CN114062462A - 一种检测样品外部微区环境的浓度梯度的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子测试设备技术领域，尤其涉及一种检测样品外部微区环境的浓度梯度的系统及方法。一种检测样品外部微区环境的浓度梯度的系统，包括：中央处理器、显微镜、用于采集样品和传感器位置信息并可成像、截图的摄像装置、选择性离子传感器、用于控制和驱动选择性离子传感器的驱动装置。所述中央处理器用于接收摄像装置与选择性离子传感器反馈的信号，并按设定的触发条件驱动选择性离子传感器开始运行。还提供了一种检测样品外部微区环境的浓度梯度的方法，通过中央处理器、驱动装置、摄像装置与选择性离子传感器的配合，采用自动化或半自动化的方式对样品外部微区环境进行检测，并将数据换算为颜色RGB值，最终以不同的颜色展现样品外部微区环境中的浓度梯度变化。

Description

一种检测样品外部微区环境的浓度梯度的系统及方法

技术领域

本发明涉及电子测试设备技术领域，尤其涉及一种检测样品外部微区环境的浓度梯度的系统及方法。

背景技术

浓度梯度，是指当界面两侧溶液间存在浓度差时，在界面允许溶质自由通过的条件下，高浓度侧与低浓度侧的溶质在空间上的分布是均匀递减的，此种浓度差在空间上的递减。

选择性离子传感器，是指一类利用膜电势测定溶液中离子的活度或浓度的电化学传感器，当它和含待测离子的溶液接触时，在它的敏感膜和溶液的相界面上产生与该离子活度直接有关的膜电势。选择性离子电极也称膜电极，这类电极有一层特殊的电极膜，电极膜对特定的离子具有选择性响应，电极膜的电位与待测离子含量之间的关系符合能斯特公式。这类电极由于具有选择性好、平衡时间短的特点，是电位分析法用的最多的指示电极。

非损伤微测技术(Non-invasive Micro-test Technology，NMT)是通过测定活体动植物组织、细胞与内/外环境间Ca²⁺/Cd²⁺/Na⁺/K⁺/NO₃ ^-/NH₄ ⁺/O₂...交换量的实时变化，揭示基因功能的一种新技术。

现有的非损伤微测系统，存在以下技术问题：

1、现有的非损伤微测系统只能检测两点间的浓度与浓度梯度。

2、现有的非损伤微测系统只能将检测到的信号以数据形式输出。

因此现有非损伤微测系统还无法直接地检测并直观地体现出样品外部微区环境的浓度梯度以及浓度梯度变化。

发明内容

本发明的目的在于提出一种检测样品外部微区环境的浓度梯度的系统，通过中央处理器、驱动装置、摄像装置与选择性离子传感器的配合，采用自动化或半自动化的方式对样品外部微区环境进行浓度梯度检测，并将浓度与浓度梯度换算为颜色的RGB值，最终以不同的颜色展现样品外部环境中的浓度梯度变化，实现了直接对样品外部微区环境的浓度梯度的检测，并以图片的形式直观的展现出浓度梯度与浓度梯度的变化。

本发明还提供了一种检测样品外部微区环境的浓度梯度的方法，采用图像识别技术对选择性离子传感器与被测样品定位、遵循菲克扩散定律驱动选择性离子传感器运动固定距离、实时采集样品微区环境内检测点之间的浓度与浓度梯度数据并换算为颜色RGB值，实现了对样品外部微区环境内的浓度梯度检测，并以图片形式更加直观的展现出浓度梯度与浓度梯度变化。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种检测样品外部微区环境的浓度梯度的系统，包括：中央处理器、显微镜、用于采集样品和传感器位置信息并可成像、截图的摄像装置、选择性离子传感器、用于控制和驱动选择性离子传感器的驱动装置。

作为优选方案之一，所述中央处理器包括智能硬件控制单元和智能软件控制单元，所述智能软件控制单元通过智能硬件控制单元接收选择性离子传感器反馈的浓度与浓度梯度检测数据、换算浓度与浓度梯度数据为颜色RGB值并绘制浓度梯度图与浓度梯度变化图、指令驱动装置驱动选择性离子传感器依据菲克扩散定律运动设定的固定距离直至运动到检测点的背景浓度处。

作为优选方案之一，所述驱动装置包括运动控制器、驱动器，所述智能硬件控制单元发送指令至所述运动控制器，所述运动控制器指令一个或多个驱动器驱动与其连接的一个或多个选择性离子传感器运动或停止。

作为优选方案之一，所述摄像装置包括摄像头与图像采集芯片，所述摄像头设置在显微镜的成像区域，所述图像采集芯片接收摄像头传输的光学信号，并转化为电信号传输到智能软件控制单元。

作为优选方案之一，所述选择性离子传感器还包括前置放大器和信号处理器，所述选择性离子传感器检测的浓度与浓度梯度信号通过前置放大器放大后，再经信号处理器降噪处理后，最后经由智能软件控制单元发送给智能硬件控制单元。

作为优选方案之一，所述图像采集芯片为CCD芯片。

本发明还提供了一种检测样品外部微区环境的浓度梯度的方法，包括如下步骤：

步骤1、将待测样品放置于显微镜载物台上，并将选择性离子传感器驱动至检测开始位置；

步骤2、摄像装置采集待测样品与选择性离子传感器的位置、截取待测样品图像，发送至中央处理器；

步骤3、中央处理器确定样品与选择性离子传感器位置信息正确后，发送指令至驱动装置；

步骤4、驱动装置驱动选择性离子传感器和/或待测样品移动至第一检测点，发送实时采集的浓度与浓度梯度数据至中央处理器；

步骤5、依据菲克扩散定律，驱动装置驱动选择性离子传感器按照设定的固定距离运动；

步骤6、发送实时采集的浓度与浓度梯度数据至中央处理器；

步骤7、重复步骤5-6，直至选择性离子传感器运动到背景浓度处；

步骤8、中央处理器将接收到的所有检测点浓度与浓度梯度数据换算为颜色的RGB值；

步骤9、中央处理器依据步骤2中截取的样品图像和步骤8中浓度与浓度梯度数据换算为颜色的RGB值，绘制浓度梯度图与浓度梯度变化图。

作为优选方案之一，步骤3中，若中央处理器判定位置信息错误，发送指令至驱动装置，调整选择性离子传感器和/或待测样品的位置，直至位置信息无误。

有益效果：通过中央处理器、驱动装置、摄像装置与选择性离子传感器的配合，采用自动化或半自动化的方式对样品外部微区环境进行浓度梯度检测，并将浓度与浓度梯度换算为颜色的RGB值，最终以不同的颜色展现样品外部微区环境中的浓度梯度变化，实现了对样品外部微区环境的浓度梯度检测，并以浓度梯度图与浓度梯度变化图的形式直观展现出浓度梯度与浓度梯度变化。

附图说明

图1是一种检测样品外部微区环境的浓度梯度的系统的流程示意图；

图2是一种检测样品外部微区环境的浓度梯度的系统的部件连接示意图。

图中：

1、智能硬件控制单元；2、智能软件控制单元；3、信号处理器；4、前置放大器；5、运动控制器；6、驱动器；7、选择性离子传感器；8、摄像装置；9、显微镜；10、显示屏。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请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发明的技术原理。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

本发明提供了一种检测样品外部微区环境的浓度梯度的系统，如图2所示，包括：中央处理器、显微镜9、用于采集样品和传感器位置信息并可成像、截图的摄像装置8、选择性离子传感器7、用于控制和驱动选择性离子传感器7的驱动装置，所述中央处理器用于接收摄像装置8与选择性离子传感器7反馈的信号，并按设定的触发条件驱动选择性离子传感器7开始运行。通过中央处理器、驱动装置、摄像装置8与选择性离子传感器7的配合，采用自动化或半自动化的方式对样品外部微区环境进行浓度梯度检测，并将浓度与浓度梯度换算为颜色的RGB值，最终以不同的颜色展现样品外部环境中的浓度梯度变化，实现了直接对样品外部微区环境的浓度梯度的检测，并以图片的形式直观的展现出浓度梯度与浓度梯度的变化。

所述中央处理器包括智能硬件控制单元1和智能软件控制单元2，所述智能硬件控制单元1与摄像装置8、驱动装置、选择性离子传感器7、显微镜9通过数据线连接，所述智能硬件控制单元1将由摄像装置8采集到的选择性离子传感器7与待测样品位置信号、样品截图传送给所述智能软件控制单元2，所述智能软件控制单元2通过图像识别程序对所接收到的摄像装置8发出的位置信号进行分析和判断，识别选择性离子传感器7尖端与待测样品的对应位置，并根据判断结果将相关的操作指令传输到智能硬件控制单元1。

所述智能软件控制单元2包括信号处理程序、用户UI界面程序、图像识别程序、运动控制程序与绘制浓度梯度与浓度梯度变化图程序。所述用户UI界面程序通过与智能硬件控制单元1相连接的显示屏10进行操作、并与用户对接，用于进行参数的设置和调整以及测量结果的输出和分析。所述信号处理程序用于处理所述智能硬件控制单元1传输的浓度与浓度梯度信号并换算为颜色RGB值，所述运行控制程序用于根据从摄像装置8接收到的选择性离子传感器7和/或待测样品的位置信息，作出运行指令，并由智能硬件控制单元1传输给运动控制器5。所述绘制浓度梯度与浓度梯度变化图程序用于使用浓度与浓度梯度已换算为颜色的RGB值绘制浓度梯度图与浓度梯度变化图。

所述驱动装置包括运动控制器5和驱动器6，所述运动控制器5与所述智能硬件控制单元1通过数据线连接，所述运动控制器5与所述驱动器6通过数据线连接，所述智能硬件控制单元1发送指令至所述运动控制器5，所述运动控制器5指令驱动器6驱动与其连接的选择性离子传感器7和/或显微镜9载物台运行。

可选择的，所述运动控制器5与所述智能硬件控制单元1通过无线方式连接，所述运动控制器5与驱动器6通过无线方式连接，所述驱动器6数量可为一个或多个用于同时驱动一个或多个选择性离子传感器7和/或一个或多个待测样品，进一步简化系统的内部结构，提高结构设置的多样性，以及系统整体的高通量性。

所述摄像装置8包括摄像头和图像采集芯片，所述摄像头设置在显微镜9的成像区域，所述图像采集芯片与摄像头通过数据线连接，所述图像采集芯片接收摄像头传输的光信号，并转化为电信号传输到智能硬件控制单元1，所述智能硬件控制单元1将其接收到的电信号传输给智能软件控制单元2，所述智能软件控制单元2安装有图像识别程序，通过图像识别程序对智能软件控制单元2接收到的电信号的分析和判断，识别一个或多个选择性离子传感器7尖端与待测样品的对应位置，并将位置信息和判断结果传输到智能硬件控制单元1。智能硬件控制单元1接收到位置信息正确的判断结果，启动检测并截取样品截图；或者，智能硬件控制单元1接收到位置信息错误的判断结果，通过运动控制器5、驱动器6，调整选择性离子传感器7和/或待测样品的位置，直至选择性离子传感器7和/或待测样品的位置符合测试要求，启动检测并截取样品截图。

所述选择性离子传感器7还包括：前置放大器4和信号处理器3，所述前置放大器4、信号处理器3、选择性离子传感器7分别通过数据线连接，所述选择性离子传感器7测得的浓度与浓度梯度数据通过前置放大器4放大后传输到信号处理器3，经信号处理器3降噪处理后发送给所述智能硬件控制单元1，所述智能硬件控制1将接收到的选择性离子传感器7的浓度与浓度梯度检测数据发送给智能软件控制单元2。所述驱动器6还通过数据线连接前置放大器4，所述运动控制器5可以通过驱动器6驱动前置放大器4进行运动。

优选的，所述图像采集芯片为CCD芯片。可选择的，所述显微镜9包括但不限于：倒置显微镜、金相显微镜等普通显微镜的任一种，也可以是荧光显微镜、激光共聚焦显微镜或其他类型的显微镜的任一种。

智能硬件控制单元1包括但不限于：装载Windows各版本系统的PC机、装载Linux各版本系统的树莓派，以及可装载其他操作系统的媒介等。智能软件控制单元2包括但不限于：C/C++语言程序、Processing语言程序、Python语言程序，以及其他可应用于软/硬件编程的编程语言。

优选的，所述选择性离子传感器7为选择性离子传感器。可选择的，所述选择性离子传感器7可以是测量进出样品分离子浓度、浓度梯度、流速及流动方向信息选择性/特异性分离子微电极，如玻璃微电极、金属微电极、光纤微电极、碳纤维微电极等，也可以是测量样品表面局部电流信息的振动微电极或测量其他信息的不同特性微电极。

本发明还提供了一种检测样品外部微区环境的浓度梯度的方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤1、将样品放置于显微镜9载物台上，将一个或多个选择性离子传感器7和待测样品分别设置于检测开始位置；

步骤2、显微镜9自动或半自动或手动对焦，将被测样品与选择性离子传感器7置于同一视野内，摄像装置8中的图像采集芯片采集待测样品和选择性离子传感器7的位置信息、并截取样品图像，发送至中央处理器中的智能硬件控制单元1，所述智能硬件控制单元1将接收到的选择性离子传感器7与待测样品的位置信息、截取的样品图像发送给智能软件控制单元2；

步骤3、所述智能软件控制单元2判断选择性离子传感器7与待测样品位置信息正确后，通过智能硬件控制单元1发送指令至驱动装置中的运动控制器5；

步骤4、驱动装置中的运动控制器5按照接收到的所述智能硬件控制单元1的指令通过驱动器6使选择性离子传感器7移动至第一检测点，选择性离子传感器7发送实时采集的浓度与浓度梯度数据至智能硬件控制单元1，并通过智能硬件控制单元1传输至智能软件控制单元2；

步骤5、依据菲克扩散定律，驱动装置中的运动控制器5通过驱动器6驱动选择性离子传感器7按照设定的固定距离运动；

步骤6、选择性离子传感器7发送实时采集的浓度与浓度梯度数据至前置放大器4、由前置放大器4将信号放大后通过信号处理器3进行数据处理，并通过智能硬件控制单元1发送至智能软件控制单元2；

步骤7、重复步骤5-6，直至选择性离子传感器7运动至样品背景浓度处。

步骤8、智能软件控制单元2将所有的浓度与浓度梯度数据通过软件程序换算为颜色RGB值；

步骤9、智能软件控制单元2依据步骤2中摄像装置8所截取的待测样品图像和步骤8中换算完毕的颜色RGB值，绘制样品外部微区环境内的浓度梯度图与浓度梯度变化图。

可选择的，步骤3中，若智能软件控制单元2确定位置信息错误，通过智能硬件控制单元1发送指令至驱动装置，驱动装置中的运动控制器5通过驱动器6调整选择性离子传感器7和/或待测样品的位置，直至位置信息正确。或者，也可以由智能软件控制单元2发出警报，提示测试人员采用半自动或手动的方法，将选择性离子传感器7和待测样品调整至正确位置。

综上所述，通过中央处理器、驱动装置、摄像装置8与选择性离子传感器7的配合，采用自动化或半自动化的方式对样品外部微区环境进行检测，并将数据换算为颜色RGB值，最终以不同的颜色展现样品外部微区环境中的浓度梯度变化。通过中央处理器将浓度与浓度梯度数据换算为颜色的RGB值，并结合摄像装置8截取的样品截图绘制样品外部微区环境的浓度梯度图与浓度梯度变化图，以图片的形式更加直观地展现出浓度梯度与浓度梯度变化。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种检测样品外部微区环境的浓度梯度的系统，其特征在于，包括：中央处理器、显微镜9、用于采集样品和选择性离子传感器位置信息并可成像、截图的摄像装置8、选择性离子传感器7、用于控制和驱动选择性离子传感器7的驱动装置，所述中央处理器用于接收摄像装置8与选择性离子传感器7反馈的信号，并按设定的触发条件驱动选择性离子传感器7开始运行。

2.根据权利要求1所述的一种检测样品外部微区环境的浓度梯度的系统，其特征在于，所述中央处理器包括：智能硬件控制单元1和智能软件控制单元2，所述智能软件控制单元2通过智能硬件控制单元1接收选择性离子传感器7反馈的浓度与浓度梯度检测数据、换算浓度与浓度梯度数据为颜色的RGB值并绘制浓度梯度图与浓度梯度变化图、指令驱动装置驱动选择性离子传感器7依据菲克扩散定律运动设定的固定距离直至移动到检测点的背景浓度处。

3.根据权利要求2所述的一种检测样品外部微区环境的浓度梯度的系统，其特征在于，所述驱动装置包括：运动控制器5和驱动器6，所述智能硬件控制单元1发送指令至所述运动控制器5，所述运动控制器5指令一个或多个驱动器6驱动与其连接的一个或多个选择性离子传感器7运动及停止。

4.根据权利要求2所述的一种检测样品外部微区环境的浓度梯度的系统，其特征在于，所述摄像装置8包括：摄像头与图像采集芯片，所述摄像头设置在显微镜9的成像区域，所述图像采集芯片接收摄像头传输的光学信号，并转化为电信号传输到智能软件控制单元2。

5.根据权利要求2所述的一种检测样品外部微区环境的浓度梯度的系统，其特征在于，所述选择性离子传感器7还包括：前置放大器4和信号处理器3，所述选择性离子传感器7检测的浓度与浓度梯度信号通过前置放大器4 放大，再经信号处理器3降噪处理后，最后经由智能软件控制单元2发送给智能硬件控制单元1。

6.根据权利要求2所述的一种检测样品外部微区环境的浓度梯度的系统，其特征在于，所述图像采集芯片为CCD芯片。

7.一种检测样品外部微区环境的浓度梯度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、将待测样品放置于显微镜9载物台上，并将选择性离子传感器7驱动至检测开始位置；

步骤2、摄像装置8采集待测样品与选择性离子传感器7的位置、截取待测样品图像，发送至中央处理器；

步骤3、中央处理器确定样品与选择性离子传感器7位置信息正确后，发送指令至驱动装置；

步骤4、驱动装置驱动选择性离子传感器7和/或待测样品移动至第一检测点，发送实时采集的浓度与浓度梯度数据至中央处理器；

步骤5、依据菲克扩散定律，驱动装置驱动选择性离子传感器7按照设定的固定距离运动；

步骤6、发送实时采集的浓度与浓度梯度数据至中央处理器；

步骤7、重复步骤5-6，直至选择性离子传感器7运动到背景浓度处；

步骤8、中央处理器将接收到的所有检测点浓度与浓度梯度数据换算为颜色的RGB值；

步骤9、中央处理器依据步骤2中截取的待测样品图像和步骤8中浓度与浓度梯度数据换算为颜色的RGB值，绘制浓度梯度图与浓度梯度变化图。

8.根据权利要求7所述的一种检测样品外部微区环境的浓度梯度的方法，其特征在于，步骤3中，若中央处理器判定位置信息错误，发送指令至驱动装置，调整选择性离子传感器7和/或待测样品的位置，直至位置信息无误。

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