CN1639305A - 照明蜂窝穴培养皿的led阵列和操纵它的自动搁架系统 - Google Patents

Abstract

一种用于促进植物组织生长的组合系统(10)，包括多个分别定义了穴(13)的阵列的培养皿(12)，其中每个穴(13)包含一个组织样本。一个具有多个垂直堆叠的搁板(23)的搁架(20)提供了培养皿的支座，搁板可以包括一个或更多的用于将培养皿推进到预定位置的对准凹陷区(26)。多个安装在电路板(31)上的发光二极管阵列(30)提供了用于组织样本的光。每个电路板(31)由搁架(20)的对应卡式边缘连接器(24)支撑，以便使发光二极管(30)能够邻近支撑在其下方的搁板(23)上的培养皿(12)。发光二极管阵列(30)优选对应于支撑在其下方的搁板(23)上的对准位置中的穴阵列，以便发光二极管(30)能够在对应的一个穴(13)的上方居中。

Description

照明蜂窝穴培养皿的LED阵列和操纵它的自动搁架系统

技术领域

本发明涉及将人工照明系统用于促进植物生长，更具体地讲，涉及将照明系统用于促进蜂窝穴培养皿中的植物组织生长。

背景技术

在使用植物组织的生物和生物化学筛选系统中，促进植物组织的生长是十分重要的。有许多因素影响植物组织的生长，其中包括提供给组织的营养剂的量和类型，提供给组织的物理支持，组织环境的温度，以及传递到植物组织的光量。关于可用的光，大多数筛选系统使用可以控制并且不受天气变化影响的人工光。此外，筛选系统一般使用每个培养皿中定义了多个穴的培养皿。每个穴保持和隔离一个独立的组织样本，以避免与其它组织样本以及环境相互污染。

促进植物组织生长的现有系统一般使用一种具有多个搁板的搁架或“客栈”，每个搁板保持多个多穴培养皿。在每个隔板之上是一排向多穴培养皿和包含在其中的组织提供光照的白炽灯或荧光灯。但是，由于光必须与植物组织保持安全距离，以避免热的过度积累，和由于白炽灯和荧光灯比较大，所以搁架具有有限的垂直堆垛容量。每个搁板和灯组合需要大约1英尺的垂直间隔，从而限制了一个具有8英尺高的普通房间只能容纳七或八个搁板。此外，白炽灯或荧光灯的能量效率不高，每个多穴培养皿需要大约4.4瓦的功率。这种大间隔和功率需要，以及成本的制约，限制了搁架的密度和植物组织筛选系统的生产能力。

因此，需要具有一种能够向多穴培养皿中的植物组织提供足够的光，同时也使得能够提高筛选操作的生产能力的促进植物组织生长的系统。更具体地讲，需要具有一种不占据过大的空间，也不需要对于每个培养皿使用大的功率的促进植物组织生长的系统。

发明内容

通过提供一种用于促进组织生长的组合系统，本发明满足了上述需要并且获得了其它优点，其中，该组织需要光以支持增殖。该组合系统包括多个培养皿，每个培养皿定义了一个穴的阵列，每个穴容纳一个组织样本并且将它的组织样本与其它组织样本隔离。通过一个具有多个彼此以较短的距离相互间隔且垂直堆叠的搁板的搁架，提供了培养皿的支撑件。每个搁板可以包括一个或更多的用于将放置在其上的培养皿推进到预定位置的对准凹陷区。用于组织样本的光是通过多个发光二极管阵列提供的，其中每个阵列安装在一个电路板上。每个电路板又由对应的搁架的卡式边缘连接器支撑，以便使各个发光二极管能够处于培养皿的邻近位置，其中，培养皿支撑在其下方的一个搁板上。发光二极管优选对应于穴阵列，其中，该穴阵列支撑在位于其下方的搁板上的对准位置中，以便每个发光二极管能够在对应的一个穴的上方居中。

在一个实施例中，本发明包括一个用于促进组织样本生长的组合系统，其中，该组织样本需要光以支持增殖。该组合系统包括一个其中定义了多个排列在一个穴阵列中的培养皿。构造多个穴中的每一个，以支撑和隔离一个组织样本。此外，组合系统包括多个排列在一个发光二极管阵列中的发光二极管。发光二极管阵列对应于穴阵列，从而使每个发光二极管能够定位在一个对应的穴附近，以便将光辐照在对应的一个穴中。光辐照到穴中促进了支撑在穴中的组织的增殖。每个发光二极管优选在其对应的一个穴的上方居中。此外，每个发光二极管优选发射白光，并且与其对应的一个穴中的组织样本距离1英寸以下。

在本发明的另一个实施例中，可以通过一个高密度搁架支撑多个培养皿和发光二极管阵列。搁架包括多个彼此垂直间隔的搁板，其中，将每个搁板构造成支撑多个培养皿中的至少一个。通过搁架将每个发光二极管阵列支撑在一个对应的搁板上方。将光从发光二极管辐照到支撑在位于其下方的搁板上的培养皿的穴中，以便促进容纳在培养皿中的样本的组织生长。

搁架支撑的每个发光二极管阵列优选对应于支撑在其下方的培养皿的穴阵列，从而使每个发光二极管能够定位在一个对应的穴的上方。此外，搁架的搁板可以包括：将设置在其上的培养皿推进到预定位置，从而使每个发光二极管能够在其对应的一个穴的上方居中的对准凹陷区。搁架也可以包括多个卡式边缘连接器，每个卡式边缘连接器被构造成接收一个电路板，其中，该电路板中插入了发光二极管以形成发光二极管阵列。该定位卡式边缘连接器定位在支撑培养皿的搁板的上方，以支撑电路板和其中插入的发光二极管。搁板之间的间隔优选小于2英寸，以便即使在垂直存储空间有限时，也能通过搁架保持较高密度的培养皿。

在本发明的又一个实施例中，可以将高密度搁架用于一个在高生产率筛选中使用的操纵系统。该操纵系统包括一个具有一定运动范围的培养皿操纵器。搁架适当地定位，以便支撑在其上的培养皿能够在培养皿操纵器的运动范围内。因此，培养皿操纵器能够支撑并且从自动化处理的搁架中取出每个培养皿，例如，在高生产率顺序操作中。

本发明具有几种优点。通过使用比荧光灯和白炽灯体积小和发热量低的发光二极管，使得能够把搁架的搁板更加靠近地堆叠。更靠近地堆叠搁板能够通过减少容纳足够批量的组织样本所需的空间量，提高存储效率。这在每日需要数千样本的高生产率筛选操作中是特别重要的。此外，诸如机器人手臂之类的具有有限运动范围的自动化培养皿操纵器可以接近更多的培养皿。每个穴与它自己的发光二极管的匹配和对准，使得能够将光束扩展和强度校准到最佳组织生长需求。此外，发光二极管更有效地使用光，并且具有比荧光和白炽灯泡更低的用于促进组织生长的功率需要，平均每4×6穴标准培养皿，发光二极管需要大约1.3瓦，而荧光灯和白炽灯系统需要4.4瓦。

附图说明

在一般性地说明了本发明之后，现在参考附图进行说明，所参考的附图不必是按照比例画出的附图，其中：

图1是本发明的一个实施例的高生产率筛选系统的透视图；

图2是在本发明的另一个实施例的，在发光二极管阵列下方支撑和居中的多穴培养皿的透视图；

图3是图1中所示的搁架的透视图，包括多个用于分别支撑图2中所示的多个多穴培养皿和发光二极管阵列的垂直间隔的搁板和卡式边缘连接器；

图4是图3的搁架的后视图；

图5是图2的发光二极管阵列的透视图；

图6是图2的发光二极管阵列的底平面图，包括一个用于支撑发光二极管的电路板；和

图7是图3的搁架的透视图，该搁架上安装有图2所示的发光二极管阵列和多穴培养皿。

具体实施方式

以下参考附图更详细地说明本发明，附图中示出了本发明的优选实施例。但是，本发明可以通过许多不同的形式实现，并且应当不限于这里提出的实施例；提供这些实施例以便使本说明更全面和完整，并且将本发明的范围充分地转达给熟悉本领域的人员。在所有附图中相同的参考号代表相同的元件。

在一个实施例中，本发明包括一个高生产率筛选系统10，筛选系统10包括一个用于自动操纵容纳在一个高密度搁架或客栈20中的多穴培养皿12的机器人11，其中每个多穴培养皿盛放着多个植物组织样本13，如图1和2中所示。在每个多穴培养皿的上方是一个发光二极管(LED)30的阵列，该发光二极管(LED)30的阵列由电路板或卡31支撑、并将光提供给多穴培养皿12中定义的穴14中的植物组织样本13。

如图3中所示，高密度搁架20包括一个矩形基座21，一对侧壁22，多个搁板23，多个卡式边缘连接器24，和一对连接器支座25。这对侧壁22在矩形基座21的两侧水平相互间隔。更具体地讲，侧壁22连接到矩形基座21的左右两侧，并且垂直向上地从矩形基座21的左右两侧延伸出来。搁板23在垂直方向上相互间隔，并且在侧壁22之间延伸。这对侧壁连接到搁板，以便支撑每个搁板23的左边缘和右边缘。搁板23优选间隔大约2尺寸，以使能够将40个以上的搁板23堆叠在一个大约8英尺高度的空间中。此外，如图2中所示，每个搁板23优选定义至少一个凹陷区26、突缘、边缘或其它机械或电设备(例如磁场)，用于将放置在其上的一个培养皿12推进到机器人11所知的对准位置，以便随后的恢复和操纵。不应当将本发明的搁架20考虑为限于上述实施例。该搁架可以包括任何结构或组合系统，该结构或组合系统为任何数量的培养皿12或保持培养皿的托盘提供支撑表面或者在各种不同方向和密度上的支撑件。但是，支撑表面优选应当具有机器人操纵器11和某个对准设备能够进入的足够的间隙，其中，该对准设备用于推进培养皿12与对应的LED 30阵列对准并且推进到机器人知道的位置以便随后恢复。

如图4中所示，每个连接器支座25具有L-角度形状，一个腿固定到对应的一个侧壁22，而另一个腿沿搁架20的后部、朝另一个侧壁向内延伸。每个卡式边缘连接器24安装到连接器支座25，该连接器支座25在一个对应的搁板23的上方、并且在垂直方向上的下一个搁板的下方。每个边缘连接器24定义了一个水平窄缝，该水平窄缝具有能够接收电路板31的边缘的尺寸。该水平窄缝也确保电路板31，因此也保证了LED 30的阵列，正确地定位在搁板23的上方。

一对电力导线32沿卡式边缘连接器24的背部垂直延伸。电力导线32通过焊接到卡式边缘连接器24背部上的相邻连接片33，电耦合到每个连接器的水平窄缝。一个电力导线32连接到水平窄缝顶部的连接片，而另一个电力导线32连接到水平窄缝下部上的连接片。通过插入到它的一个对应的卡式边缘连接器24中，给每个电路板31通电，并将电力传送到它的LED。可以在电力导线上安装一个保护套34，并且沿搁架20的背部垂直延伸，以便物理地保护焊接的连接以及防止相互干扰。尽管卡式边缘连接器24使得能够容易地安装和取下每个LED 30阵列，但是，也可以将电路板31硬布线到搁架20。

使多穴培养皿12中的穴14的数量、尺寸、和位置与预先存在的培养皿操纵设备兼容，例如，与机器人11兼容。例如，培养皿优选具有排列成4×6阵列的24个穴(如图2中所示)，或排列成6×8阵列的48个穴，以便与大多数操纵设备兼容。也可以使用其它密度的穴，例如，也与惯用设备兼容的6穴或96穴。但是也可以使用非标准穴密度，例如，单穴或1000个穴。多穴培养皿12也可以包括透明盖，该透明盖进一步隔离封闭在其中的组织样本13，同时仍然允许光从LED 30透射到组织样本。

LED优选是高亮度的白光LED(可以从美国加利福尼亚州的Irvine的Alpinetech公司得到的Nichia Model No.NSPW-500BS)，当从组织13的距离小于1英寸的时候，该白光LED给组织生长提供足够的光。与非白光LED相比，白光LED发射比较全的光谱。白光LED的全频谱发射可以很好地消除具有不同光谱的不同LED与各种植物组织的不同光敏感性的匹配问题，以便促进生长。此外，所有白光LED可以通过一个单一电源供电。

此外，如图5和6中所示，LED 30优选是在一个双极5mm环氧树脂封装中，并且在阵列中串联安装在印刷电路板31上。作为选择，可以给一些或所有LED 30单独布线，以便能够独立控制每个LED。每个电路板31优选具有定位在其连接边缘的电路板的顶部和底部的触点，以便对应于每个水平窄缝的顶部和底部连接片。如上所述，LED不需要通过印刷电路板支撑，而是可以硬布线到对于将足够的光辐照到多穴培养皿12上所需要的希望的阵列构造和位置中。

LED 30优选在每个阵列中相互间隔，以便对应于定义在每个蜂窝穴培养皿12中的穴14的间隔。结果，当多穴培养皿12适当的定位时，每个LED30在一个对应的穴14上方居中。也就是说，每个单独的LED 30以一对一的比率与一个对应的穴14耦合。这种一对一耦合是通过LED的白光发射促成的，其中，LED的白光发射消除了每个植物组织样本上有数个不同类型的非白光LED进行辅照这一需要。

多穴培养皿12的适当定位是通过对准凹陷区26保证的，该对准凹陷区26用于将它的对应培养皿推进到一个搁板23上的预定位置上。例如，如图2和7中所示，一个培养皿12的穴14的4×6阵列在其对准位置对应于LED30的4×6阵列，并且在LED 30的阵列下方居中。LED在每个穴上方的居中使得能够校准LED与穴底部的组织之间的距离，以便提供最佳量的光束扩展和强度，以促进组织生长。每个LED的光束扩展优选是大约40°锥体。在全电压和电流下的输出光强是5.6烛光(在20mA下15-16流明/瓦)的20°光束。色温是6000至6500Kelvin。但是，最佳扩展角度和强度部分地根据植物组织的类型和希望的生长速度而改变。为了得到这种改变，可以利用电阻器限制LED的电流以减小输出。输出也可以通过占空因数的脉冲调制或缩短和/或降低电压而减小。可以通过提高电压和在较短的占空因数的脉冲调制，增加输出。

也可以使用对应于具有48和96个穴的标准阵列的多穴培养皿12的LED 30阵列。在另一个选择中，可以配置LED 40的阵列，以对应于非标准穴阵列，例如，多穴培养皿中的不规则间隔的3或1000穴的阵列。在又一个选择中，LED 30的阵列可以对应于放置在一个搁板23上的数个多穴培养皿12。例如，可以将三个4×6穴培养皿12支撑在一个单一搁板23上的对准位置，并且定位在其上方的LED 30的阵列是12×6阵列。

在搁架20中的一个高密度堆叠多穴培养皿12的例子中，低发热量和小尺寸的LED 30使得能够以2英寸间隔垂直堆叠搁板23。96英寸×19英寸的搁板尺寸将保持90个标准的4×6穴培养皿12，和在8英尺的垂直间隔(典型的存储室)中保持至少40个垂直堆叠的搁板。那么，在101立方英尺的体积中可以存储总共3600个培养皿并且供给光。这种构造下的组织样本的数量是86,400。与之比较，当使用荧光光照间隔1英尺的搁板和相同的4×6穴培养皿时，相同数量的样本需要505立方英尺。此外，LED 30的低功率要求将照明每个培养皿所需的功率从荧光灯的4.4瓦降低到LED的1.3瓦。低功率要求部分是由于LED相对于穴14的定位，这种定位提高了来自LED的光的有效分布。也就是说，到达组织的LED产生的光比荧光照明系统中的越多，需要产生的总光量就越少。

在高生产率筛选系统10的使用期间，选择包含LED 30阵列的电路板31，以便对应于筛选操作中使用的培养皿12的穴14的阵列。通过将电路板插入到对应连接器的水平窄缝中，将每个电路板31连接到一个对应的卡式边缘连接器24。这种插入将电路板上的上触点区和下触点区与连接片33电耦合，这使得能够通过电力导线32提供电力。一旦给电路板31通电，LED30接通并且开始提供光。

优选使用诸如瑞士Mannedorf的TECAN公司制造的GENESIS液体处理器之类的自动系统，将组织样本13装载到多穴培养皿12中，并且把新鲜液体介质注入穴中。机器人11的操纵器抓住包含新鲜植物组织样本13的多穴培养皿12，并且定位在搁架20的搁板23上。当把每个多穴培养皿12定位在它的一个对应搁板23上时，对准凹陷区26将多穴培养皿推进到LED 30的对应阵列下的居中位置。在筛选处理所需的间隔中，例如，在补充液体营养剂、抽取一个穴的液体样本、从穴中取出一些组织样本、或用另一个培养皿替换一个培养皿所需的间隔中，机器人11进入一个搁板23上的适当位置，并且从对准凹陷区26上的位置取回培养皿。

本发明具有几种优点。使用比荧光和白炽灯泡体积小和发热量少的LED30，使得能够更靠近地堆叠搁架20的搁板23。由于减小了容纳适当量的组织样本13所需的间隔量，更紧密堆叠的搁板提高了存储效率。这在每日需要数千个样本的高生产率筛选操作中特别重要。此外，有更多的培养皿可以接近具有受限运动范围的自动培养皿操纵器，例如，机器人手臂。每个穴14与其自己的发光二极管的匹配和对准，使得能够校准最佳组织生长所需的光束扩展和强度。此外，发光二极管30具有比荧光和白炽灯泡更低的功率需要，对于每个4×6标准培养皿，发光二极管30平均需要1.3瓦，而荧光和白炽灯系统需要4.4瓦。白光发射IED 30具有发射全频谱光的优点，因此，可以用于许多不同类型的植物组织。此外，使用白光LED促进了每个LED与其自己的蜂窝穴一对一的耦合。

熟悉本领域的人员应当知道，本发明还可有许多修改和其它实施例，也具有上述说明书和有关附图中描述中所提到的优点。因此，应当知道，本发明并不限于披露的特定实施例，并且修改和其它实施例应当包括在附属权利要求的范围内。尽管在这里使用了专门的词汇，但是这里仅使用了它们的一般和说明的意义，并不是为了限制的目的。

Claims (22)

1.一种用于促进需要光支持增殖的组织样本生长的组合系统，所述组合系统包括：

一个培养皿，该培养皿中定义了多个排列在穴阵列中的穴，构造该多个穴中的每一个以支撑和隔离一个组织样本；和

多个排列在对应于穴阵列的发光二极管阵列中发光二极管，从而使每个发光二极管相对于一个对应穴定位，以便将光辐照到该对应的一个穴中并且促进支撑在其中的组织增殖。

2.根据权利要求1所述的组合系统，其中每个发光二极管在它的一个对应穴的上方居中。

3.根据权利要求2所述的组合系统，其中每个发光二极管距离其对应的一个穴中的组织样本为1英寸或1英寸以下。

4.根据权利要求1所述的组合系统，其中发光二极管发射白光。

5.一种用于促进需要光支持增殖的组织样本生长的组合系统，所述组合系统包括：

多个培养皿，每个培养皿中定义了多个排列在穴阵列中的穴，多个穴中的每一个被构造用于支撑和隔离一个组织样本；

一个搁架，该搁架包括多个彼此间隔并且构造以支撑至少一个培养皿的支撑件；和

多个发光二极管阵列，该发光二极管阵列由搁架支撑并且分别与所述支撑件协同操纵，以便将来自发光二极管阵列的光辐照到培养皿的穴中并促进包含在其中的组织样本的生长。

6.根据权利要求5所述的组合系统，其中每个发光二极管阵列包括多个发光二极管，该多个发光二极管排列在对应于培养皿的穴阵列的阵列中，从而使得每个发光二极管能够相对于一个对应的穴定位。

7.根据权利要求6所述的组合系统，其中每个支撑件包括一个对准设备，该对准设备用于将支撑在其上的培养皿推进到对准位置，从而使得每个发光二极管能够相对于它的对应的一个穴居中。

8.根据权利要求7所述的组合系统，其中支撑件包括搁板，并且对准设备是定义在该搁板中的对准凹陷区。

9.根据权利要求5所述的组合系统，其中每个发光二极管阵列包括一个电路板和多个由该电路板携带的发光二极管。

10.根据权利要求9所述的组合系统，其中搁架进一步包括多个卡式边缘连接器，构造每个卡式边缘连接器以接收一个发光二极管阵列的电路板，并且将电路板和发光二极管支撑在对应的一个搁板的上方。

11.根据权利要求5所述的组合系统，其中支撑件最大间隔2英寸。

12.一种用于容纳多个培养皿并且将光提供到多个组织样本的组合系统，每个培养皿中定义了多个排列在穴阵列中的穴，多个穴中的每一个支撑一个组织样本，所述组合系统包括：

一个包括多个彼此间隔的支撑件的搁架；和

多个发光二极管阵列，每个发光二极管阵列包括多个排列在一个对应于穴阵列的阵列中的发光二极管，其中每个发光二极管阵列由搁架支撑在一个对应的搁板的对面，以便来自每个发光二极管的光能够辐照到支撑在搁板上的培养皿的一个对应的穴中。

13.根据权利要求12所述的组合系统，其中构造每个搁板以将多个培养皿中的至少一个推进到对准位置。

14.根据权利要求12所述的组合系统，其中每个搁板定义了一个形成为将培养皿推进到对准位置的形状的对准凹陷区。

15.一种用于需要光支持增殖的组织样本的高生产率处理的系统，所述系统包括：

多个培养皿，每个培养皿中定义了多个排列在穴阵列中的穴，多个穴中的每个被构造用于隔离和保持一个组织样本；

一个具有多个彼此垂直间隔的搁板的搁架，每个搁板支撑至少一个培养皿；

多个发光二极管阵列，每个发光二极管阵列定位在多个搁板中的一个对应的搁板的上方，以便将光辐照到培养皿的穴中；和

一个包括至少一个具有一定运动范围的培养皿操纵器的自动操纵系统，其中适当的定位搁架，以便使培养皿能够在培养皿操纵器的运动范围内，其中培养皿操纵器能够支撑每个培养皿并且将每个培养皿从搁架取出，以便自动处理包含在其中的组织样本。

16.一种促进组织样本的生长的方法，其中，该组织样本包含在具有多个排列在一个阵列中的穴的多穴培养皿中，其中每个穴隔离和支撑一个组织样本，所述方法包括：

将组织样本装载到多穴培养皿的穴中；

将每个在支撑件上的多穴培养皿定位在发光二极管阵列的对面；

将来自发光二极管的光辐照到多穴培养皿的对应穴中；和

从支撑件取出每个多穴培养皿以便进行附加的后续程序处理。

17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括将多穴培养皿推进到支撑件上的对准位置，直到每个发光二极管相对于多穴培养皿的一个对应穴居中。

18.根据权利要求16所述的方法，其中定位包括将每个培养皿定位在多个垂直堆叠的支撑件中的一个上。

19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括将发光二极管阵列的电路板安装在每个垂直堆叠的支撑件的对面。

20.根据权利要求16所述的方法，其中装载、定位、和支撑是由一个自动系统执行的。

21.一种用于促进需要光支持增殖的组织样本的生长的组合系统，所述组合系统包括：

多个培养皿，每个培养皿中定义了多个排列在一个穴阵列中的穴，多个穴中的每个被构造用于支撑和隔离一个组织样本；

一个包括多个搁板和多个卡式边缘连接器的搁架，所述搁板彼此垂直间隔，每个搁板将至少一个培养皿支撑在一个对准凹陷区中，该对准凹陷区将培养皿推进到对准位置，并且，每个所述卡式边缘连接器定位在一个对应的搁板的上方；和

多个由卡式边缘连接器支撑在搁板上方的发光二极管阵列，每个发光二极管阵列包括多个发光二极管和一个电路板，所述电路板将发光二极管携带在一个对应于培养皿的穴阵列的阵列中，从而使得当培养皿处于对准位置时，每个发光二极管能够定位在一个对应的穴的对面，并且在其对应的穴的上方居中。

22.一种用于促进需要光支持增殖的组织样本的生长的组合系统，所述组合系统包括：

一个其中定义了多个排列在一个穴阵列中的穴的培养皿，多个穴中的每个被构造用于支撑和隔离一个组织样本；和

多个发光二极管，该多个发光二极管排列在一个发光二极管阵列中并且定位在穴的对面，以便将白光辐照到穴中和促进支撑在其中的组织的增殖。

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