CN114276929B - 一种用于临近空间科学实验的生物暴露装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及空间生物装置技术领域，特别涉及一种用于临近空间科学实验的生物暴露装置，包括：盖子(1)、盖子传动机构、盖子锁紧机构、电控单元、箱体中段(2)和箱体底段(3)，生物暴露装置还包括：样品安装板、样品容器、若干个温控单元和电子学测控与通信单元；样品容器包括：用于装载有活性固体生物样品的若干个灌注式培养盒(6)和用于装载休眠生物样品的若干个芯片型培养盒(5)；若干个温控单元分别与灌注式培养盒(6)底部紧密连接，用于检测对应的灌注式培养盒(6)的内部温度；若干个温控单元还基于电子学测控与通信单元的控制，分别调节对应的灌注式培养盒(6)的内部温度。
Description
技术领域
本发明涉及空间生物装置技术领域，特别涉及一种用于临近空间科学实验的生物暴露装置。
背景技术
临近空间是指距地面20-100公里的空域，处于地球生物圈边缘，因素受地球大气环流和太空辐射共同影响，其主要的环境与火星环境类似。随着空间生命科学的发展，临近空间生物学研究成为新的研究热点，具有重要的科学意义和应用价值。
国际上，暴露实验技术发展已有多年，在国际空间站、返回式卫星(光子号)以及临近空间生物实验方面都有相关生物实验设备在使用。在低温条件下，固定液可能面临结冰或饱和析出结晶等问题，所以在电磁阀气液界面控制处理、固定液多路输送控制、固定液防结冰及防结晶处理和样品盒排气处理等方面，需要多方面的考虑与设计。
论文“MARSBOx:Fungal and Bacterial Endurance From a Balloon-FlownAnalog Mission in the Stratosphere”中公开了一种美国MARSBOx生物暴露装置，MARSBOx有效载荷为38.1cm×25.4cm×63.5cm，质量为18kg，用于简单安装和集成到大型科学气球吊舱外部。生物样品被封闭在一个加压的屏蔽容器(Trex盒)内，该容器带有一个可旋转的门，可防止上升和下降过程中的太阳辐射暴露(即实验开始/结束)。Trex盒上覆盖着超硅玻璃：8毫米厚，在气球飞行期间，MARSBOx系统控制了紫外线辐射的暴露。在MARSBOx的每个面上都有可拆卸的涂有白色粉末涂层的铝板，其背板上的角支架用于将系统安装到吊舱上。
但是，MARSBOx生物暴露装置不具备温控功能，临近空间环境恶劣，温差大、气压低并且昼夜环境差别大，导致生物特性难以保持，因此MARSBOx生物暴露装置只能开展休眠性生物暴露实验。在临近空间环境下实现生物样品的温度控制，具有很高的难度。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有生物暴露装置不具备温控功能和无法保持生物特性的缺点，从而提供一种用于临近空间科学实验的生物暴露装置，所述装置可在恶劣的临近空间环境下，对实验的具有活性生物样品进行辐照，并保持其生物特性，温控单元提供了精确温控的内部环境，并通过液体运输单元对具有活性生物样品特性在轨固定，使其回收后可进行后续分析。为实现上述目的，本发明提供一种用于临近空间科学实验的生物暴露装置，包括：盖子1、盖子传动机构、盖子锁紧机构、电控单元、箱体中段2和箱体底段3；所述生物暴露装置还包括：样品安装板、样品容器、若干个温控单元和电子学测控与通信单元；其中，
所述样品安装板与所述箱体底段3的底端平行，并固定在所述箱体中段2，所述样品安装板设置有若干个工位开孔；
所述样品容器包括：用于装载有活性固体生物样品的若干个灌注式培养盒6和用于装载休眠生物样品的若干个芯片型培养盒5；其中，
若干个所述灌注式培养盒6分别与所述样品安装板的若干个工位开孔的位置对应，并固定在所述样品安装板上方；
若干个所述芯片型培养盒5安装在所述盖子1内表面上；
若干个所述温控单元分别穿过所述工位开孔，并分别与所述灌注式培养盒6底部紧密连接，用于检测对应的所述灌注式培养盒6的内部温度；若干个所述温控单元还基于所述电子学测控与通信单元的控制，分别调节对应的所述灌注式培养盒6的内部温度。
作为上述装置的一种改进，所述温控单元包括：电阻式加热膜18、均热板16、温度传感器、支架19和散热风扇20；其中，
所述均热板16固定在支架19的顶端，并由所述电阻式加热膜18覆盖；所述散热风扇20固定在所述支架19的底端；
所述温控单元通过导热硅胶与所述灌注式培养盒6底部粘贴固定；
所述温度传感器埋设在所述均热板16内部，用于检测所述灌注式培养盒6的内部温度；所述温度传感器还与所述电子学测控与通信单元连接，用于将所述灌注式培养盒6的内部温度传输至上位机；
所述电子学测控与通信单元还与驱动电路连接，用于发送驱动数据；所述电阻式加热膜18和散热风扇20通过所述驱动电路驱动，并基于驱动数据运行，以控制所述灌注式培养盒6的内部温度。
作为上述装置的一种改进，所述灌注式培养盒6通过螺钉紧压固定在所述样品安装板上方；每个所述灌注式培养盒6与样品安装板之间和所述样品安装板与箱体中段2之间均设有O型密封圈，以保证所述样品安装板与所述盖子1之间的箱体内部为1大气压。
作为上述装置的一种改进，所述灌注式培养盒6为气密型培养盒，并由内外两层透紫外线玻璃盒组成；所述有活性固体生物样品放置于内层透紫外线玻璃盒中；其中，两层透紫外线玻璃盒的紫外线透过率≥80％。
作为上述装置的一种改进，所述灌注式培养盒6为气密型培养盒，采用单层透紫外线玻璃盒；所述有活性固体生物样品放置于透紫外线玻璃盒中；其中，单层透紫外线玻璃盒的紫外线透过率≥90％。
作为上述装置的一种改进，所述灌注式培养盒6包括：液体输运单元；所述液体输运单元包括：进液口15和排气口17，其中，所述进液口15用于向灌注式培养盒6内部注入固定液；所述排气口17用于排出所述灌注式培养盒6内的空气，使所述有活性固体生物样品充分浸泡在所述固定液中。
作为上述装置的一种改进，所述芯片型培养盒5为非气密型培养盒，其紫外线透过率≥90％；所述盖子1的部分区域由铝箔反光胶带覆盖，形成避光区域；所述盖子1内表面上设置有8个工位，其中，4个所述工位为避光工位，设置在所述避光区域内，另外4个所述工位设置在非避光区域，以接受紫外线照射；所述生物暴露装置包括8个所述芯片型培养盒5，分别固定在盖子1的工位中。
作为上述装置的一种改进，所述箱体中段2和箱体底段3共同组成所述生物暴露装置的箱体；
所述盖子传动机构，基于所述电控单元的控制，带动所述盖子1开启或者关闭，使所述箱体处于开启或者闭合状态；当所述箱体处于闭合状态，所述盖子1与所述箱体通过盖子锁紧机构锁紧固定；
所述箱体中段2和箱体底段3为铝合金框架结构，并设有减重槽，以减轻所述生物暴露装置的质量；所述箱体中段2和箱体底段3的外表面经过本色阳极氧化处理，以减少吸热并防止腐蚀；箱体底段3底端内表面设置有箱内风扇，用于为箱体内部散热。
作为上述装置的一种改进，所述盖子传动机构通过至少两个齿轮带动所述盖子1打开或关闭；其中，所述盖子传动机构包括：步进电机、减速器和聚四氟乙烯自润滑轴承；所述盖子传动机构通过进步电机驱动减速器转动，并通过减速器带动聚四氟乙烯自润滑轴承与每个所述齿轮转动，使盖子1打开或关闭；
所述的盖子锁紧机构包括：设置在所述箱体中段2的至少两个电磁驱动锁销和设置在盖子1上相应位置的锁孔；其中，所述电磁驱动锁销插入所述锁孔，使所述生物暴露装置处于闭合状态；
所述装置还包括：角度传感器，其中，所述角度传感器固定在所述箱体中段2开口边缘处，并与所述盖子传动机构同边设置，用于检测所述聚四氟乙烯自润滑轴承的旋转角度。
作为上述装置的一种改进，所述生物暴露装置还包括：设置在所述样品安装板的预埋孔中的曝光时间检测单元和压力传感器；其中，
所述曝光时间检测单元包括：光电池检测暴露装置；其中，所述光电池检测暴露装置位于任一所述灌注式培养盒6旁边，并朝向太阳；所述光电池检测暴露装置与所述电子学测控与通信单元连接，用于检测所述生物暴露装置接受辐射或/和紫外线照射的有效时间，并将所述有效时间通过所述电子学测控与通信单元传输至上位机；
所述压力传感器与所述电子学测控与通信单元连接，用于监测所述箱体内的压力参数，并将所述压力参数通过所述电子学测控与通信单元传输至上位机。
本发明的有益效果是：
1、所述装置可遮蔽上行过程的辐射干扰，到达临近空间预定高度时，使具有活性的生物样品充分接受紫外线照射；
2、所述装置在上行及在轨过程中，为生物样品提供密闭的环境，精确温控使生物样品保持其活性；
3、所述装置在轨时对样品特性进行固定，保持在临近空间接受辐照后的状态，利于科学分析；
4、所述装置为我国临近空间生物科学研究提供了技术基础及设备基础，并为相关临近空间实验的硬件研究起到推进作用。
附图说明
图1是本发明的提供的用于临近空间科学实验的生物暴露装置的结构示意图；
图2是本发明的灌注式样品培养盒结构示意图；
图3是本发明的温控单元结构示意图。
附图说明
1、盖子 2、箱体中段 3、箱体底段
5、芯片型培养盒 6、灌注式培养盒 14、紫外线照射
15、进液口 16、均热板 17、排气口
18、电阻式加热膜 19、支架 20、散热风扇
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
本发明公开了一种用于临近空间科学实验的生物暴露装置，该装置包括三段式机箱、盖子传动机构、盖子锁紧机构、样品安装板、样品容器、温控单元、流体输运单元、曝光时间检测单元等以及电子学测控与通信单元。温控单元在装置上行及在轨过程中，为生物样品提供密闭的环境，并进行精确温控，以保持其活性；流体输运元是装置在轨时对样品特性进行固定，保持在临近空间接受辐照后的状态；曝光时间检测单元及样品活性检测单元包括自动检测并记录实验过程的温度、压力、曝光时间及相关工程参数，并通过载荷舱数据通道下传。本发明可以遮蔽上行过程的辐射干扰，到达预定高度时使具有活性的生物样品接受临近空间的紫外线照射，经历临近空间恶劣环境，保持样品特性。
实施例1
如图1所示，一种用于临近空间科学实验的生物暴露装置包括盖子1、箱体中段2和箱体底段3、盖子传动机构、盖子锁紧机构、样品安装板、样品容器6、温控单元、流体输运单元、曝光时间检测单元和电子学测控与通信单元；其中，盖子传动机构包括：步进电机及减速器；
盖子传动机构固定于箱体中段2，采用齿轮传动方式，通过电控单元驱动，使盖子1打开及关闭，由机械限位限制开度；
旋转轴与角度传感器连接用于检测打开角度；盖子1上行及下行时与机箱闭合，遮蔽上、下行过程的辐照干扰，并保护培养盒6中的实验样品，以便回收；
盖子锁紧机构箱体中段2设置两个电磁驱动锁销，盖子1上相应位置设有锁孔，电磁驱动锁销插入锁孔，使盖子1与箱体处于闭合状态，并保障单台生物暴露装置在运输、升空、回收降落过程的力学冲击不会导致盖子传动机构损坏。
一种用于临近空间科学实验的生物暴露装置，具体的实施过程为：
实验开始前暴露装置处于闭式模式，当实验平台进入临近空间预定高度时，通过串口发实验开始指令，暴露装置接受指令(上传指令或程控指令)打开盖子1(装置处于开式模式)使生物样品接受临近空间辐照及紫外线照射14，返回前装置接受平台接受指令将盖子关闭；实验结束前打开截止阀，启动蠕动泵，将固定液注入培养盒，使样品特性固定；巡回检测各项温度、曝光强度等实验数据，通过串口发送至平台，并自保存一份。
实施例2
在本实施例中，一种用于临近空间科学实验的生物暴露装置，具有精确控温功能，具体的实施过程为：
如图3所示，本发明提供的用于临近空间科学实验的生物暴露装置中每个灌注式培养盒6底部设计了独立的温控单元，由电阻式加热膜18、均热板16、支架19、温度传感器和散热风扇20组成，安装在灌注式培养盒6下部，温控单元通过结构将温控单元与培养盒6紧密接触，并在均热板中埋设温度传感器；控制电路驱动电阻式加热膜18和散热风扇20，温度信号即显示又参与控制，构成闭环控制温控，为生物样品提供上行及在轨过程的精确温控，本实施例提供的装置共包括：12个温控单元、12个灌注式培养盒6和12个样品安装板安装工位。温度低于给定值时，启动电阻式加热膜18，使温控单元处于加热模式；高于给定值时，启动风扇20降温，温控阈值可选。
样品容器分为两种类型：灌注式培养盒6和芯片型培养盒5，灌注式培养盒6装载有活性固体生物样品，安装在主机箱中段2，芯片型培养盒5装载休眠生物样品，安装在盖子1上；有活性的生物样品包括：固态样品和贴壁细胞类样品。灌注式培养盒6提供两层透紫外线玻璃或单层透紫外线玻璃，其单层紫外线透过率≥90％，两层玻璃紫外线透过率≥80％。
固态样品培养时，灌注式培养盒6可选单层透紫外线玻璃；并将琼脂培养基涂抹在培养池中，样品接种在琼脂表面上，灌注式培养盒6底部与温控单元接触，由其提供精确温控，温控范围27±2℃或37±2℃或其他。如图2所示，样品固定液由液体输运单元的进液口15注入灌注式培养盒6，灌注式培养盒6中的空气，在地球重力作用下，随着液体注入从排气口17排出，当固定液充满后停止注入，样品在固定液中充分浸泡得以固定。
培养贴壁细胞时，灌注式培养盒6采用双层玻璃，将细胞贴壁接种在内层玻璃内表面上，灌注式培养盒6内充满液体培养基。固定时将培养液抽出，固定液随之而入，将细胞固定。
暴露装置在样品安装板上设计了12个用于安装灌注式培养盒6的工位，灌注式培养盒6通过螺钉紧压在安装板上，灌注式培养盒6与样品安装板间设有O型密封圈，样品安装板与箱体也是通过O型密封圈压紧，从而保持箱体内1大气压。
芯片型培养盒5，用于休眠生物培养，非气密型，其紫外线透过率≥90％，芯片型培养盒5安装在盖子上，盖子1共有8个工位，其中4个可接受紫外线照射14，另4个避光，用于对照。
从上述描述可以看出，本发明提供的生物暴露装置可遮蔽上行过程的辐射干扰，到达临近空间预定高度时，使具有活性的生物样品充分接受紫外线照射；在上行及在轨过程中，为生物样品提供密闭的环境，精确温控使生物样品保持其活性；在轨时对样品特性进行固定，保持在临近空间接受辐照后的状态，利于科学分析；所述装置为我国临近空间生物科学研究提供了技术基础及设备基础，并为相关临近空间实验的硬件研究起到推进作用。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种用于临近空间科学实验的生物暴露装置，包括：盖子(1)、盖子传动机构、盖子锁紧机构、电控单元、箱体中段(2)和箱体底段(3)，其特征在于，所述生物暴露装置还包括：样品安装板、样品容器、若干个温控单元和电子学测控与通信单元；其中，
所述样品安装板与所述箱体底段(3)的底端平行，并固定在所述箱体中段(2)，所述样品安装板设置有若干个工位开孔；
所述样品容器包括：用于装载有活性固体生物样品的若干个灌注式培养盒(6)和用于装载休眠生物样品的若干个芯片型培养盒(5)；其中，
若干个所述灌注式培养盒(6)分别与所述样品安装板的若干个工位开孔的位置对应，并固定在所述样品安装板上方；
若干个所述芯片型培养盒(5)安装在所述盖子(1)内表面上；
若干个所述温控单元分别穿过所述工位开孔，并分别与所述灌注式培养盒(6)底部紧密连接，用于检测对应的所述灌注式培养盒(6)的内部温度；若干个所述温控单元还基于所述电子学测控与通信单元的控制，分别调节对应的所述灌注式培养盒(6)的内部温度；所述温控单元包括：电阻式加热膜(18)、均热板(16)、温度传感器、支架(19)和散热风扇(20)；其中，
所述均热板(16)固定在支架(19)的顶端，并由所述电阻式加热膜(18)覆盖；所述散热风扇(20)固定在所述支架(19)的底端；
所述温控单元通过导热硅胶与所述灌注式培养盒(6)底部粘贴固定；
所述温度传感器埋设在所述均热板(16)内部，用于检测所述灌注式培养盒(6)的内部温度；所述温度传感器还与所述电子学测控与通信单元连接，用于将所述灌注式培养盒(6)的内部温度传输至上位机；
所述电子学测控与通信单元还与驱动电路连接，用于发送驱动数据；所述电阻式加热膜(18)和散热风扇(20)通过所述驱动电路驱动，并基于驱动数据运行，以控制所述灌注式培养盒(6)的内部温度；
所述芯片型培养盒(5)为非气密型培养盒，其紫外线透过率≥90％；所述盖子(1)的部分区域由铝箔反光胶带覆盖，形成避光区域；所述灌注式培养盒(6)为气密型培养盒，并由内外两层透紫外线玻璃盒组成；所述有活性固体生物样品放置于内层透紫外线玻璃盒中；其中，两层透紫外线玻璃盒的紫外线透过率≥80％。
2.根据权利要求1所述的用于临近空间科学实验的生物暴露装置，其特征在于，所述灌注式培养盒(6)通过螺钉紧压固定在所述样品安装板上方；每个所述灌注式培养盒(6)与样品安装板之间和所述样品安装板与箱体中段(2)之间均设有O型密封圈，以保证所述样品安装板与所述盖子(1)之间的箱体内部为1大气压。
3.根据权利要求1所述的用于临近空间科学实验的生物暴露装置，其特征在于，所述灌注式培养盒(6)为气密型培养盒，采用单层透紫外线玻璃盒；所述有活性固体生物样品放置于透紫外线玻璃盒中；其中，单层透紫外线玻璃盒的紫外线透过率≥90％。
4.根据权利要求1或3所述的用于临近空间科学实验的生物暴露装置，其特征在于，所述灌注式培养盒(6)包括：液体输运单元；所述液体输运单元包括：进液口(15)和排气口(17)，其中，所述进液口(15)用于向灌注式培养盒(6)内部注入固定液；所述排气口(17)用于排出所述灌注式培养盒(6)内的空气，使所述有活性固体生物样品充分浸泡在所述固定液中。
5.根据权利要求1所述的用于临近空间科学实验的生物暴露装置，其特征在于，所述箱体中段(2)和箱体底段(3)共同组成所述生物暴露装置的箱体；
所述盖子传动机构，基于所述电控单元的控制，带动所述盖子(1)开启或者关闭，使所述箱体处于开启或者闭合状态；当所述箱体处于闭合状态，所述盖子(1)与所述箱体通过盖子锁紧机构锁紧固定；
所述箱体中段(2)和箱体底段(3)为铝合金框架结构，并设有减重槽，以减轻所述生物暴露装置的质量；所述箱体中段(2)和箱体底段(3)的外表面经过本色阳极氧化处理，以减少吸热并防止腐蚀；箱体底段(3)底端内表面设置有箱内风扇，用于为箱体内部散热。
6.根据权利要求5所述的用于临近空间科学实验的生物暴露装置，其特征在于，所述盖子传动机构通过至少两个齿轮带动所述盖子(1)转动，以开启或关闭所述盖子(1)；其中，所述盖子传动机构包括：步进电机、减速器和聚四氟乙烯自润滑轴承；所述盖子传动机构通过进步电机驱动减速器转动，并通过减速器带动聚四氟乙烯自润滑轴承与每个所述齿轮转动，使盖子(1)打开或关闭；
所述的盖子锁紧机构包括：设置在所述箱体中段(2)的至少两个电磁驱动锁销和设置在盖子(1)上相应位置的锁孔；其中，所述电磁驱动锁销插入所述锁孔，使所述生物暴露装置处于闭合状态；
所述装置还包括：角度传感器，其中，所述角度传感器固定在所述箱体中段(2)开口边缘处，并与所述盖子传动机构同边设置，用于检测所述聚四氟乙烯自润滑轴承的旋转角度。
7.根据权利要求1所述的用于临近空间科学实验的生物暴露装置，其特征在于，所述生物暴露装置还包括：设置在所述样品安装板的预埋孔中的曝光时间检测单元和压力传感器；其中，
所述曝光时间检测单元包括：光电池检测暴露装置；其中，所述光电池检测暴露装置位于任一所述灌注式培养盒(6)旁边，并朝向太阳；所述光电池检测暴露装置与所述电子学测控与通信单元连接，用于检测所述生物暴露装置接受辐射或/和紫外线照射的有效时间，并将所述有效时间通过所述电子学测控与通信单元传输至上位机；
所述压力传感器与所述电子学测控与通信单元连接，用于监测所述箱体内的压力参数，并将所述压力参数通过所述电子学测控与通信单元传输至上位机。
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