气。

根据本公开实施例，培养箱4包括气体控制系统，箱体8上设置有进气口11和排气口12，气体控制系统与进气口11相连。气体控制系统通过进气口11向箱体8内输送气体，并从排气口12排出，以控制箱体8内部各气体成分的浓度。

根据本公开实施例，排气口12处设置有排气电磁阀。通常状态下，排气电磁阀处于关闭状态，以保持箱体内部的气密。在向箱体8内部通气后，由于不能排气而产生一定的压力，以保持箱体内部微小的正气压，进一步避免外部气体对箱体内部环境的干扰。在通入高压空气进行快速冲洗的过程中，可以打开排气电磁阀，将箱体内的气体快速排出箱体之外。

根据本公开实施例，在关闭箱门后，箱体内部保持密闭，能维持内部的微小正气压，且除观察窗外不透光；箱体内部保持气密，当排气电磁阀关闭时，从进气口11通入气体在箱体8内部产生微小正气压，可以防止外部空气从生产制造工艺问题产生的可能缝隙中渗入对内部环境造成污染。

图3示出根据本公开实施例的气体控制系统的示意图。

如图3所示，所述气体控制系统包括：多种不同成分的气源、混气设备以及气体传感器22。其中，气体传感器22设置于所述箱体8内，用于检测所述箱体8内的气体浓度。

根据本公开实施例，所述混气设备包括：

与所述气源对应的多条气路；

控制器，例如图3所示的主控板18，通过控制所述多条气路的截止阀15和流量控制器16(图中简称为流量计)，控制所述多条气路的气体流量；以及

混气罐19，与所述多条气路相连，用于混合气体，并与所述进气口11相连。

根据本公开实施例，每条气路可以包括截止阀15、流量控制器16、止回阀17，可以由控制器分别控制每路气体的通断和流量大小，并在混气罐19中将气体混合，通入培养箱的箱体8。箱体8内部的空气循环系统可使内部气体快速混匀。

根据本公开实施例，所述气源例如可以包括氧气、二氧化碳、乙烯等与植物生长发育密切相关的气体成分。通过气体传感器22的检测结果反馈控制各通路的气体流速，可以使培养箱4内部给定气体的浓度稳定维持在目标值附近。可以控制的气体成分和气体浓度范围，由气体传感器的类型与检测范围决定，并相应调整控制算法的各项参数，并不局限于前述三种气体。

通常地，如果待控制的目标浓度高于大气中的正常浓度时，可以通过调整压缩空气与高浓度目标气体的混合比例与流入速度来实现。如果目标浓度低于大气中的正常浓度则可以调整气源的类型。本公开实施例的气源还可以包括氮气气源，用于实现目标浓度低于大气中的正常浓度的场景。例如，对于缺氧环境，例如为了将氧气浓度维持在5％，可以分别控制压缩空气和纯氮气的混合比例与流速，通过氮气将密闭培养箱内的氧气排出以实现低氧条件。又如，为了实现小于400ppm的低二氧化碳浓度，则可以分别控制氮氧混合气和纯二氧化碳的混合比例与流速，通过氮氧混合气将空气中的二氧化碳排出以实现低二氧化碳条件。

根据本公开实施例，在所述空气气源对应的气路上可设置旁路电磁阀20。当开启旁路电磁阀20时可以将高压的压缩空气直接泵入箱体8，用于快速冲洗，将培养箱内其他气体成分迅速排净。此时应开启排气电磁阀21，使密闭培养箱内的气体通过排气通路排到设备外部。

下面以4种有代表性的使用场景：新风、目标浓度高于大气、目标浓度低于大气、快速冲洗恢复至大气浓度为例，对其实现方法进行示例性说明：

1、维持培养箱内气体环境稳定不受室内环境干扰

a)将空压机或压缩空气钢瓶接入空气通路，输入气压调整为0.2～0.4MPa；

b)开启空气路截止阀15和排气口截止阀21，关闭其他各路截止阀15，关闭旁路截止阀20；

c)使能空气路流量控制器16，设定流量为5～20L/min。

2、待控制的目标浓度高于大气中的正常浓度的实现例：向培养箱施加10ppm乙烯气体处理

a)将空压机或压缩空气钢瓶接入空气通路，输入气压调整为0.2～0.4MPa；将约300倍目标浓度的乙烯标准气钢瓶接入乙烯通路(如目标控制浓度为10ppm，使用3000ppm浓度的乙烯标准气，以氮气或空气为载气)，输入气压调整为0.2～0.4MPa；

b)开启空气、乙烯两路的截止阀15和排气口截止阀21，关闭其他各路截止阀，关闭旁路截止阀20；

c)使能空气、乙烯两路流量控制器16，设定空气流量为5～20L/min，使用PID(Proportion Integral Differential)算法根据乙烯传感器读数动态设定乙烯流量0～100mL/min；

d)乙烯传感器读数达到目标浓度值后，关闭排气口截止阀21，空气流量设为最大不超过1L/min，并使用PID算法根据乙烯传感器读数动态设定空气和乙烯流量。

3、待控制的目标浓度低于大气中的正常浓度的实现例：向培养箱施加缺氧条件处理(5％氧气浓度)

a)将空压机或压缩空气钢瓶接入空气通路，将氮气钢瓶接入氮气通路，输入气压调整为0.2～0.4MPa；

b)开启氮气、空气路的截止阀15和排气口截止阀21，关闭其他各路截止阀15，关闭旁路截止阀20；

c)使能氮气、空气路两路流量控制器16，设定流量最高为30L/min，使用PID算法根据氧气传感器读数动态设定氮气和空气的流量；

d)氧气传感器读数达到目标浓度值后，关闭排气口截止阀21，并使用PID算法根据氧气传感器读数动态设定空气和氮气流量。

4、施加气体处理后快速恢复正常大气水平(撤出气体处理)

a)将空压机或压缩空气钢瓶接入空气通路，输入气压调整为0.2～0.4MPa；

b)开启空气路的截止阀15，关闭除空气路外的其他各路气路的截止阀15，关闭空气气路的流量控制器16，开启旁路截止阀20和排气口截止阀21，使高压空气直接充入密闭培养箱并将原有气体挤出；

c)施加的气体处理对应传感器读数回复至阈值线后，关闭旁路截止阀，使能空气路流量控制器16，设定流量为5～20L/min。

此外，现有技术无法可扩展地大幅提高拍摄通量，目前的通量要实现严谨的统计分析是远远不够的，因此，如何提高拍摄通量以满足统计分析的需求是亟待解决的问题。

本公开实施例提供的生物样本培养模块，通过旋转架的设计，在有限空间内容纳更多的生物样本，并可通过自动控制使其分别对准成像模块，大幅提高了样本拍摄通量。

根据本公开实施例，生物样本培养模块5包括：

旋转架，包括旋转平台和支架本体，所述支架本体上形成多个培养皿架安装位；以及

培养皿架，可拆卸地安装在所述安装位上，用于固定培养皿。

图4示出根据本公开实施例的旋转架的示意图。

如图4所示，该支架本体23与旋转平台25固定连接，所述支架本体23包括第一支架31和第二支架32，所述第一支架31呈放射状分布，第一支架31延伸出所述旋转平台25的端部固定有所述第二支架32，相邻所述第二支架32的空间部分形成所述安装位，用于固定培养皿架。

本公开实施例提供的旋转架，可以在第二支架32上固定多个培养皿架，在旋转平台25的带动下，不同培养皿架可以分别对准固定位置设置的成像模块5，进而能够同时对多个培养皿架进行生物样本的成像分析，提高了样品分析通量。

根据本公开的实施例，该旋转架还可以包括：转角加固块33，设置在第一支架31与第二支架32连接的部分，用于加固所述支架本体23，保证在旋转过程中支架主体23的稳定。

根据本公开的实施例，所述第二支架32上还设置有架位固定件35，用于固定所述培养皿架。根据本公开实施例，第二支架32上固定至少一个架位固定件35，相邻两个第二支架32的架位固定件35之间形成所述安装位。

根据本公开的实施例，所述第二支架32上还设置有电气插座接口34，用于与所述培养皿架实现电连接。电气插座接口34可以固定在每个第二支架32上，数量也可以根据需要灵活设置，本公开对此不做限制。

根据本公开的实施例，所述电气插座接口34包括：具有光源和伺服电机控制引脚的电气线路连接器。

在本公开实施例的方式中，电气线路连接器可以包括：9针的排线插座，可以同时分别控制5路光源以及多路伺服电机。

具体针脚定义如下：

1-光源共阴/共阳极，2-顶置第1路光源，3-顶置第2路光源，4-顶置第3路光源，5-顶置第4路光源，6-侧置光源，7-伺服电机电源(VCC脚)，8-伺服电机接地(GND脚)，9-伺服电机数据总线(DATA脚)。

培养皿架内可以设置有不同波长和/或光强的光源，作为生物样本的培养光源。电气插座接口34用于与培养皿架内光源电连接，从而为生物样本提供培养的光源条件。例如，培养皿架上可以设置顶置培养光源和侧置培养光源。其中，顶置培养光源位于培养皿架的顶部，侧置培养光源位于培养皿架的侧部，对于顶置培养光源，使用9针插头但线缆仅接1～5脚，对于侧置培养光源，线缆仅接1、6脚。培养皿架还可以固定重力模块，重力模块可以改变生物样本在培养皿中的重力方向，对于重力模块，线缆仅接7～9脚。所有模块采用相同规格的9针插头，可以插入第二支架32上任意一个电气插座接口，不必区分每个接口的位置和功能。

其中，伺服电机采用数据总线方式控制，将多路电机连接到同一条数据总线上，可以根据数据包中包含的地址信息，由总线上对应地址编号的伺服电机响应并执行指令。

电气线路连接器可以采用排线插座，也可以采用航空插头等其他类型的连接器，来实现线缆的快速连接与断开。连接器的针脚数不限于9针，可以根据连接器每针的额定电流，决定多路LED光源是采用共阴/共阳极，或者是采用每路光源一组独立的阴/阳极引脚。伺服电机使用的引脚，也可以根据数据总线的类型，采用单针数据引脚(TTL信号控制方式)或2针数据引脚(RS485信号控制方式)。还可以预留出其他针脚用于后续功能的扩展，本公开对此不做限制。

图5A和图5B示出根据本公开实施例的旋转平台25的示意图。

如图5A所示，所述旋转平台25可以包括：第一底座24、固定于所述第一底座24的法兰、挡片105和固定于所述第一底座24的光电限位开关106；

其中，所述法兰的间隙处固定所述挡片105，所述挡片105的高度与所述光电限位开关106的高度适配；所述挡片105上带有豁口，所述光电限位开关106的光信号能够通过所述豁口。

在本公开实施例的方式中，利用光电限位开关106来对旋转平台25的零点位置进行校准，当旋转平台25旋转时，挡片105可以阻挡光电限位开关106的光信号，豁口处光信号可以通过，通过检测光信号可以实现零点位置的校准，以使培养皿架能够对准成像设备。

一种示例性的校准方法如下：

a)以约25°/s的速度逆时针方向旋转，直到光电限位开关信号接通停止移动；

b)以约10°/s的速度顺时针方向旋转，直到光电限位开关信号断开停止移动；

c)以约0.1°/s的速度逆时针方向旋转，直到光电限位开关信号接通停止移动；

d)以正常驱动速度顺时针方向旋转1°，将当前位置设定为零点。

通过上述校准方法校准零点位置，以实现成像设备对培养皿架内生物样本的精准定位，能够提高生物样本分析的精度。

本领域普通技术人员可以知晓，还可以采用其它的顺时针、逆时针旋转方式及旋转速度实现校准零点位置，本公开对此不作限定。

如图5B所示，所述旋转架还包括：分线板27，固定于所述旋转平台25的上方，其中，所述旋转平台25内部设置有导电滑环26，连接所述电气插座接口34的线缆经由所述分线板27汇合后，与所述导电滑环26电连接。

在本公开实施例的方式中，电气插座接口34的数量可以与培养皿架的数量对应，便于就近连接电气插座接口34与培养皿架，不同第二支架32上引出的线缆经由分线板27汇合后，与旋转平台25内部的导电滑环26电连接，保证培养皿架在第二支架32旋转带动的过程中，线缆能够跟随培养皿架一并旋转，不会发生线缆的缠绕，并且将电信号可靠地由导电滑环26传导至电气插座接口34。

根据本公开的实施例，所述旋转平台25顶部设置有安装孔，通过所述安装孔固定所述第一支架31和所述分线板27。其中，所述第一支架31固定于所述分线板27与所述旋转平台25之间。所述旋转平台25还设置中心通孔，连接所述电气插座接口34的线缆经由所述分线板27汇合后，通过所述中心通孔与所述导电滑环26电连接。

根据本公开的实施例，所述安装孔包括：支架安装孔和分线板安装孔；所述支架安装孔和分线板安装孔间隔排布。其中，通过所述支架安装孔固定所述第一支架31形成放射状分布，将分线板27通过分线板安装孔固定于所述旋转平台25的上方，第一支架31从固定分线板27的竖直安装件之间的间隙处向旋转平台25的台面外延伸，形成自由端，在该自由端安装第二支架32。

根据本公开的实施例，所述支架安装孔至少为2组，从而形成至少一组相邻的第二支架32，以便于在相邻第二支架32的空间部分固定培养皿架。

根据本公开的实施例，所述支架安装孔为8组，每组之间夹角呈45°，从而形成八向主支架，即第二支架32的数量为8个，相邻第二支架32共有8组，用于固定培养皿架。

本领域普通技术人员可以知晓，支架安装孔可以为其它组数，每组间的夹角也可以为其它角度，从而形成八向之外的其它向数的主支架。本公开对此不做限定。

在本公开实施例的方式中，每组支架安装孔可以用于固定一组第一支架31，因此第二支架32以及第一支架31均为8组，相邻第二支架32上固定培养皿架后，对于固定位置的成像设备来说，可以旋转以使每个方向上的培养皿架依次对准成像设备，然后进行生物样本的成像分析。需要说明的是，第二支架32上可以在不同高度设置多个培养皿架，进行成像分析时，只需调整成像设备的高度对培养皿架内生物样本成像即可，而无需调整培养皿架的对准位置。

在本公开实施例的方式中，每组支架安装孔的数量可以是1-5个，为固定支架本体23提供支撑，具体数量可以根据需要灵活进行调整，本公开对此不做限制。

根据本公开的实施例，所述导电滑环26包括：定子部分和转子部分；所述转子部分固定于所述旋转平台25的台面；所述定子部分固定于所述旋转平台25的第一底座24上。

根据本公开的实施例，所述旋转架还包括：气泵固定板28、气泵减震套以及气泵29；所述气泵固定板28固定于所述分线板27的上方，气泵固定板28上固定若干所述气泵减震套，所述气泵29设置于所述气泵减震套的内部；所述气泵29用于所述培养皿架内外气体交换。

在本公开实施例的方式中，通过气泵29可以将空气、氧气、二氧化碳、乙烯等气体泵入培养皿架内，以实现气密培养皿的空气成分与培养箱内保持一致，用于研究植物在该实验条件下的生长状态，从而能够满足不同实验条件的需求。

根据本公开的实施例，所述旋转架还包括：电气设备罩30，固定于所述第一支架31上方；所述电气设备罩30上设置有气泵管出口，连接所述气泵29的气泵管通过所述气泵管出口与所述培养皿架连通。

根据本公开的实施例，所述旋转架还包括：气动接头，与所述气泵29的气体管路连接，设置在所述第二支架32上。

在本公开实施例的方式中，所述气动接头可以设置在所述电气插座接口34的侧面，例如可以安装一个用于连接气动软管的接头(快插式、快拧式或宝塔式接头)，通过埋藏在支架本体23内的软管与气泵29连接，通过软管与培养皿架的进气孔连接。

根据本公开的实施例，所述旋转架还包括：液体输送接头(图中未示出)，与所述导电滑环26的液体管路连接，设置在所述第二支架32上。

在本公开实施例的方式中，所述液体输送接头可以设置在所述电气插座接口34的侧面，为每个培养皿架内生物样本提供培养液循环。若连接液体管路，导电滑环26应选择电液混合型的滑环，培养液储存瓶、蠕动泵等液体管路其他元件用软管连接，通过导电滑环26引入支架本体23内。

根据本公开实施例的技术方案，通过旋转架，可以容纳更多的生物样本，提高样品分析通量。

返回参考图4，根据本公开实施例，架位固定件35可以包括两个安装孔，用于兼容多种类型的培养皿架，所述多种类型的培养皿架包括小型竖直培养皿架、大型水平培养皿架、气密培养皿架以及重力培养皿架中的两种以上。

图6示出根据本公开实施例的架位固定件35的示意图。

如图6所示，架位固定件35可以包括：支架固定部分351、成对设置的第一架位部分352和第二架位部分353；所述第一架位部分352和第二架位部分353分别位于所述支架固定部分351的两侧；其中，所述第一架位部分352和第二架位部分353均设置有至少两个安装孔；所述安装孔组成一列安装位。

在本公开实施例的方式中，所述第一架位部分352和第二架位部分353分别与所述支架固定部分351呈钝角设置，从而呈现出开合状态，便于固定培养皿支架的操作。

在本公开实施例的方式中，所述安装孔包括上安装孔354和下安装孔355；所述上安装孔354和下安装孔355组成一列安装位。

在本公开实施例的方式中，上安装孔354和下安装孔355可以为通孔，也可以为U型槽，可以利用螺钉、螺母等零件穿过通孔或者U型槽固定培养皿支架，或者，上安装孔354和下安装孔355可以为L型槽，可以利用螺丝推入L型槽横向部分后向下滑入竖直部分实现固定，这样更便于确定前后的位置。

在本公开实施例的方式中，一列安装位不限于两个安装孔，也可以由多个安装孔组成一列安装位，根据培养皿固定架的大小选择安装位上合适的安装孔固定，本公开对此不做限制。

根据本公开的实施例，同一所述第二支架32的不同高度位置处固定有所述架位固定件35；以及/或者若干所述第二支架32的相同高度位置处固定有所述架位固定件35。

根据本公开实施例，所述旋转架上至少包括两个不同高度的架位固定件35。

在本公开实施例的方式中，可以在每个第二支架32上设置多个数量的架位固定件35，并且不同第二支架32上设置的架位固定件35的高度相同，从而使得不同第二支架32上的安装位高度接近，便于利用安装位将多个培养皿架分层固定在支架本体23上，提高了固定培养皿架的数量。

可以理解，若需要固定更多数量的培养皿架，只需相应地增加第二支架32的高度以及架位固定件35的数量，设置更多层的安装位即可，本公开对此不予赘述。

根据本公开的实施例，用于固定同一培养皿架的两个架位固定件35上的所述安装孔的高度相匹配，并且，所述两个架位固定件35的高度相同或不同。

在本公开实施例的方式中，固定同一培养皿架的两个架位固定件35可以是通用件，两个架位固定件的高度相同时安装位上的安装孔处于对齐状态，便于固定培养皿架。

在本公开实施例的方式中，若干所述第二支架32上架位固定件35间也可以错位一个或几个安装孔的位置设置，并保证其他安装孔的位置对齐，同样可以实现利用安装位分层固定多个培养皿支架，本公开对此不做限制。

根据本公开的实施例，所述架位固定件35的一列安装位由两个安装孔组成，用于在所述架位固定件35的一侧安装一个小型培养皿架；或者

所述架位固定件35的一列安装位由四个以上的安装孔组成，用于在所述架位固定件35的左侧或右侧安装两个以上小型培养皿架，或者至少一个大型培养皿架；或者

相邻两个所述第二支架32的架位固定件35的长度不同，较长的所述架位固定件35与至少一个较短的所述架位固定件35上所述安装孔的高度相匹配。

在本公开实施例的方式中，例如可以在架位固定件35上开设两个安装孔，也可以开设四个安装孔作为一列安装位。固定小型培养皿架通常需要两个安装孔即可保证稳定，因此，可以利用两个安装孔的架位固定件35固定一个小型培养皿架，或者利用四个安装孔的架位固定件35固定两个小型培养皿架。当然也可以利用四个安装孔的架位固定件35固定一个大型培养皿架，从而保证稳定。依次类推，可以根据架位固定件35上开设的安装孔的数量安装不同大小、数量的培养皿架，本公开对此不做限制。

在本公开实施例的方式中，架位固定件35可以是非通用件，也就是说，相邻两个第二支架32的架位固定件35的长度可以不同，在固定培养皿架时，较长的所述架位固定件35与至少一个较短的所述架位固定件35上所述安装孔的高度相匹配，比如安装孔对齐设置或者错位一个或几个安装孔的位置后，其他安装孔对齐设置，就可以固定培养皿架。

图7示出根据本公开实施例的安装有多种培养皿架的旋转架的示意图。

如图7所示，该旋转架上安装有小型竖直培养皿架36、大型水平培养皿架37、气密培养皿架38以及重力培养皿架39。其中，小型竖直培养皿架36、气密培养皿架38以及重力培养皿架39占用旋转架上的一个安装位，大型水平培养皿架37占用旋转架上的两个安装位。

本公开实施例提供的旋转架，通过通用的架位固定件的分层布置，可以根据不同种类的样本及所需要的培养方式，将培养装置设置不同大小以适应不同尺寸的培养皿及样本，并可以根据样本的生长习性，将培养装置以水平、竖直或其他形式固定在支架中以便于培养和观察，并可以容纳更多生物样本，提高了样品分析通量。

下面对本公开实施例的各种培养皿架进行介绍。

根据本公开实施例，小型竖直培养皿架或大型水平培养皿架包括：

框架，所述框架的两侧各设置有至少两个安装孔；

后盖，与所述框架的一侧固定连接，形成槽状空间；以及

固定部件，设置在所述框架上远离后盖的一侧，用于将培养皿固定在所述槽状空间内。

本公开实施例提供的技术方案利用框架及固定部件，可以将样本快速固定在观测设备上或快速更换样本。

根据本公开实施例，所述框架为矩形或具有一侧开口的矩形，其内部中空。所述后盖固定在所述框架的一侧，所述后盖为透明材料，用于观察及拍摄小型竖直培养皿架或大型水平培养皿架内部情况。所述小型竖直培养皿架或大型水平培养皿架可以容纳矩形或圆形塑料培养皿，可将培养皿竖直放入所述框架内。所述培养皿在使用前可使用环氧乙烷或钴-60放射线灭菌，并加入高温灭菌过的培养基，培养基内载有生物样本，例如植物幼苗样本。所述固定部件设置在框架上远离后盖的一侧，例如钢条配合螺丝、弹簧夹、弹簧板等结构，将所述培养皿稳定固定在框架中，或将培养皿抵住后盖，防止在使用过程中培养皿产生位移。

图8示出根据本公开的实施例的小型竖直培养皿架36的结构示意图，如图8所示，所述固定部件可以包括第一前盖42、门销41、弹簧片43、转轴、锁扣；所述转轴安装在所述框架远离所述后盖的一侧，所述第一前盖42与所述转轴固定连接，所述第一前盖42可以所述转轴为轴相对所述框架转动；所述弹簧片43设置在所述第一前盖42的内侧；所述门销41设置在所述框架内，所述锁扣设置在所述第一前盖内侧与所述门销对应位置，所述第一前盖42在闭合状态下与所述框架通过所述门销41和所述锁扣锁定。当放入培养皿40时，先打开门销41及第一前盖42，放入培养皿40后，关闭第一前盖42并通过门销41锁定第一前盖42。在关闭状态下，所述弹簧片43置于所述培养皿40及所述第一前盖42之间，弹簧片43通过弹力将所述培养皿40稳定固定在框架中，或将培养皿40抵住后盖，防止在使用过程中产生位移。

根据本公开实施例，培养皿40可使用一次性塑料透明培养皿，例如可以为10*10cm方形无格培养皿。培养皿40内可设置培养基，培养基的配置方法包括：在超净工作台中将冷却到60℃左右的培养基倾倒至水平放置的培养皿底盘内，厚度约为3～4mm，盖好上盖并静止等待凝固备用。培养装置可用于培养植物样本，可使用镊子将灭菌过的种子放置在培养基表面，使用封口膜将培养皿封好，将培养皿40放入培养装置中并由固定部件固定，然后竖直或水平放置在固定支架上。当培养装置竖直放置时，植物从萌发开始便紧贴培养基表面竖直生长；或者使用镊子将正常生长的植物样品轻轻摆放于培养基，确保植物的各个部分都紧贴培养基表面。研究人员可从培养基一侧观察植物生长情况，防止水滴凝结在培养皿盖一侧阻挡观察视线。

图10示出根据本公开的实施例的大型水平培养皿架37的结构示意图。如图10所示，所述固定部件可以为至少两个弹簧夹56，所述弹簧夹56包括转轴、弹簧及夹爪，所述转轴设置在所述弹簧中心位置并可沿所述转轴方向移动，所述夹爪与所述转轴及所述弹簧固定连接，所述弹簧驱动夹爪向框架方向提供压力，所述夹爪可以所述转轴为轴相对框架转动。所述弹簧夹56分别设置在所述框架远离后盖的一侧，放入所述培养皿51前，转动所述弹簧夹56使夹爪与所述框架平行；放入培养皿51后，拉出所述弹簧夹56并旋转使得夹爪朝向所述培养皿51方向。所述弹簧夹56将所述培养皿51稳定固定在框架中，或将培养皿51抵住后盖，防止在使用过程中产生位移。其中，培养皿51可以是长方形培养皿。

根据本公开实施例，如图11所示，所述培养皿40包括前板53、后板52和顶板54；所述前板53与后板52间设有密封件55并可拆卸地连接；所述顶板54可拆卸地设置在所述前板53和后板52的一侧，与所述前板53和所述后板52构成封闭培养皿51。所述前板53与后板之间可以通过螺丝、卡扣或其他可拆卸的方式固定。所述密封件55可以包括橡胶密封圈、密封胶条等，保证培养皿51的气密性。所述顶板54可以盖住培养皿51顶部缺口，防止内部的培养基受外界微生物污染。在培养皿51使用过程中为了保证培养皿51内的植物呼吸的需求，可使用弹性封口膜替代顶板54封住培养皿51的顶部缺口，以实现植物培养的透气、防水、防止菌落污染的要求，并且其可拆卸的设计便于多次重复使用，方便使用后拆洗、灭菌，并再次配置培养基用于植物培养。培养皿40可以为透明亚克力材质，可以重复多次使用，准备培养植物样品前，需采用环氧乙烷等方法灭菌，并倾倒高温灭菌过的植物培养基。植物种子置于培养基的水平表面上，萌发后根部扎入透过培养基内部，茎部暴露在培养皿内的空气中。

在植物样本培养过程中，存在需要改变光照方向的需求，用于研究植物的向光性反应，现有设备无法保证在大批量实验中的每一株植物均能受到同等距离、角度和强度的光照。在植物生长过程中，光照是一项非常重要的影响因素，光照的强度、角度以及波长的变化直接影响植物的生长。

根据本公开实施例，所述培养皿架还可以包括至少一个第一照明部件，设置在所述框架内侧，例如，如图8所示的第一侧置光源48和图10所示的第二侧置光源108。该第一照明部件可以通过螺丝或卡扣固定在框架内侧。所述第一照明部件可以选择培养用LED光源。本装置通过在特定位置安装第一照明部件，并可以设定相同的光照距离和角度，方便控制光照变量。

根据本公开实施例，该培养皿架可以包括第二照明部件，设置于顶部，例如，如图8和图10所示的顶置光源44。

根据本公开实施例，如图8、图9和图10所示，该培养皿架还可以包括至少两个固定爪46，所述固定爪46相对地设置在所述框架的顶部，所述固定爪46上部设有卡槽，第二照明部件两端推入卡槽固定在所述固定爪46上。所述固定爪46固定在所述框架一侧的两个直角处，所述固定爪46相邻一侧设有卡槽，所述卡槽可与第二照明部件两端的凸起相互配合，将所述照明部件固定在所述固定爪46上，且所述框架与所述照明部件接触的部位为镂空结构，使得光线可以照射到所述培养皿40及样本。通过所述固定爪46可以快捷拆装所述照明部件，以满足植物培养过程中不同时段或不同测试项目对光照的不同要求。

根据本公开实施例，所述第一照明部件和第二照明部件可以包括LED铝基板，例如如图12所示的LED铝基板45。所述LED铝基板上排列多路灯珠。所述灯珠内合并封装白光、红光、远红光、蓝光、紫外光、绿光光源中的至少两种，可以分别提供远红光、红光、绿光、蓝光、白光、紫外光等多种不同波长的光源。第一照明部件和第二照明部件通过供电线缆与第二支架上的电气插座接口34相连接，可由设备的控制电路分别对每路光的通断和光强大小进行单独控制。多种单色光，尤其是可能会同时开启的波长如红光、远红光、蓝光等，合并封装在一颗灯珠内，以避免开启不同波长时光源位置、光照方向产生差异，影响实验条件的一致性。对于不会同时开启的如白光和各单色光，可以分成两组灯珠封装，并交替排列，以满足更大输出功率的要求。一个培养用LED光源，可以同时实现至少4种不同颜色光源的控制。

根据本公开实施例，所述第一照明部件和第二照明部件包括匀光板，例如如图12所示的匀光板107，所述匀光板设置在所述光源的光线传播路径上。该匀光板的厚度例如可以为1～2mm。根据本公开实施例，第二照明部件上可以设置有灯罩固定槽47，用于安装上述匀光板。通过在照明部件上安装匀光板，可将光线均匀照射到样本上，减少由于光线不均匀导致的实验误差。

如图8所示，框架、后盖、固定部件靠近培养皿40一侧设置滤光片安装槽，用于安装滤光片，例如顶部凹槽49和前部凹槽50。由于培养皿架前后透光，当需要集中对大量样本进行光照条件下的研究及拍摄记录时，所述培养皿架的照明部件发出的光线容易对其他临近培养皿架中的样本造成干扰，或者在所述培养皿架内部由于框架材料对所述照明部件发出光线的反射，使得植物接受的光线不仅为照明部件方向，导致对样本向光性研究出现误差。所述滤光片可以根据研究的需求选择不同类型，例如紫外滤光片、可见滤光片、红外滤光片等。

根据本公开实施例提供的技术方案，装置中的照明部件可以对样本定向等距照射不同波长的光线，保证各个培养皿内植物样品与光源之间的距离相同，从而接受的光强保持一致，以保持实验条件的均一性和可重复性。

现有的培养装置无法在保证密封性的前提下，在样本培养过程中对培养装置内的气体成分浓度做到精准控制，即如若保证培养装置的密封性，则难以在样本培养过程中对培养装置内的气体成分浓度做到精准控制；如若精准控制培养装置内的气体成分浓度，则难以保证培养装置的密封性，容易对培养装置的内部环境造成污染。本公开实施例提供了一种气密培养皿架，至少部分地解决了上述问题。

图13-18示出根据本公开实施例的气密培养皿架38的示意图。如图13-18所示，所述气密培养皿架38包括：

框架，一侧端安设有转轴62，背部安设有后盖；

内层盒体59，嵌装于所述框架与所述后盖形成的容纳空间中，用于容纳培养皿40；

第二前盖57，借助所述转轴62与所述框架转动连接，以实现所述气密培养皿架38的开合；

其中，所述内层盒体59的四周设置有凹槽60，凹槽60内装设有密封组件，所述第二前盖57可借助所述转轴62转动至与所述密封组件紧密接触，此时所述气密培养皿架38可形成气密空间。

其中，所述培养皿40用于容纳待观测样本。所述待观测样本比如可以为植物幼苗样本，在该实施例中，所述培养皿40在使用前可使用环氧乙烷或钴-60放射线灭菌，并加入高温灭菌过的培养基，培养基内载有所述植物幼苗样本。

在本公开一实施例中，所述框架为中空结构，以与所述后盖形成容纳空间，容纳所述内层盒体59。

在本公开一实施例中，所述后盖采用透明材料制成，以便于观察及拍摄所述气密培养皿架38的内部情况。

在本公开一实施例中，所述框架与所述转轴62的连接处设置有长槽109，所述框架与所述转轴62之间安设有弹性组件110，使得所述转轴62在所述弹性组件110的作用力下在所述长槽109内前后移动。其中，所述弹性组件110比如可以为弹簧。

在本公开一实施例中，所述密封组件为具有密封性能的、由弹性材质制成的密封组件，比如所述密封组件可以为橡胶圈。

在本公开一实施例中，所述框架的另一侧，即与所述转轴62相对的一侧安设有第一紧固件61或113，所述第二前盖57远离所述转轴62的一侧安设有第二紧固件112，所述第一紧固件113可与所述第二紧固件112紧固连接，借助所述第一紧固件113与所述第二紧固件112之间的紧固连接，所述第二前盖57可与所述密封组件紧密贴合，以使所述气密培养皿架38形成气密空间。其中，所述第一紧固件113比如可以为可转动扳手，所述第二紧固件112比如可以为能够与所述可转动扳手紧固连接的钩子、圆圈等可挂接组件，转动所述可转动扳手，所述可转动扳手可扣住所述可挂接组件，呈现固定连接的状态。

基于上述技术方案，当需要实现内部气密的气密培养皿架38时，可首先将所述第二前盖57以所述转轴62为受力点向外拉伸，即，使所述第二前盖57克服所述弹性组件110的作用力向所述气密培养皿架38的外部方向拉伸，当所述第二前盖57转动至与所述内层盒体59四周装设的密封组件接触时，将所述第一紧固件113与所述第二紧固件112紧固连接上，使得所述第二前盖57与所述密封组件紧密贴合，此时通过所述第一紧固件113与第二紧固件112紧固连接，以及所述弹性组件110的作用力，可将所述第二前盖57紧紧拉向所述框架和内层盒体59，确保所述第二前盖57与所述内层盒体59的表面通过密封组件形成一个密闭空间。

另外，由于所述气密培养皿架38设置有第二前盖，能够形成密闭空间，因此所述样本培养皿40在放入所述气密培养皿架38时，可以抛弃其自身上盖，直接放入所述气密培养皿架38的内层盒体59中。进一步地，由于省去了样本培养皿40的上盖，因此可以有效避免在样本长期培养过程中样本培养皿40上盖结露而对待观测样本的成像产生的影响，同时也可以显著提高待观测样本成像的细节分辨率。

在本公开一实施例中，所述第二前盖57上还设置有具有光透性的观察窗，以透过所述观察窗观测放置于所述样本培养皿40中的待观测样本，同时保持气密。进一步地，在本公开一实施例中，所述观察窗装设有双面镀膜玻璃58，以增强可见光波段与940nm红外光波段的透过率。

如图16所示，在本公开一实施例中，所述内层盒体59的背部开设有进气孔63和出气孔64，其中，所述进气孔63与外部气泵连接，用于将外部空气泵入所述气密培养皿架38中，泵入空气的气路中还可设置有空气过滤组件，比如0.22μm孔径的过滤膜，以过滤输入空气中的微生物，使得泵入所述气密培养皿架38中的空气为无菌空气。其中，所述出气孔64用于排出所述气密培养皿架38中的空气。

在工作过程中，通过所述进气孔63持续泵入空气，通过所述出气孔64排出空气来泄压，使得所述气密培养皿架38内部的气压始终微微大于外界，这样就可以避免外界有菌空气进入，保证所述气密培养皿架38的内部始终处于无菌环境。另外，由于气泵可以使所述气密培养皿架38内部的空气成分与外界空气成分快速交换，而待观测样本又直接暴露于所述气密培养皿架38内部的空气中，因此当需要借助其他控制设备对于所述气密培养皿架38内部的气体成分浓度进行调整时，所述待观测样本能够迅速地感受到气体成分浓度的变化。

需要注意的是，泵入所述气密培养皿架38中的气体流速可根据实际应用的需要进行设置，比如，对于附带有培养基的待观测植物样本来说，泵入所述气密培养皿架38中的气体流速应控制在30～100mL/min左右，因为若气体流速过高容易造成培养基干涸，若气体流速过低则不利于气密培养皿架38内部环境与外界环境的快速平衡。

图17示出根据本公开实施例的框架顶端的结构示意图，如图17所示，在本公开一实施例中，所述框架靠近所述进气孔63的顶端开设有存水槽65，用于储存无菌水，其中，所述存水槽65的侧壁上向所述内层盒体59的内部开设有输水孔114，用于将所述存水槽储存的无菌水导向所述内层盒体59，被疏导的水分挥发后可被所述进气孔63泵入的空气带入所述内层盒体59内部，以提高所述内层盒体59内部空气的湿度，减缓待观测样本培养基内含水分的蒸发，防止由于长期通气而造成水分蒸发、待观测样本培养基干涸的情况。

在本公开一实施例中，所述存水槽65还配设有水槽盖66，比如，如图17所示的T形水槽盖，所述存水槽65中注入无菌水后，可盖上所述水槽盖66，以防止所述存水槽65中的无菌水受到外界空气内微生物的污染。

考虑到现有设备无法保证在大批量实验中的每一株植物样本均能受到同等距离、角度和强度的光照。而在植物生长过程中，光照是一项非常重要的影响因素，光照的强度、角度以及波长的变化直接影响植物样本的生长。因此在本公开一实施例中，在所述框架的侧端，比如所述框架靠近所述转轴62的侧端、所述内层盒体59与外部装置之间还可安装有第一照明部件48，如图18所示，以改变所述待观测样本所感受到的光照方向，可用于研究植物的向光性反应。其中，所述第一照明部件48可通过螺丝或卡扣固定在所述框架上。在本公开一实施例中，所述框架的顶端可安装有第二照明部件44，用于为所述待观测样本提供光源，所述气密培养皿架38还可包括至少两个固定爪50。在本公开一实施例中，所述框架靠近样本培养皿40背部的内侧面上开设有滤光片安装槽，用于安装滤光片。第一照明部件、第二照明部件、固定爪以及滤光片安装槽等，与前文关于小型竖直培养皿架或大型水平培养皿架类似，可以参照上文的描述，此处不再赘述。

在本公开一实施例中，为了使所述照明部件发出的光线能够透过所述内层盒体59，所述内层盒体59使用透明材料制成，比如透明亚克力材料等等。

在本公开一实施例中，所述框架或者所述后盖背部表面的两端可开设有固定孔，以与旋转架连接，其中，所述旋转架可连接有多个所述气密培养皿架38，以实现大量待观测样本的同时观测。

目前，关于植物幼苗的一些向重性研究依赖于失重环境，例如，Paul等人在2012年发表的论文，通过在国际空间站中进行试验，研究了拟南芥种子在失重条件下萌发后根尖生长方向。然而，这种研究方式成本过高，普通研究团队难以复现。

为了解决相关技术中的问题，本公开实施例提供了一种培养皿架，包括底座以及固定在所述底座上的转盘和伺服电机，其中，所述转盘上设置有固定装置，伺服电机与所述转盘相连，从而可通过固定装置将培养皿安装在转盘上，通过伺服电机带动转盘转动，进而控制培养皿转动，可以实现重力方向的改变，甚至可通过扰乱重力方向模拟失重环境。

图19和图20示出根据本公开实施例的重力培养皿架的示意图。

如图19和图20所示，重力培养皿架包括：

第二底座67；

转盘68，固定在所述第二底座67上，所述转盘68上设置有固定装置；以及

伺服电机69，固定在所述第二底座67上，与所述转盘68相连。

根据本公开实施例，转盘68的中心与伺服电机69连接，伺服电机69固定在第二底座67上，固定装置可用于固定培养皿71。通过控制电路向伺服电机69发送信号，可以控制转盘68带动培养皿71旋转固定角度以改变重力方向，或以某个转速持续匀速旋转以模拟失重状态。该培养皿71可以是通用的圆形培养皿。

根据本公开实施例，所述第二底座上相对的两侧各设置有两个固定孔。该固定孔的间距与上文所描述的旋转架配套设计，用于将重力培养皿架安装在旋转架上，占用旋转架的一个架位。

根据本公开实施例，所述固定装置例如可以是螺丝或弹簧夹，用于固定培养皿71。所述固定装置还可以是至少三组弹簧挡片，所述弹簧挡片可以在所述转盘所在平面内运动，所述弹簧挡片在弹簧的作用下向所述转盘中心方向提供压力。根据本公开实施例，通过拉开弹簧挡片，可以将培养皿71置于转盘68上，弹簧挡片与转盘的夹角可以小于90度，弹簧挡片向内提供压力以将培养皿71固定，防止在使用过程中产生位移。

根据本公开实施例，该重力培养皿架还可以设置第一照明部件、第二照明部件44、固定爪70等，可以参见上文的描述，此处不再赘述。

如图19和图20所描述的重力培养皿架，可拆卸地安装在所述相邻的两个第二支架32之间，所述伺服电机69的接线连接于所述电气插座接口34。根据本公开实施例，第一照明部件或第二照明部件的接线也可连接于所述电气插座接口34。

本公开实施例提供了一种控制方法，用于控制上文所描述的培养皿架，该控制方法包括：

获取角度信息；

基于所述角度信息，控制所述伺服电机带动所述转盘旋转至目标位置。

下面以研究拟南芥幼苗的根的向重性响应为例对实验方法进行说明：

a)将拟南芥种子进行表面灭菌：适量种子置于1.5mL离心管中，75％酒精+0.01％Triton X-100浸泡并充分震荡10min，倒去液体；加95％酒精冲洗一遍，倒去液体；在超净工作台中敞口彻底风干后盖紧管盖；

b)配置培养基：4.33g/L Murashige-Skoog盐、10g/L蔗糖、8g/L Phytagel植物凝胶，加入去离子水配置成1L培养液，使用KOH和HCl调节pH至5.7～5.8；121℃灭菌15min，冷却至60℃左右，在超净工作台中倾倒至直径约90mm的无菌透明圆形塑料培养皿中，培养基厚度约为3～4mm；静置冷却凝固备用；本公开实施例的培养基选用Phytagel作为凝固剂，与琼脂相比更透明，便于获得更高的成像清晰度；

c)播种与种子萌发：在超净工作台中使用镊子将灭菌种子播在培养基表面，间隔约5mm排列成一行；盖上培养皿盖，使用封口膜进行密封；避光放置于4℃环境中吸胀4d后，取出竖直放置在22℃光下培养5d，拟南芥幼苗应紧贴培养基表面竖直生长；

d)重力培养皿架的安装：将4个M6*12内六角螺丝旋入重力培养皿架的第二底座67两侧的固定孔，滑入旋转架上的安装孔中并旋紧固定，将伺服电机69和培养光源44的接线插入电气插座接口34；

e)样品装载：将培养皿封口膜拆除，背面朝外、盖朝内固定在转盘68上，可以避免前盖结露的干扰；在培养皿和转盘之间夹一层黑色植绒布或涂有黑色吸光涂料的硬纸，以提高拍摄时植物样品与背景之间的对比度；

f)启动生物样本成像设备的各个模块：通过计算机软件控制密闭培养箱4为箱内提供22℃恒温环境；向培养箱内持续提供新鲜空气；控制顶置光源44提供混合白光照明；开启设置在成像模块上的前置红外成像照明模块，使用940nm红外光从样品的侧前方提供照明；控制成像模块与旋转架为每一个重力培养皿架上的培养皿进行连续动态成像，即每隔设定的时间间隔(如5min)移动成像模块的相机位置并旋转该旋转架，为每一个培养皿进行一轮拍摄；

g)改变重力方向：在实验预定的时刻，通过计算机软件控制各个重力培养皿架上的伺服电机，分别读取各自的当前位置，计算顺时针旋转90°后的位置值，并分别移动至相应位置；如果在实验预定的时刻还没有完成一轮所有样品的拍摄，则等待该轮样品拍摄完成后再操作伺服电机；

h)继续进行连续动态成像至实验预定时刻；分析获取的图像数据，研究重力方向改变对拟南芥根的生长方向的影响。

此外，本公开实施例提供的重力培养皿架可以通过持续旋转，使重力相对于植物的方向持续改变，扰乱重力对于植物的影响，以模拟失重环境。利用本设备的实时动态成像，可以观察并分析植物幼苗对重力的响应改变。

根据本公开实施例，重力培养皿架的控制方法可以包括：

控制伺服电机带动转盘持续旋转；

响应于获得第一控制指令，从至少两个候选角度中确定一个目标角度，并控制所述转盘停止在所述目标角度。

根据本公开实施例，伺服电机带动转盘及培养皿在竖直平面内持续旋转，可扰乱重力对培养皿内的植物样本的影响，以模拟失重环境。

根据本公开实施例，第一控制指令例如可以基于拍照指令产生，用于控制所述伺服电机停止旋转，从而使得所述转盘及培养皿停止旋转，以改善拍照的清晰度。可以在预定时间后，或者，响应于获得第二控制指令控制所述转盘继续旋转。

根据本公开实施例，可以预先设置至少两个候选角度，例如0度和180度，也可以设置更多个候选角度，例如0度、120度和240度。响应于获得第一控制指令，控制转盘停止在其中一个候选角度上，即目标角度。由于存在两个以上的候选角度，因此不会每次拍照时都停在相同的位置，减弱了在拍照过程中的重力累积效应。

例如，当转盘停止的次数为奇数时停止在候选角度中的第一角度，例如0度；当转盘停止次数为偶数时停止在候选角度中与第一角度不同的第二角度，例如180度。

本领域普通技术人员可以理解，第二角度可以是180度之外的其它角度，也可以使用三个、四个或者更多个预设的候选角度，或者随机的角度，从而减弱拍照过程中的重力累积效应，更好模拟失重环境，本公开对此不作限定。

根据本公开实施例，在暂停伺服电机后采集图像，由于暂停时转盘所处的角度是不同的，曝光得到的图像中培养皿的朝向也是不同的。可采用图像特征识别——仿射变换的方法进行图像对齐，将所有图像校正为统一的朝向。

本领域普通技术人员可以理解，也可以使用其它方法进行图像对齐，并校正为统一的朝向，本公开对此不作限定。

根据本公开实施例提供的技术方案，通过控制伺服电机带动转盘持续旋转，响应于获得第一控制指令，从至少两个候选角度中确定一个目标角度，并控制所述转盘停止在所述目标角度，从而能够改善拍照的清晰度，同时减弱重力的累积效应。另一方面，在既定的候选角度停下拍摄有利于后期图像对齐与分析。

下面以研究拟南芥种子萌发时的形态建成受重力影响的机制为例进行说明。

a)种子表面灭菌：适量拟南芥种子置于1.5mL离心管中，75％酒精+0.01％TritonX-100浸泡并充分震荡10min，倒去液体；加95％酒精冲洗一遍，倒去液体；在超净工作台中敞口彻底风干后盖紧管盖；

b)配置培养基：4.33g/L Murashige-Skoog盐、10g/L蔗糖、8g/L Phytagel植物凝胶，加入去离子水配置成1L培养液，使用KOH和HCl调节pH至5.7～5.8；121℃灭菌15min，冷却至60℃左右，在超净工作台中倾倒至直径约90mm的无菌透明圆形塑料培养皿中，培养基厚度约为3～4mm；静置冷却凝固备用；

c)播种：在超净工作台中使用镊子将灭菌种子播在培养基表面，间隔约5mm均匀散布于整个培养基；盖上培养皿盖，使用封口膜进行密封；避光放置于4℃环境中吸胀4d后取出准备上机；

d)重力培养皿架的安装：通过重力培养皿架第二底座67两侧的固定孔，将重力培养皿架安装在旋转架5上，将伺服电机69和顶置培养光源44的接线插入电气插座接口34；

e)样品装载：将培养皿封口膜拆除以减弱盖上结露和促进内外气体交换，背面朝外、盖朝内固定在转盘68上，在培养皿和转盘之间可夹一层黑色植绒布或涂有黑色吸光涂料的硬纸，以提高拍摄时植物样品与背景之间的对比度；

f)启动生物样本成像系统的各个设备模块：通过计算机软件控制培养箱4为箱内提供22℃恒温环境，向培养箱内持续提供新鲜空气；控制顶置光源44提供混合白光照明；开启前置红外成像照明模块，使用940nm红外光从样品的侧前方提供照明；控制成像模块为每一个重力培养皿架上的培养皿进行连续动态成像，即每隔设定的时间间隔(如5min)移动相机位置并旋转主支架，为每一个培养皿进行一轮拍摄；

g)模拟失重环境：从实验开始即通过计算机软件控制伺服电机69持续顺时针旋转，转速控制为5～15转/min，不可太快以减弱径向的加速度对植物生长造成影响从而避免产生系统性误差，也不可太慢会减弱重力干扰的效果；需要拍摄时，先将成像模块的相机和旋转架移动到目标对应位置；控制要拍摄的培养皿对应的伺服电机的旋转位置，在奇数次拍摄轮中旋转到0°时停止，在偶数次拍摄轮中旋转到180°时停止，其他伺服电机继续旋转；相机立即曝光拍摄，曝光完成后立即重新启动对应伺服电机的旋转，方向与转速同前；

h)继续进行连续动态成像至实验预定时刻；统计分析种子萌发后根尖、下胚轴生长的朝向分布。

图21A示出正常培养条件下植物根尖方向的分布示意图，图21B示出根据本公开实施例的重力扰乱条件下的植物根尖方向的分布示意图，其中，图中条形长度表示各个方向上根的数量所占比例，图21A中箭头指向为重力方向。

本公开实施例的方法可以有效减弱重力效应在某个方向上的累积。在正常重力条件下，如图21A所示，拟南芥幼苗根尖的方向集中于竖直方向；而在本公开实施例的方法模拟失重的条件下，如图21B所示，根尖方向均匀分布于各个方向，该实验结果与Paul等人于2012报道的国际空间站内植物幼苗生长的状态是一致的，验证了该方法模拟失重环境的有效性。因此，本公开实施例的技术方案可以在地面环境中模拟太空中的失重环境，为以往必须在空间站上进行的植物学研究提供地面上的可行方法。

以上对本公开实施例的生物样本培养模块5进行了介绍，下面对本公开实施例的成像模块3、三维位移控制装置以及照明装置进行介绍。

现有技术目前只能控制相机在水平和垂直两个方向上运动，由于镜头的景深有限，因此无法有效实现在大量样本之间实时变换位置，进而降低了样本观测图像的拍摄效率，减少了拍摄通量。

在本公开实施例提供的技术方案中，成像模块通过转接组件设置在三维位移控制装置上，所述转接组件具有水平台面，所述水平台面上设置有导轨和定位销孔，所述导轨用于提供承载滑动路径，所述定位销孔用于对所述成像模块进行定位。

图22示出根据本公开实施例的三维位移控制装置的示意图。如图22所示，所述三维位移控制装置包括：

水平位移组件72、垂直位移组件73和纵深位移组件74连接；

水平位移组件72安装在水平方向上，用于带动所述位移控制装置的承载成像模块在水平方向上进行位移，并对于所述承载成像模块在水平方向上的位移进行控制；

垂直位移组件73安装在垂直方向上，用于带动所述承载成像模块在垂直方向上进行位移，并对于所述承载成像模块在垂直方向上的位移进行控制；

纵深位移组件74安装在纵深方向上，用于带动所述承载成像模块在纵深方向上进行位移，并对于所述承载成像模块在纵深方向上的位移进行控制。

根据本公开实施例提供的技术方案，通过设置具有三个维度位移组件的位移控制装置来实现成像组件在水平、垂直和纵深三个方向上的位移移动，从而避免了由于成像组件镜头景深有限而导致的成像组件无法有效实现在大量样本之间实时变换位置，无法对于位于不同位置的拍摄样品进行精确对焦和图像采集的情况，进而大大提高了样本观测图像的拍摄效率，增加了拍摄通量。

在本发明一实施例中，所述水平位移组件72、垂直位移组件73和纵深位移组件74连接可以为多种连接方式，比如，所述纵深位移组件74与所述水平位移组件72连接，而所述水平位移组件72与所述垂直位移组件73连接，如图22所示；或者，所述纵深位移组件74与所述垂直位移组件73连接，而所述垂直位移组件73与所述水平位移组件72连接；或者，所述水平位移组件72与所述垂直位移组件73连接，而所述垂直位移组件73与所述纵深位移组件74连接；或者，所述水平位移组件72与所述纵深位移组件74连接，而所述纵深位移组件74与所述垂直位移组件73连接；或者，所述垂直位移组件73与所述水平位移组件72连接，而所述水平位移组件72与所述纵深位移组件74连接；再或者，所述垂直位移组件73与纵深位移组件74连接，而所述纵深位移组件74与所述水平位移组件72连接，等等。需要说明的是，所述水平位移组件72、垂直位移组件73和纵深位移组件74之间可以采用上述各种可行的连接方式，只要使得所述水平位移组件72、垂直位移组件73和纵深位移组件74能够连接成为一个整体且可以分别进行独立的位移移动即可，本发明对于所述水平位移组件72、垂直位移组件73和纵深位移组件74之间的连接方式不作具体限定。为了描述的方便，下文以图22所示的所述纵深位移组件74与所述水平位移组件72连接，而所述水平位移组件72与所述垂直位移组件73连接的连接方式为例对于本发明进行解释和说明。

在本发明一实施例中，所述水平位移组件72、垂直位移组件73和/或纵深位移组件74均为直线位移组件，即所述水平位移组件72、垂直位移组件73和/或纵深位移组件74可沿直线进行位移移动。

在本发明一实施例中，所述位移控制装置还包括驱动组件，所述驱动组件与所述水平位移组件72、垂直位移组件73和纵深位移组件74连接，用于驱动所述水平位移组件72、垂直位移组件73和纵深位移组件74进行位移移动。其中，所述驱动组件可以为步进电机/丝杠导轨或直驱电机等运动驱动组件，所述驱动组件可以为一个也可以为多个，当所述驱动组件为一个时，所述驱动组件可同时与所述水平位移组件72、垂直位移组件73和纵深位移组件74连接，当所述驱动组件为多个时，所述多个驱动组件可分别与所述水平位移组件72、垂直位移组件73和纵深位移组件74连接。

在本发明一实施例中，所述位移控制装置还包括编码器，所述编码器与所述水平位移组件72、垂直位移组件73和/或纵深位移组件74连接，用于利用反馈控制机制对于所述水平位移组件72、垂直位移组件73和/或纵深位移组件74的移动位移进行精确控制，以提高所述水平位移组件72、垂直位移组件73和/或纵深位移组件74的移动和定位精度。其中，所述编码器的反馈控制机制为现有技术中常见的技术手段，本公开对其不作过多描述。

在本发明一实施例中，所述水平位移组件72、垂直位移组件73和/或纵深位移组件74还可附设有光电限位开关，以对于所述水平位移组件72、垂直位移组件73和/或纵深位移组件74进行零点位置校准。

在本发明一实施例中，利用所述光电限位开关对于所述水平位移组件72、垂直位移组件73和/或纵深位移组件74进行零点位置校准的原理为：

首先，控制所述位移组件以第一速度，比如约10mm/s，向负限位方向运行，直至所述光电限位开关信号触发，停止移动；

然后，控制所述位移组件以第二速度，比如约10mm/s，向正限位方向以每次第一预设距离，比如50μm，点动，直至所述光电限位开关信号消失，停止移动；

然后，控制所述位移组件以第三速度，比如约1mm/s，向负限位方向缓慢移动，直至所述光电限位开关信号触发，停止移动；

最后，控制所述位移组件以第四速度，比如正常驱动速度，向正限位方向移动第二预设距离，比如2mm，将当前位置设定为所述位移组件的零点位置。

在本发明一实施例中，所述位移控制装置还包括转接组件75，所述转接组件75安装于所述水平位移组件72、垂直位移组件73或纵深位移组件74上，用于承载所述承载对象。其中，所述转接组件75具有水平台面，所述水平台面上设置有导轨76和定位销孔77，其中，所述导轨76用于提供承载对象滑动路径，以使所述承载对象沿所述导轨76滑动至转接组件台面上的合适位置，所述定位销孔77可以为一个或多个，用于对于所述承载对象进行定位，以对所述承载对象进行固定，使得所述承载对象能够与安装所述转接组件75的位移组件一并随所述位移组件移动。

在本发明一实施例中，所述导轨76的横截面为燕尾形或倒梯形，这样就可以安全、迅速地对于所述承载对象进行安装或更换。另外，所述导轨76的上表面既可以高于所述转接组件的上表面，即凸设于所述转接组件上，也可以低于所述转接组件的上表面，即凹设于所述转接组件上。对于所述导轨76在所述转接组件水平台面上的安装方式和安装方向，本发明对其不作具体限定，只要使得所述承载对象能够在所述导轨76上安全地滑动，并不致使所述位移组件对于所述承载对象的滑动和工作产生障碍或冲突即可。比如，若所述承载对象为相机等成像组件，且所述位移组件如图22所示设置和连接，所述转接组件75安装于所述垂直位移组件73的一侧，则所述导轨76在所述转接组件水平台面上的安装方向可与所述纵深位移组件74平行，以使所述承载对象借助所述导轨76在所述转接组件水平台面上滑动时，不会与其他位移组件的移动发生碰撞或冲突。

在本发明一实施例中，所述位移控制装置还包括拖链78，所述拖链78为呈链条型且具有容纳空间的组件，其可以为一个或多个。所述拖链78安装于所述位移组件的侧面或者非工作面，用于容纳、固定上述组件之间的连接线，以避免在位移运动中出现连接线刮蹭或勾连的现象，从而提高所述位移控制装置连接的稳定性。其中，当所述拖链78为多个时，所述多个拖链78既可安装于同一位移组件的侧面上，也可安装于不同位移组件的侧面上。

在本发明一实施例中，所述位移控制装置还包括连接件80，所述连接件80安装于所述转接组件75上，比如，所述连接件80可固定安装于所述转接组件75的水平台面上，用于固定前置光源79。前置光源79在下文中单独介绍，此处暂不展开说明。需要说明的是，本发明对于所述连接件80在所述转接组件75上的安装位置不作具体限定，只要所述连接件80能够将前置光源79与所述转接组件75连接起来即可。

在本发明一实施例中，所述连接件80既可以由固性材料制成也可以由柔性材料制成，即所述连接件80既可以为固性连接件也可以为柔性连接件，当所述连接件80为柔性连接件时，所述连接件80可借助其柔性特征对于前置光源79的位置和方向进行调整，以为所述承载对象提供所需强度的光源。

在本发明一实施例中，所述位移控制装置还包括控制器，所述控制器与所述水平位移组件72、垂直位移组件73、纵深位移组件74、驱动组件和/或编码器连接，以对所述水平位移组件72、垂直位移组件73、纵深位移组件74、驱动组件和/或编码器进行控制。

根据本公开实施例，所述成像模块3可以包括微观表型检测模块、宏观表型检测模块、发光检测模块、荧光检测模块中的任意一种。

图23示出根据本公开实施例的微观表型检测模块的示意图。

如图23所示，该微观表型检测模块包括第三底座85、镜头支架86、远心镜头87、第一相机88。第三底座85带有燕尾槽89，能够安装于转接组件上的导轨76上，可以快速拆下更换其他相机模块。

根据本公开实施例，可以根据所拍摄的样品大小，采用0.5倍至5倍放大的远心镜头，拍摄植物幼苗样品的局部特征；放大倍数越高，镜头视野越窄，但物理分辨率越高。远心镜头拥有镜头畸变小、焦外轮廓大小不变等特性，最适用于测量长度。

根据本公开实施例，镜头前端或镜头与相机之间可以加装850nm长通滤光片，仅允许850nm以上波长的红外光通过。该滤光片可以避免顶置培养光源44或侧置培养光源48对成像照明的影响。

图24示出根据本公开实施例的宏观表型检测模块的示意图。

如图24所示，该宏观表型检测模块包括第四底座90、第一定焦镜头91、第二相机92连接而成。第四底座的燕尾槽93能够安装于转接组件上的导轨76上，可以快速拆下更换其他相机模块。

根据本公开实施例，该宏观表型检测模块可用于在一张图像中拍摄整个培养皿，采用15～135mm焦距的定焦镜头，放大倍率在0.05～0.5倍之间。

根据本公开实施例，镜头前端或镜头与相机之间可加装850nm长通滤光片，仅允许850nm以上波长的红外光通过。该滤光片可以避免顶置培养光源44或侧置培养光源48对成像照明的影响。

图25示出根据本公开实施例的发光检测模块的示意图。

根据本公开实施例，通过人工转基因等方法，使植物内表达连接有荧光素酶的报告基因。在该种植物的培养基中加入荧光素底物，与报告基因相连接的荧光素酶可以催化底物反应产生光信号。光信号的强弱代表了荧光素酶的表达量，也即待研究基因的表达量。

如图25所示，发光检测模块包括第五底座94、第二定焦镜头95、相机固定架96、第三相机97连接而成。其中，第二定焦镜头95可以是大光圈定焦镜头；第三相机97可以是制冷相机。第五底座94的燕尾槽98能够安装于转接组件76上的导轨上，可以快速拆下更换其他相机模块。

根据本公开实施例，该模块适于检测荧光素酶与底物反应等产生的发光信号，例如500～560nm波长光，但并不以此为限，通过光信号的位置和强弱来表征植物体内相应基因表达的定位和水平高低。由于需要长时间曝光以检测暗弱信号，应采用光圈F值小于2.0的大光圈镜头，并使用带有制冷能力的CCD或CMOS相机。

根据本公开实施例，为避免三维直线位移控制模块的直驱电机运行时产生的电磁干扰造成相机控制错误，制冷相机外壳可额外接地。

图26示出根据本公开实施例的荧光检测模块的示意图。

如图26所示，该荧光检测模块包括第六底座99、第三定焦镜头100、发射光滤镜轮101、第四相机102、激发光源、激发光滤镜轮、激发光光纤103连接而成。其中，所述第三定焦镜头100可以是大光圈定焦镜头；第四相机102可以是制冷相机。第六底座的燕尾槽104能够安装于转接组件76上的导轨上，可以快速拆下更换其他相机模块。

根据本公开实施例，该荧光检测模块适于检测需要特定波长的激发光照射从而产生特定波长发射光信号的荧光染料、荧光蛋白，通过对应发射光信号来研究荧光染料、荧光蛋白在植物样品体内的分布位置和表达水平高低。应采用光圈F值小于2.0的大光圈镜头，并使用带有制冷能力的CCD或CMOS相机。

根据本公开实施例，发射光滤镜轮101上可以安装多个带通滤光片，仅允许特定波长范围的光通过。由主控计算机控制滤镜轮盘片的转动，从而将指定的滤光片移动到相机感光元件的正前方。

根据本公开实施例，激发光的光源应使用LED冷光源或卤素灯光源，在激发光滤镜轮上安装多个带通滤光片，由主控计算机控制滤镜轮盘片的转动，获得特定波长的激发光。激发光通过激发光光纤103传导到荧光检测模块上，并通过该模块上的鹅颈头向样品照射。

为了提高图像拍摄质量，需要为样本提供足够的、适度的照明，因此，亟需一种能够提供多种角度多种区域的照明装置。

根据本公开实施例，该生物样本成像设备还可以包括前置成像照明模块，安装于所述三维位移控制装置上，位于所述三维位移控制装置靠近所述培养箱的一端，用于透过所述观察窗对所述生物样本培养模块提供前置光源。

如图1和图22所示，前置成像照明模块79，可安装于置于培养箱4外部的三维位移控制模块上，位于所述三维位移控制模块承载的成像模块3的前端，用于透过所述样本密闭培养箱4的观察窗对置于所述培养箱4内部的样本成像提供前置光源。

在本公开一实施例中，为了避免对于所述成像模块3产生遮挡，影响所述成像模块3的成像质量和照明质量，所述前置成像照明模块79可安装于所述成像模块3的一侧，以避免与所述成像模块3的成像范围发生冲突，即避免所述前置成像照明模块79出现在所述成像模块3的成像范围内。

进一步地，为了为所述样本的成像提供均匀光源，所述前置成像照明模块79可设置为环形光源，比如直径为150～300mm的环形LED光源，其中，所述环形光源的中心与所述成像模块3的光路同心，且所述环形光源所围成区域的面积大于所述成像模块3镜头的面积。所述环形光源既可与所述成像模块3的镜头处于同一平面上，也可与所述成像模块3的镜头处于不同平面上，比如，可如图1所示，所述环形光源所在的平面可较所述成像模块3镜头所在的平面远离所述样本，即所述环形光源非接触式套设于所述成像模块3上，当然，所述环形光源所在的平面也可较所述成像模块3镜头所在的平面靠近所述样本。所述环形光源与所述成像模块3之间的位置关系可根据实际应用的需要进行设置和选择，本公开对其不作具体限定。

在本公开一实施例中，所述前置成像照明模块79可采用具有第一波长的LED光源，所述第一波长的选择可根据实际应用的需要进行确定，但需满足以下条件：样本对于所述第一波长不敏感，但所述成像模块3对于所述第一波长敏感，比如，当所述样本为植物时，所述第一波长可设置为940nm，这样就可以为所述植物提供具有第一波长的红外光照明，以观察植物在黑暗中的生长状态。

在该实施例中，所述具有第一波长的LED光源可包括多个第一子光源，其中，所述第一子光源可以为灯珠。所述第一子光源朝向所述前置成像照明模块79中心方向并以预设角度均匀或类均匀排列，其中，所述预设角度可根据实际照明应用的需要进行设置，比如可设置为30～60度，本公开对于所述预设角度的具体取值不作特别限定。以所述预设角度取为30～60度为例，此时所述前置成像照明模块79能够实现从样本前方50～250mm处照射的效果。对于生长在培养箱4中的植物样本，该照射方式能够产生明亮主体、黑暗背景的效果，在主体高对比度、便于进行图像主体识别的前提下，主体的纹理更加细节清晰，适于分析下胚轴生长速度，以及跟踪组织局部生长，采用上述照射方式得到的植物样本观测图像可如图27示例所示。

根据本公开实施例，该生物样本成像设备还可以包括背置成像照明模块81，安装于所述培养箱内部，位于所述样本的背端，用于对置于所述培养箱4内部的样本成像提供背置光源。

在本公开一实施例中，所述培养箱4内部放置有可旋转中空多边样本台，用于放置待观测样本。在该实施例中，所述背置成像照明模块81吊装于所述培养箱4的顶部，位于所述可旋转中空多边样本台的中空部，且正对所述样本和观察窗，使得所述背置成像照明模块81在所述样本的背部发射光源后，装载在所述三维位移控制模块上的成像模块3能够透过所述观察窗对于所述样本进行成像。

在本公开一实施例中，所述背置成像照明模块81可以为面光源，比如，所述背置成像照明模块81可以为宽130～200mm、高250～350mm的长方形面光源。其中，所述面光源的尺寸可根据实际应用的需要进行设置，本公开对其不作具体限定。

图28-图30示出根据本公开实施例的背置成像照明模块81的示意图，如图28和图29所示，所述背置成像照明模块81借助连接件吊装于所述培养箱4的顶部，使得所述背置成像照明模块81能够吊挂于所述可旋转中空多边样本台的中空部。

所述背置成像照明模块81的背面安设有纵向固定件83，所述连接件上安设有横向固定件82，所述背置成像照明模块81借助所述纵向固定件83与横向固定件82之间的连接而固定在所述连接件上。其中，所述纵向固定件83上设置具有不同高度的连接孔，所述连接孔用于将所述横向固定件82连接在所述纵向固定件83上，且提供具有不同高度的连接位置，这样就可以通过调整横向固定件82与所述纵向固定件83之间的连接位置，来调整所述背置成像照明模块81在垂直方向上的位置，以使所述背置成像照明模块81能够正对所述样本和成像模块3，并使所述背置成像照明模块81发射的光源能够覆盖整个成像模块3的成像范围。其中，所述纵向固定件83的形状可根据实际应用的需要进行设置，只要能够实现借助与所述横向固定件82的连接，将所述背置成像照明模块81固定在所述连接件上即可。

所述横向固定件82的侧面设有槽孔，可借助调整螺丝在所述槽孔中的紧固位置来调整所述背置成像照明模块81在水平方向上的位置。

在本公开一实施例中，所述背置成像照明模块81可采用具有第二波长的LED光源，与所述第一波长类似，所述第二波长的选择可根据实际应用的需要进行确定，但需满足以下条件：样本对于所述第二波长不敏感，但所述成像模块3对于所述第二波长敏感，其中，所述第二波长既可以与所述第一波长相同，也可以不相同。比如，当所述样本为植物时，所述第二波长可与所述第一波长相同，均设置为940nm。

如图30所示，在本公开一实施例中，所述光源包括多个第二子光源，其中，与所述第一子光源类似，所述第二子光源也可以为灯珠。其中，所述第二子光源可均匀或类均匀地布设于所述背置成像照明模块81的表面上，所述多个第二子光源可划分为多个子光源区域，其中，所述子光源区域的划分可根据实际照明的需要以及样本和成像组件的位置进行确定，比如，每个子光源区域可包括纵向上的一列第二子光源，也可以包括纵向上的两列或多列第二子光源，还可以包括纵向上的一列第二子光源中的部分第二子光源，甚至所述子光源区域还可以呈不规则形状，由数个第二子光源组成，当然所述子光源区域还可横向来划分，所述本公开对于所述子光源区域的具体划分形式不作特别限定。以每个子光源区域包括纵向上的一列第二子光源为例，根据所述第二子光源在横向上的总宽度，所述背置成像照明模块81可分为8～20个子光源区域。

根据该实施例，所述背置成像照明模块81可支持整区背光照明方式和分区背光照明方式，并可根据实际应用的需要对于所述背置成像照明模块81的照明方式进行选择或切换，比如，以植物样本为例，整区背光照明方式或分区背光照明方式的选择可根据照明方式的特点和植物样本的类型来决定，具体地，整区背光照明方式可以消除样本表面不平整或划痕带来的深色局部阴影，但主体轮廓的对比度会降低；分区背光照明方式可以提高主体轮廓的对比度，适用于对比度弱的样本，并简化内部结构，实现跟随成像模块3成像范围同时移动的效果。

以每个子光源区域包括纵向上的一列第二子光源为例，当所述背置成像照明模块81采用整区背光照明方式时，所有子光源区域均开启，此时所述背置成像照明模块81呈现为面光源，从样本的背部均匀照亮整片区域；当所述背置成像照明模块81采用分区背光照明方式时，单独开启某一个或某几个子光源区域，此时所述背置成像照明模块81可呈现为纵向的条形光源。其中，所述子光源区域的开启位置，即开启哪一个或哪几个子光源区域，可根据所述成像模块3的位置来确定，进一步地，可根据所述三维位移控制模块提供的水平方向上的坐标位置来确定所述成像模块3的水平位置，进而确定所述子光源区域的开启位置。

在本公开一实施例中，所述多个子光源区域共用阳极或共用阴极，另一极由控制电路分别独立控制，以控制所述多个子光源区域的通断，从而实现所述背置成像照明模块81的分区背光照明。

在本公开一实施例中，所述背置成像照明模块81的光源表面的上方，即所述第二子光源所在平面的上方，还可安设有一层或多层匀光板，以将所述第二子光源发出的点状光源均匀分散开。

在本公开一实施例中，所述背置成像照明模块81的内侧面上，且距离所述第二子光源所在平面预设距离处开设有槽口84，以安装所述匀光板。其中，所述槽口84的数量可以为一条，以安装所述一层或多层匀光板，也可以与所述匀光板的数量相一致，使得每个槽口84对应安装一个匀光板。其中，所述预设距离可根据实际应用的需要以及所述背置成像照明模块81的光源特点进行确定，本公开对其不作具体限定。

与所述前置成像照明模块79相比，所述背置成像照明模块81能够产生明亮背景、黑暗主体的效果，使得样本外边缘轮廓明显。依然以植物样本为例，基于所述背置成像照明模块81的成像适于分析根的生长速率、叶片面积尺寸等参数，采用上述照射方式得到的植物样本观测图像可如图31示例所示。

根据本公开实施例提供的技术方案，通过设置能够提供前置光源的前置成像照明模块和能够提供背置光源的背置成像照明模块81，既可以根据实际应用的需要单独使用，也可以组合使用，来实现明亮主体、黑暗背景，以及明亮背景、黑暗主体等多种成像效果。上述技术方案不仅能够为样本提供足够的、适度的照明，还能够提供多角度、分区域的照明，因此能够大大提高图像拍摄质量。以所述待测样本为植物样本为例，上述技术方案既可以在主体高对比度、便于进行图像主体识别的前提下，使得成像主体的纹理更加细节清晰，适于分析下胚轴生长速度，以及跟踪组织局部生长，又可以使得样本外边缘轮廓明显，适于分析根的生长速率、叶片面积尺寸等参数，即提供多种角度多种区域的照明装置。

以上已经对本公开实施例的生物样本成像设备进行了介绍，并列举了一些代表性的使用方式，下面另外列举一些其他的使用方式。应当注意，本公开实施例提供的生物样本成像设备具备多种功能，该些功能可以任意组合，本文中的示例并非穷举用户可以使用本设备实现的全部组合方式以及组合中每个模块的具体使用方式。

示例一：使用大型水平培养皿架研究白菜种子萌发和幼苗生长1、培养皿灭菌：拆开培养皿各部分，使用洗涤剂和清水洗净，并用蒸馏水冲洗三次，室温晾干；在后盖的凹槽内安装好密封胶条并使用螺丝固定好前盖，与顶盖一起封入纸密封袋，经环氧乙烷气体灭菌后在超净工作台中拆开纸袋拿出使用；

2、将白菜种子进行表面灭菌：适量种子置于1.5mL离心管中，75％酒精+0.01％Triton X-100浸泡并充分震荡15min，倒去液体；加95％酒精冲洗一遍，倒去液体；在超净工作台中敞口彻底风干后盖紧管盖备用；

3、配置培养基：4.33g/L Murashige-Skoog盐、10g/L蔗糖、3g/L Phytagel植物凝胶，加入去离子水配置成1L培养液，使用KOH和HCl调节pH至5.7～5.8；121℃灭菌15min，冷却至45～55℃左右，从顶部开口倒入培养皿内，液面约在总高度的1/2至2/3；培养皿竖直静置，培养基凝固后盖上顶盖备用；

4、播种：在超净工作台中，在无菌一次性普通培养皿中放入一张无菌滤纸，加入少量无菌水浸湿滤纸，将灭菌后的白菜种子放置在滤纸上，于4℃环境中避光吸胀4d后取出，使用镊子小心将已露白的种子夹起放到培养基表面，间隔约10～20mm，露白部分朝下；使用封口膜将顶部开口封住，不加顶盖；根据本公开实施例，播种时顶部不加顶盖只用封口膜，可以在保证内部无菌环境的同时促进透气，防止使用本系统长时间培养及拍摄时内壁结露并流回培养基表面，使样品被凝结水淹没造成生长异常；

5、安装大型水平培养皿支架：将4个M6*12内六角螺丝旋入支架两侧的固定孔，滑入旋转架上的架位固定件35的长槽孔中并旋紧固定，将顶置培养光源的接线插入电气插座接口34；

6、样品装载：将放置有样品种子的大型培养皿前盖朝外放在支架的凹槽内，拉起4个弹簧夹56并向内侧旋转，将培养皿固定紧；

7、启动植物幼苗成像系统的各个设备模块：通过计算机软件控制密闭培养箱4为箱内提供22℃恒温环境；控制气体控制模块向培养箱内持续提供新鲜空气；控制顶置光源44提供混合白光照明；开启背置红外成像照明模块，开启全部背光分区，使用940nm红外光从样品的正后方提供照明；控制宏观表型检测模块、三维位移系统、八向主支架进行连续动态成像，即每隔设定的时间间隔(如5min)移动相机位置并旋转主支架，为每一个培养皿进行一轮拍摄；

8、继续进行连续动态成像至实验预定时刻；进行图像数据分析。

示例二：微观表型检测的实施例，研究拟南芥幼苗避荫反应的动态细节与机制

1、成像模块安装：将微观表型检测模块安装在三维位移控制模块的燕尾槽导轨76上，通过定位孔77锁紧；微观表型检测模块的镜头使用4倍放大的双远心镜头；

2、植物培养模块安装：将16个标准小型竖直培养皿架36安装在八向主支架的架位固定件35上；将顶置培养光源44的接线插入电气插座接口34，顶置培养光源使用同时带有660nm红光、735nm远红光、450nm蓝光三种单色光的三合一LED灯珠；

3、种子灭菌：同上文中介绍的种子灭菌方法，此处不再重复；

4、配置培养基：同上文中介绍的培养基配置方法，此处不再重复；

5、植物样品准备：在超净工作台中使用镊子将灭菌种子播在培养基表面，间隔约5mm排列成一行；每个培养皿内播种一行，多个培养皿播种高度应保持一致；盖上培养皿盖，使用封口膜进行密封；避光放置于4℃环境中吸胀4d后，取出竖直放置在22℃光下培养5d，拟南芥幼苗应紧贴培养基表面竖直生长；在超净台中打开培养皿，挑选生长状态良好、表型一致的植株，用镊子小心托起子叶部分，转移至新培养基上，植株间隔5mm排成一行，植株的每个部分均与培养基表面紧密贴合，避免镊子戳伤培养基表面；

6、样品装载：向外拉小型培养皿模块上的门销41，打开第一前盖42，将培养皿上盖盖好，不加封口膜，背面朝外、盖朝内竖直放入，关闭第一前盖42，此时门销41应复位，培养皿在小型竖直培养皿架36内固定紧不会移动；

7、控制植物培养各环境变量：通过计算机软件控制密闭培养箱4为箱内提供22℃恒温环境；控制气体控制模块向培养箱内持续提供新鲜空气；控制顶置培养光源44提供660nm红光、735nm远红光、450nm蓝光的光强比为3:1:3的混合光照；关闭培养箱门、成像暗室上的操作窗口，使植物样品所处环境不受外界光照干扰；

8、校准电控位移装置：使用上文描述的方法对旋转位移台25和三维直线位移台的零点进行校准；

9、记录样品初始位置：开启背置红外成像照明模块，开启全部分区背光通道，使用面光源模式；使用计算机软件控制旋转位移台25的角度使培养皿正对相机镜头，控制水平位移组件72和竖直位移组件73使镜头对准培养皿上的拍摄样品，控制纵深位移组件74使得镜头对焦清晰，通过软件记录每一个待拍摄样品的上述4个位移台的坐标数据；

10、设定实验条件计划：通过计算机软件设定避荫条件施加的时间、总拍摄时长等参数；

11、软件自动控制开始动态成像：每隔5min自动进行一轮拍摄获取每一个样品的图像，即读取每个样品的坐标记录、控制旋转位移台和三维直线位移台运动到指定位置、相机曝光获得图像后传输到计算机上存储；为缩短成像的耗时，应拍摄完一个培养皿内所有样品后再控制旋转位移台转到下一个培养皿的位置，位于同一个培养皿内的样品应采用蛇形前进的方式按顺序拍摄；

12、避荫条件处理：在成像开始3h后，计算机软件按预设计划自动控制顶置培养光源44，改变660nm红光、735nm远红光、450nm蓝光的光强比为1:3:3；

13、继续进行连续动态成像10h；分析获取的图像数据，计算拟南芥幼苗下胚轴生长速率在避荫条件处理前后的变化。

示例三：微观表型检测的实施例，研究拟南芥幼苗对乙烯生长抑制作用的快速响应

1、成像模块安装、种子灭菌以及配置培养基同示例二；

2、植物样品准备：在超净工作台中使用镊子将灭菌种子播在培养基表面，间隔约5mm排列成一行；每个培养皿内可以播种多行，每行间隔20mm；盖上培养皿盖，使用封口膜进行密封；避光放置于4℃环境中吸胀4d后，取出用铝箔纸包好，竖直放置在22℃避光培养2d，拟南芥幼苗应紧贴培养基表面竖直生长；在完全避光的室内仅保留暗弱绿光LED灯泡照明，超净工作台中打开培养皿，挑选生长状态良好、表型一致的植株，用镊子小心托起，转移至新培养基上，植株间隔5mm排成一行，植株的每个部分均与培养基表面紧密贴合，避免镊子戳伤培养基表面；

3、样品装载：向下扳动气密培养皿架38上的第一紧固件61，在超净台中打开第二前盖57，将不带盖的培养皿竖直装入内层盒体59，闭合第二前盖57；向存水槽65中加入1000μL无菌蒸馏水，盖上T形盖66；

4、植物培养模块安装：将气密培养皿架38安装在旋转架的架位固定件35上；将顶置培养光源44的接线插入电气插座接口34，或不安装顶置培养光源；使用软管将气密培养皿架上的进气口63与电气插座接口34上的出气口相连接；

5、控制植物培养各环境变量：通过计算机软件控制密闭培养箱4为箱内提供22℃恒温环境；控制气体控制模块向培养箱内持续提供新鲜空气，控制气泵向每个气密培养模块内通气，流速为50mL/min；关闭顶置培养光源44提供黑暗生长环境；关闭培养箱门、成像暗室上的操作窗口，使植物样品所处环境不受外界光照干扰；

6、校准电控位移装置、记录样品初始位置同示例二；

7、设定实验条件计划：通过计算机软件设定乙烯条件施加和撤出的时间、目标浓度、总拍摄时长等参数；

8、软件自动控制开始动态成像同示例二；

9、乙烯条件处理：在成像开始2h后，计算机软件按预设计划自动操作气体控制模块，向密闭培养箱内施加10ppm浓度的乙烯处理，具体方法参见上文关于气体控制系统部分的描述；

10、撤去乙烯处理：在施加乙烯处理6h后，计算机软件按预设计划自动操作气体控制模块，使用高压空气冲洗，将密闭培养箱内的乙烯快速排出，具体方法参见上文关于气体控制系统部分的描述；

11、继续进行连续动态成像6h；分析获取的图像数据，计算拟南芥幼苗下胚轴和根的生长速率在黑暗中对乙烯气体的快速响应，施加乙烯后0.5h内生长速率显著下降，撤去乙烯后1h内生长速率恢复至正常水平。

示例四：化学发光检测的实施例，研究高温对拟南芥幼苗周期节律的影响

1、成像模块安装：将发光检测模块安装在三维位移控制模块的燕尾槽导轨76上，通过定位孔77锁紧；

2、种子灭菌：使用表达有CCA1::LUC基因的转基因拟南芥种子，灭菌方法同示例二；

3、配置培养基：在培养基121℃高温灭菌后，冷却至60℃以下时加入用0.22μm无菌滤膜过滤的Luciferin荧光素底物溶液，终浓度150μg/mL，上下轻柔颠倒摇匀；其他同示例二；

4、植物样品准备、样品装载、植物培养模块安装同示例二；

5、控制植物培养各环境变量：通过计算机软件控制密闭培养箱4为箱内提供22℃恒温环境；控制气体控制模块向培养箱内持续提供新鲜空气；开启顶置培养光源44提供混合白光照明，并设置为每日0：00到6：00关闭光源、6：00到24：00开启光源的18h/6h光周期；关闭培养箱门、成像暗室上的操作窗口，使植物样品所处环境不受外界光照干扰；

6、校准电控位移装置同示例二；

7、记录样品初始位置：开启前置成像照明光源为样品提供照明；控制4个位移台并记录坐标数据的方法同示例二；

8、确定化学发光信号曝光时间：关闭前置成像照明光源和顶置培养光源，在全黑暗环境下曝光2min，根据获得的图像的亮度增减并确定正式拍摄时的曝光时间；

9、设定实验条件计划：通过计算机软件设定高温条件施加的时间、目标温度、总拍摄时长等参数；

10、软件自动控制开始动态成像：每隔30min自动进行一轮拍摄获取每一个样品的图像，即读取每个样品的坐标记录，控制旋转位移台和三维直线位移台运动到指定位置，相机以第8步确定的时间曝光获得图像后传输到计算机上存储；在曝光开始前，如果当前时刻正处于光照周期中，则关闭顶置培养光源，并在暗中静置30sec以避免植物自发荧光的干扰，待曝光完成后再重新开启顶置培养光源；

11、高温条件处理：在成像开始2d后，计算机软件按预设计划自动操作密闭培养箱，按预定计划将设定温度调整为30℃；

12、继续进行连续动态成像2d；分析获取的图像数据，计算CCA1::LUC表达量的波动周期与相位受高温影响的变化情况。

示例五：荧光检测的实施例，研究拟南芥幼苗根中生长素向重性不对称分布的动态变化

1、成像模块安装：在发射光滤镜轮中分别安装一片无色透明滤光片(用于对焦等明视场成像)和一片中心波长为530nm、半峰值带宽为35nm的带通滤光片(用于检测GFP绿色荧光蛋白的发射光)；在激发光滤镜轮中安装一片中心波长为470nm、半峰值带宽为30nm的带通滤光片；将荧光检测模块安装在三维直线位移控制模块的燕尾槽导轨76上，通过定位孔77锁紧；将激发光光纤鹅颈管调整正对培养箱观察窗；

2、种子灭菌：使用表达有DR5::GFP基因的转基因拟南芥种子，灭菌方法同示例二；

3、配置培养基同示例二；

4、植物样品准备、样品装载和植物培养模块安装：同上文中描述的样品准备方法；

5、控制植物培养各环境变量：通过计算机软件控制密闭培养箱4为箱内提供22℃恒温环境；控制气体控制模块向培养箱内持续提供新鲜空气；开启顶置培养光源44提供混合白光照明；关闭培养箱门、成像暗室上的操作窗口，使植物样品所处环境不受外界光照干扰；

6、校准电控位移装置同示例二；

7、记录样品初始位置：开启前置成像照明光源为样品提供照明，控制发射光滤镜轮切换至透明滤光片；控制4个位移台并记录坐标数据的方法同示例二；

8、确定荧光信号曝光时间：关闭前置成像照明光源和顶置培养光源，控制激发光滤镜轮切换至470nm带通滤光片、发射光滤镜轮切换至530nm带通滤光片；开启荧光激发光源，曝光10sec，根据获得的图像的亮度增减并确定正式拍摄时的曝光时间；每次曝光结束后关闭荧光激发光源；

9、设定实验条件计划：通过计算机软件设定重力条件施加的时间、旋转角度、总拍摄时长等参数；

10、软件自动控制开始动态成像：控制激发光滤镜轮切换至470nm带通滤光片、发射光滤镜轮切换至530nm带通滤光片；每隔10min自动进行一轮拍摄获取每一个样品的图像，即读取每个样品的坐标记录，控制旋转位移台和三维直线位移台运动到指定位置，相机以第8步确定的时间曝光获得图像后传输到计算机上存储；在每轮拍摄循环开始时，自动关闭顶置培养光源，待一轮所有样品成像完成后再重新开启；每个样品曝光开始前，自动开启荧光激发光源，曝光结束后关闭；

11、重力条件处理：在成像开始2h后，计算机软件按预设计划自动操作每个重力模块的伺服电机，分别读取各自的当前位置读数，计算顺时针旋转90°后的位置值，并分别移动至相应位置；如果在实验预定的时刻还没有完成一轮所有样品的拍摄，则等待该轮样品拍摄完成后再操作伺服电机；

12、继续进行连续动态成像1d；根据获取的图像数据，分析DR5::GFP代表的生长素在植物体内的分布和各部位表达量随根向重性弯曲生长的变化。

本公开各个实施例提供的技术方案至少具有如下的有益效果：

1、对植物幼苗的高通量成像：以往的设计中，要么能够拍幼苗(可以拍微距图像、分辨微米级别的长度变化)但不能同时拍摄大量样品(即高通量)，要么能够高通量但只能拍大型植株、没有足够的物理分辨率来分析幼苗。本发明可以帮助以植物幼苗作为研究对象的科研人员，将植物动态生长的定量分析的精度极大提高。另外，由于统计学分析要求同一样品有多次生物学重复实验数据，传统实验方法每次拍摄一个或少量样品，要获得足够的统计数据需要几周甚至几个月，从实践上是无法完成的任务；通过本发明可以缩短科研人员的人力和时间付出，快速获得具有统计学意义的可以用于高质量学术研究课题的数据。

2、多种实验条件组合：科学研究中总是需要改变实验条件变量、观察实验结果的变化来探究各个变量影响的内部机制。本发明在高通量成像分析的同时，可以自动控制植物幼苗样品培养环境中的温度、气体成分浓度、光照、重力等条件。本发明定时、定量地改变以上植物生长发育过程中最常见的环境变量，亦可对多个环境变量的控制加以组合，并在此基础上分析微观的动态生长变化，这是现有的实验方法都无法做到的。例如，研究植物激素乙烯的科研人员，可以借助本发明研究植物在施加乙烯处理前后生长速率的快速变化；研究根的向重性感应的科研人员，可以研究重力方向、光照方向的变化对生长的瞬时影响；研究植物抵抗逆境的科研人员，可以研究植物在高温或者缺氧等条件下生长速率的动态变化。

3、可扩展的多功能模块：可以安装到旋转架上的培养皿架，包括了小型竖直培养皿、大型水平培养皿、气密培养皿、重力培养皿架等，可以分别或组合安装，实现对不同类型样品、不同实验目的的适配。可以安装到相机转接组件上的成像检测模块，包括微观表型、宏观表型、高灵敏度发光、荧光等多种模块，可以观察不同类型的表型、实现多种实验方法的集成。同时，适配支架均采用通用的接口设计，还可以连接更多的功能模块，为未来的新功能提供扩展。

以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种生物样本成像设备，其特征在于，包括：

培养箱，所述培养箱的一侧设置有观察窗；

生物样本培养模块，设置于所述培养箱的内部；

成像模块，设置于所述培养箱的外部，通过所述观察窗采集所述生物样本培养模块中培养的生物样本的图像。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括光学隔震平台，所述培养箱的底部设有开孔，所述生物样本培养模块穿过所述开孔固定于所述光学隔震平台上。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括外壳，设置于所述培养箱和成像模块的外部，围成一个避光的暗室。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括主控计算机，用于控制所述培养箱、生物样本培养模块以及成像模块的运行，并接收生物样本图像。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述培养箱包括温度控制系统和气体控制系统：

所述温度控制系统包括温度传感器、控制电路、压缩机、冷凝器、蒸发器和循环风机，其中，所述压缩机设置于所述箱体的外部；

所述气体控制系统包括气源、混气设备以及气体传感器。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述生物样本培养模块包括：

旋转架，包括旋转平台和支架本体，所述支架本体上形成多个培养皿架安装位；以及

培养皿架，可拆卸地安装在所述安装位上，用于固定培养皿。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述支架本体与所述旋转平台固定连接，所述支架本体包括第一支架和第二支架，所述第一支架呈放射状分布，第一支架延伸出所述旋转平台的端部固定有所述第二支架，相邻所述第二支架的空间部分形成所述安装位；

所述第二支架上固定至少一个架位固定件，相邻两个第二支架的架位固定件之间形成所述安装位，其中，所述旋转架上至少包括两个不同高度的架位固定件；

所述架位固定件包括两个安装孔，用于兼容多种类型的培养皿架，所述多种类型的培养皿架包括小型竖直培养皿架、大型水平培养皿架、气密培养皿架以及重力培养皿架中的两种以上。

8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述培养皿架包括第一照明部件和/或第二照明部件，所述第一照明部件设置于所述培养皿架的框架的内侧，所述第二照明部件设置于所述培养皿架的顶部。

9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述成像模块通过转接组件设置在三维位移控制装置上，所述转接组件具有水平台面，所述水平台面上设置有导轨和定位销孔，所述导轨用于提供承载滑动路径，所述定位销孔用于对所述成像模块进行定位，其中，所述成像模块包括微观表型检测模块、宏观表型检测模块、发光检测模块、荧光检测模块中的任意一种。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，还包括：

前置成像照明模块，安装于所述三维位移控制装置上，位于所述三维位移控制装置靠近所述培养箱的一端，用于透过所述观察窗对所述生物样本培养模块提供前置光源；以及/或者

背置成像照明模块，安装于所述培养箱内部，用于对所述生物样本培养模块提供背置光源。

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