CN115747044A - 一种基于微流控芯片细胞培养的快速控温装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于微流控芯片细胞培养的快速控温装置，其包括水浴培养箱、控温系统以及设置在水浴培养箱内的微流控芯片和温感探头。其中，水浴培养箱设置在延时显微成像系统的显微镜载物台或电动位移台上方，水浴培养箱的箱体底部设置有镂空视窗，箱体顶部设置有透明视窗，透明视窗和镂空视窗的中心均与延时显微成像系统的物镜光轴同轴；微流控芯片的玻璃片基底与镂空视窗紧密配合；控温系统的恒温器与温感探头连接，以用于监测水浴培养箱内的环境温度；恒温器用于加热蓄水池内的水达到目的温度并保持恒温，蓄水池内的恒温水通过进水管道进入水浴培养箱并通过出水管道再流出蓄水池，进而实现恒温水在水浴培养箱内循环流动以稳定控温。

Description

一种基于微流控芯片细胞培养的快速控温装置

技术领域

本发明涉及生物技术领域，特别涉及一种基于微流控芯片细胞培养的快速控温装置。

背景技术

微流控芯片技术结合延时显微成像技术能够实现对单个细胞进行长时间的监测培养。微流控芯片用于在显微成像下培养和实时监测细胞或微生物生长时，通常需要给定适合生物生长的温度条件，对于不同的细胞或微生物，其生长所需要的条件不一定相同，其中包括但不限于温度条件，控制微流控芯片中及其周围环境温度的快速变化是该过程的关键。

目前，用于控制微流控芯片培养环境温度的方式主要有三种。第一种为可集成在显微镜上的温控箱，通过加热空气形成对流的方式对显微镜载物台上的微流控芯片进行控温，可实现较大的温控范围；但是温度分布均匀性较差，较大空间的空气加热体积导致升降温很慢，无法实现快速且稳定的变温效果。第二种为可置于显微镜载物台上的基于金属加热的小型恒温培养箱，直接对放置其中的微流控芯片进行加热或者制冷；小型恒温培养箱可以控制微流控芯片整体实现较为快速的升温过程，但由于其没有散热装置，在降温过程中需要等待较长的时间，此外，微流控芯片处于培养箱内部的空气环境中，升温速度依然受限于空气较大的比热容。第三种为利用半导体制冷片直接放在微流控芯片下方，通过电流控制进行加热或制冷操作,也有一些研究机构在微流控芯片上直接印制热电半导体控温线路，实现对芯片上温度的控制；半导体制冷片通常需要放在微流控芯片下方，但是显微镜镜头的活动空间将受限制，因而无法实现高通量的实验数据采集对于半导体制冷片不直接接触微流控芯片的设计，不均匀的温度传导导致微流控芯片上不同位置的温度均一性较差；对于将半导体材料直接加工到微流控芯片上，则要求必须是特制硬质绝缘片材芯片基板，对热电材料要求高，而高倍显微镜通常使用厚度为0.17mm的玻璃作为芯片基底，该种半导体控温方式应用范围有限。此外，使用半导体制冷方式的微流控芯片通常与室温空气接触，因此微流控芯片不能够稳定地维持预期温度。

发明内容

本发明的目的在于解决现有兼容延时显微成像系统的微流控芯片快速控温装置无法实现温度的快速变化及稳定控温的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于微流控芯片细胞培养的快速控温装置，所述快速控温装置与延时显微成像系统兼容，其包括：水浴培养箱，其设置在延时显微成像系统的显微镜载物台或电动位移台上方；所述水浴培养箱包括箱体以及设置在所述箱体上的进水口和出水口，所述箱体的底部设置有镂空视窗，所述箱体的顶部设置有透明视窗，所述镂空视窗和所述透明视窗的中心均与延时显微成像系统的物镜光轴同轴；微流控芯片，其设置在所述水浴培养箱的所述镂空视窗上，所述微流控芯片的玻璃片基底与所述镂空视窗紧密配合；温感探头，其设置所述水浴培养箱内并靠近所述微流控芯片或设置在所述微流控芯片上；控温系统，其包括蓄水池、恒温器、连接所述进水口的进水管道和连接所述出水口的出水管道；其中，所述恒温器与所述温感探头连接，以用于监测所述水浴培养箱内的环境温度；所述恒温器用于使所述蓄水池内的水达到目的温度并保持恒温，所述蓄水池内的恒温水通过所述进水管道进入所述水浴培养箱并通过所述出水管道再流出所述蓄水池，进而实现以恒温水在所述水浴培养箱内循环流动以稳定控温。

可选地，所述箱体包括底座和设置在所述底座上的顶盖，所述镂空视窗设置在所述底座上，所述透明视窗设置在所述顶盖上。

可选地，所述镂空视窗的设计满足高倍物镜对所述微流控芯片的最大面积成像。

可选地，该快速控温装置还包括设置在所述水浴培养箱内与所述底座可拆卸连接的芯片压片，所述芯片压片包括用于压紧所述微流控芯片的弹簧针或橡皮圈。

可选地，所述芯片压片通过螺丝与所述底座连接。

可选地，所述芯片压片的周侧设置有隔水橡皮圈，所述底座的上表面周侧开设有橡皮圈槽，所述顶盖的下表面设置有与所述橡皮圈槽配合的隔水橡皮圈。

可选地，所述底座和所述顶盖通过螺丝连接。

可选地，所述箱体上还设置有芯片管路进口和芯片管路出口。

可选地，所述芯片管路进口和所述芯片管路出口设置在所述顶盖上。

可选地，所述控温系统还包括蠕动泵，所述进水口管道连接所述蠕动泵以便于所述蓄水池内的恒温水传输至所述水浴培养箱的内部。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：

本发明提供一种基于微流控芯片细胞培养的快速控温装置，快速控温装置与延时显微成像系统兼容，其包括水浴培养箱、控温系统以及设置在水浴培养箱内的微流控芯片和温感探头。其中，水浴培养箱设置在延时显微成像系统的显微镜载物台或电动位移台上方，水浴培养箱的箱体底部设置有镂空视窗，箱体顶部设置有透明视窗，透明视窗和镂空视窗的中心均与延时显微成像系统的物镜光轴同轴；微流控芯片设置在镂空视窗上，其玻璃片基底与所述镂空视窗紧密配合；控温系统的恒温器与温感探头连接，以用于监测水浴培养箱内的环境温度；恒温器用于加热蓄水池内的水达到目的温度并保持恒温，蓄水池内的恒温水通过进水管道进入水浴培养箱并通过出水管道再流出蓄水池，进而实现恒温水在水浴培养箱内循环流动以稳定控温。细胞培养液通过芯片管路进口进入微流控芯片中并通过芯片管路出口流出，用于提供持续培养细胞所需的营养环境。

附图说明

图1是本申请提供的一种基于微流控芯片细胞培养的快速控温装置的一实施例的结构示意图。

图2是图1提供的实施例中的水浴培养箱的分解结构示意图。

附图标记说明如下：

10、水浴培养箱；11、底座；111、镂空视窗；112、橡皮圈槽；113、螺纹孔；12、温感探头；13、芯片压片；131、弹簧针；14、顶盖；141、透明视窗；142、透明板；143、隔水橡皮圈；144、进水口；145、出水口；146、芯片管路出口；147、芯片管路进口；20、控温系统；21、蓄水池；22、恒温器；23、蠕动泵；24、第一管路；25、第二管路；26、进水管道；27、出水管道；A、显微镜载物台；B、物镜；C、培养液管；D、废液管。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。

请参阅图1和图2，本申请提供一种基于微流控芯片细胞培养的快速控温装置，该快速控温装置与延时显微成像系统兼容，其包括水浴培养箱10、控温系统20以及设置在水浴培养箱内的微流控芯片和温感探头12，温感探头12置于微流控芯片附近或微流控芯片上，用于实时监测温度。

请参阅图2，水浴培养箱10设置在延时显微成像系统的显微镜载物台A或电动位移台上方，其包括箱体以及设置在箱体上的进水口144和出水口145，箱体的底部设置有镂空视窗111，箱体的顶部设置有透明视窗141，透明视窗141和镂空视窗111的中心均与延时显微成像系统的物镜B光轴同轴，通过在箱体的顶部和底部均开视窗的设计实现光照需求。

具体地在本实施例中，箱体包括底座11和设置在底座11上的顶盖14，底座11与顶盖14形成一容置腔室。

底座11为凹槽结构，并与显微镜载物台A或电动位移台兼容，用于延时显微成像实验与应用。凹槽结构的底座11可以被水溶液填充，以浸没设置在水浴培养箱10内部的微流控芯片。底座11的中部设置有用于支撑微流控芯片的凹槽结构的镂空视窗111，微流控芯片的玻璃片基底与镂空视窗111紧密配合。优选地，镂空视窗111的设计满足高倍物镜对微流控芯片的最大面积成像。可以理解地是，底座11的尺寸和形状可根据应用平台调整设计，实现与不同种类和型号的载物台或电动位移台相匹配。

进一步地，在本实施例中还包括设置在水浴培养箱10内与底座11可拆卸连接的芯片压片13。芯片压片13通过螺丝与底座11连接，芯片压片13上设置有用于压紧微流控芯片玻璃基底的弹簧针131，微流控芯片的玻璃片基底与镂空视窗111适配，芯片压片13上的弹簧针131均匀分布在镂空视窗111的正上方，也即微流控芯片的玻璃片基底的正上方，通过弹簧针131的挤压，微流控芯片的玻璃基底与底座11紧密的固定在一起。可以理解地是，由于芯片压片131和底座11可拆卸连接，可以方便地更换不同种类和形状的微流控芯片。在满足压紧微流控芯片的玻璃片基地的前提下，另一种可替代弹簧针131的结构为橡皮圈结构。

顶盖14为与底座11对应的凸槽结构，其中部设置有透明视窗141，透明视窗141内固定固定有透明板142。顶盖14的透明视窗141和底座11的镂空视窗111的中心均与延时显微成像系统的物镜B的光轴同轴。在将该快速控温装置集成到延时显微成像系统时，透明视窗141能够使落射光投射照射到水浴培养箱10内的微流控芯片上，透明视窗141足够大，避免了对落射光的遮挡；由于高倍成像时需使用浸油物镜，物镜B与样品距离仅几百微米，中间有物镜镜油填充，物镜B需要足够的活动空间来保证大范围的采样，镂空视窗111的设计最大限度保留微流控芯片的成像空间。

顶盖14的一侧开设有进水口144、出水口145、芯片管路进口147和芯片管路出口146。连接培养液管C的第一管路24从顶盖14的芯片管路进口147进入水浴培养箱10内部后于微流控芯片连接，微流控芯与第二管路25连接，第二管路25从顶盖14的芯片管路出口146穿出水浴培养箱10并连接废液管D，如此可提供持续培养细胞所需的营养环境。可以理解地是，进水口144、出水口145、芯片管路进口146和芯片管路出口147还可以根据实际需要设置在顶盖14的其他位置。

优选地，可根据需求将第一管路24和第二管路25置于水浴培养箱10内的非视窗空间位置，芯片管路进口147和芯片管路出口146的外侧用管道刃环和分体接头密封固定在顶盖14上。

顶盖14与底座11的四周设置的相互对应的螺纹孔113，可以使得二者通过螺丝连接。进一步地，底座11的上表面周侧开设有橡皮圈槽112，顶盖14的下表面设置有与橡皮圈槽112配合的隔水橡皮圈143。通过底座11和顶盖14的螺接实现挤压隔水橡皮圈143以对二者连接处进行隔水，底座11和顶盖14组合成具有蓄水功能的水浴培养箱10，对浸没其中的微流控芯片进行快速控温。

请再参阅图1，控温系统20，其包括蓄水池21、恒温器22、蠕动泵23、连接进水口144的进水管道26和连接出水口145的出水管道27，进水管道26和出水管道27共同放置于蓄水池21中，进水管道26与蠕动泵23连接以便于蓄水池21内的恒温水传输至水浴培养箱10以使得水充满水浴培养箱10的内部，恒温器22用于使蓄水池21内的水达到目的温度并保持恒温，蓄水池21内的恒温水通过进水管道26进入水浴培养箱10并通过出水管道27再流出蓄水池21，进而实现以恒温水在水浴培养箱10内循环流动以稳定控温；恒温器22与温感探头12连接，以用于监测水浴培养箱10内的环境温度，若需要快速改变微流控芯片的环境温度，只通过调整设置恒温器22的目标温度，将蓄水池21中的水快速置换为目标温度的水进行循环即可，实现将微流控芯片的监测温度达到目标温度。微流控芯片在水浴环境中的温度扰动极小，温度切换准确、稳定，可以实现快速变温，在3min内完成温度切换并维持稳定，温度范围可达50℃。

可以理解地是，水浴培养箱10的芯片管路进口147、芯片管路出口146、进水口144和出水口145的数量和位置，在满足快速变温的前提下可任意设计更改。

本申请提供一种基于微流控芯片细胞培养的快速控温装置，快速控温装置与延时显微成像系统兼容，其包括水浴培养箱10、控温系统20以及设置在水浴培养箱10内的微流控芯片和温感探头12。其中，水浴培养箱10设置在延时显微成像系统的显微镜载物台A或电动位移台上方，水浴培养箱10的箱体底部设置有镂空视窗111，箱体顶部设置有透明视窗141，透明视窗141和镂空视窗111的中心均与延时显微成像系统的物镜B光轴同轴；微流控芯片设置在镂空视窗111上，其玻璃片基底与镂空视窗111紧密配合；控温系统20的恒温器22与温感探头12连接，以用于监测水浴培养箱10内的环境温度；恒温器22用于使蓄水池21内的水达到目的温度并保持恒温，蓄水池21内的恒温水通过进水管道26进入水浴培养箱10并通过出水管道27再流出蓄水池21，进而实现恒温水在水浴培养箱10内循环流动以稳定控温。该快速控温装置已经实现，并已经经过长期实验的验证证明其可行性和有效性，使用该快速控温装置对大肠杆菌细胞在37℃条件下培养6小时后3min内切换到10℃条件下培养并得到延时显微成像实验结果，所获得的实验数据均可使用图像分析软件进行分析和统计。

虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于微流控芯片细胞培养的快速控温装置，所述快速控温装置与延时显微成像系统兼容，其特征在于，包括：

水浴培养箱，其设置在延时显微成像系统的显微镜载物台或电动位移台上方；所述水浴培养箱包括箱体以及设置在所述箱体上的进水口和出水口，所述箱体的底部设置有镂空视窗，所述箱体的顶部设置有透明视窗，所述镂空视窗和所述透明视窗的中心均与延时显微成像系统的物镜光轴同轴；

微流控芯片，其设置在所述水浴培养箱的所述镂空视窗上，所述微流控芯片的玻璃片基底与所述镂空视窗紧密配合；

温感探头，其设置所述水浴培养箱内并靠近所述微流控芯片或设置在所述微流控芯片上；

控温系统，其包括蓄水池、恒温器、连接所述进水口的进水管道和连接所述出水口的出水管道；

其中，所述恒温器与所述温感探头连接，以用于监测所述水浴培养箱内的环境温度；所述恒温器用于使所述蓄水池内的水达到目的温度并保持恒温，所述蓄水池内的恒温水通过所述进水管道进入所述水浴培养箱并通过所述出水管道再流出所述蓄水池，进而实现以恒温水在所述水浴培养箱内循环流动以稳定控温。

2.根据权利要求1所述的快速控温装置，其特征在于，所述箱体包括底座和设置在所述底座上的顶盖，所述镂空视窗设置在所述底座上，所述透明视窗设置在所述顶盖上。

3.根据权利要求2所述的快速控温装置，其特征在于，所述镂空视窗的设计满足高倍物镜对所述微流控芯片的最大面积成像。

4.根据权利要求2所述的快速控温装置，其特征在于，还包括设置在所述水浴培养箱内与所述底座可拆卸连接的芯片压片，所述芯片压片包括用于压紧所述微流控芯片的弹簧针或橡皮圈。

5.根据权利要求4所述的快速控温装置，其特征在于，所述芯片压片通过螺丝与所述底座连接。

6.根据权利要求2所述的快速控温装置，其特征在于，所述芯片压片的周侧设置有隔水橡皮圈，所述底座的上表面周侧开设有橡皮圈槽，所述顶盖的下表面设置有与所述橡皮圈槽配合的隔水橡皮圈。

7.根据权利要求6所述的快速控温装置，其特征在于，所述底座和所述顶盖通过螺丝连接。

8.根据权利要求1所述的快速控温装置，其特征在于，所述箱体上还设置有芯片管路进口和芯片管路出口。

9.根据权利要求8所述的快速控温装置，其特征在于，所述芯片管路进口和所述芯片管路出口设置在所述顶盖上。

10.根据权利要求1所述的快速控温装置，其特征在于，所述控温系统还包括蠕动泵，所述进水口管道连接所述蠕动泵以便于所述蓄水池内的恒温水传输至所述水浴培养箱的内部。

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