CN203307344U - 一种小型化的细胞体外培养测控装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种小型化的细胞体外培养测控装置，包括细胞培养微室单元、环境参数采集单元、单片机处理单元和反馈调节单元和远程交互单元。本实用新型提供的小型化的细胞体外培养测控装置，利用反馈控制，能够实现培养过程中细胞活动的连续检测；采用透光亚克力材质加工细胞培养微室单元，能够实现小型化体外培养器皿制作，具体形状可以根据需求定制，加工方便且灭菌简单；实现培养装置的信息化，在培养过程中对环境的监测，在保持环境稳定的同时提高实验数据的可追溯性；能够实现远程交互，提供非正常状态的报警、远程查询、远程控制等功能。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种小型化的细胞体外培养测控装置，能够实现培养过程中细胞活动的连续检测。
背景技术
当前，生命科学研究已经发展到细胞及分子水平，科学家们开始聚焦于生物体细胞的内部活动、信号传导、细胞间相互作用等领域，他们利用电磁学、光学、力学等一系列先进的方法对单细胞或细胞团进行检测，而这些新的检测技术需要依靠连续可靠的体外细胞培养装置进行辅助。
传统的体外细胞培养装置以CO2培养箱为主要代表，其优点在于可以准确控制细胞生长的温度、湿度和CO2浓度等参数，控制精度高，环境扰动小，适用于几乎所有类型的细胞体外培养。部分先进的设备带有计算机控制和远程报警的功能。但总体来说，CO2培养箱体积庞大，有较强的密闭性要求，不能适用于细胞的长时间在线检测。
近年来一些新型的具有连续检测功能的细胞培养装置也陆续被实用新型，应用最广泛的是活细胞工作站中使用的小型细胞体外培养装置。该装置的特点在于体积小、透光度高，可以与倒置生物显微镜相结合，适用于连续的荧光检测。但其缺陷在于装置可靠性一般、灭菌难度高、环境参数的监测记录以及远程报警控制等功能尚未实现。
实用新型内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种小型化的细胞体外培养测控装置，实现培养过程中细胞活动的连续检测，并能记录培养过程环境参数，便于实验分析。
技术方案：为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
一种小型化的细胞体外培养测控装置，包括细胞培养微室单元、环境参数采集单元、单片机处理单元和反馈调节单元：
所述细胞培养微室单元为细胞培养容器的放置提供空间；
所述环境参数采集单元对细胞培养微室单元内的温度、湿度和CO2气体浓度进行检测并将检测信息发送给单片机处理单元；
所述单片机处理单元对接收到的信息进行处理、存储和显示，产生反馈调节信号并发送给反馈调节单元；
所述反馈调节单元根据接受到的信息对细胞培养微室单元内的温度、湿度和CO2气体浓度进行调节。
优选的，所述细胞培养微室单元包括盒体和顶盖，所述盒体为透光亚克力材质，所述顶盖为加热玻璃材质，所述盒体的内部设置有一圈水槽，所述盒体的侧壁上设置有CO2通气孔。所述盒体可以根据检测的具体需求进行定制，以达到与其他检查设备联用的目的，生产方便且培养前的灭菌等预处理都较为简单。水槽的设计主要有两个功能：一是为加湿提供水源，在供热的情况下，保证盒体内的高湿度；二是起保温作用，由于水的比热容较大，存储热量的能力比较强，在水槽内注水有助于减小盒体内的温度扰度。顶盖采用加热玻璃加工，在提供加热功能的同时也能够保持较好的透光度，便于观察。CO2通气孔的设计是为了方便调节盒体内的CO2气体浓度。水槽、加热玻璃的顶盖和CO2通气孔共同构成了反馈调节单元的主要部分，以保证盒体内的环境稳定。
更为优选的，所述盒体内设置有硅胶加热板，通过硅胶加热块和加热玻璃顶盖共同实现加热功能；其加热功率的大小可以通过调节电压及加热器件的电阻实现；通过一定的算法对加热功率和加热时间进行控制，就能够实现盒体内的温度。
优选的，所述环境参数采集单元包括温湿度传感器和CO2传感器。由于细胞培养微室单元的结构较小，在设计时也应当选用体积较小的传感器；同时，细胞培养对于环境的要求较高，对所测量的参数也有较高的精度要求；基于上述两方面考虑，所述温湿度传感器采用DHT22温湿度传感器，所述CO2传感器采用SRH-5红外非分光CO2传感器。DHT22温湿度传感器能够同时检测相对湿度和温度，信号全部校准并数字化输出，精度良好（温度±0.1℃，湿度±0.1%RH），符合使用需求。SRH-5红外非分光CO2传感器的输出信号为模拟信号，因此需要进行A/D转换为数字信号才能够进行存储和处理。
考虑体外细胞培养环境会影响细胞在体外的生产过程，因此，在完成细胞培养微室单元内部的环境参数采集后，需要对这些数据进行存储、处理和显示，有助于用户对系统运行过程中整体环境的变化过程进行全面的了解，有助于对实验结果进行分析。基于单片机处理单元，还可以衍生设计出其他辅助单元，比如图表的显示、报警装置、上位机连接以及远程交互单元等。
单片机处理单元主要包括前度信号传输、参数存储和参数实时显示三个部分。
通过LED显示屏能够对温度、湿度和CO2浓度进行显示，由于单片机获得的数据为整型（不准确）的值，因此需要对单片机获得的数据进行算法修正；另外，由于单片机中的存储单元较小，且回调历史数据困难，因此可以利用串口将前端采集后的数据传输到上位机上进行存储；为了提高效率，减少数据传输的次数，在单片机向上位机进行数据传输时，首先需要进行编码预处理，将温度、湿度和CO2浓度三组数据整合为一组数据再传输至上位机。
采用上位机进行数据的解码、存储和显示操作能够减少单片机的负担和人员使用的亲和度。通过MFC进行软件编程能够轻松实现相关功能，一般需要上位机通过软件实现的功能包括：1、获取单片机传送的数据并进行解码，2、动态地显示传输的数据和图表，3、进行串口属性的选择，4、数据的存储。对于数据和图表，数据用于显示环境参数的实时数值，图表以时间为横坐标、绘制各个环境参数随时间变化的动态曲线。
所述单片机处理单元通过远程交互单元与远程服务端进行信息交互；优选的，所述远程交互单元为TC35系列双频900/1800MHZ集成GSM模块，该GSM模块自带RS232通讯接口，能够方便地与PC机或单片机进行联机通讯。单片机对前端的温度、湿度和CO2气体浓度进行采集，并将采集的数据转换为数字信号，可以通过GSM无线网络与用户进行交互，可以实现远程报警、远程查询、远程控制等功能。以远程报警为例，在单片机对前端手机的信号与设定的报警值进行比较后，得到异常信号（即收集的信号值超过警戒值），将会向远程交互单元发出信号，远程交互单元接收到信号后开始工作，首先判断接收到的信号类型（温度、湿度或CO2气体浓度），然后针对不同的信号发送出对应的报警短信。尤其在细胞培养微室单元不能在短时间内自动调节恢复到稳定状态的情况下，远程报警功能就极为重要，可以及时通知用户通过人工介入干预。
优选的，所述单片机处理单元基于MSP430f449系列单片机设计。
优选的，还包括稳定状态信息输入单元，所述稳定状态输入信息输入单元用于输入细胞培养微室单元内的温度、湿度和CO2气体浓的稳定状态值和波动范围。
有益效果：本实用新型提供的小型化的细胞体外培养测控装置，利用反馈控制，能够实现培养过程中细胞活动的连续检测；采用透光亚克力材质加工细胞培养微室单元，能够实现小型化体外培养器皿制作，具体形状可以根据需求定制，加工方便且灭菌简单；实现培养装置的信息化，在培养过程中对环境的监测，在保持环境稳定的同时提高实验数据的可追溯性；能够实现远程交互，提供非正常状态的报警、远程查询、远程控制等功能。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为温湿度传感器工作流程图；
图3为温湿度传感器和单片机处理单元之间的数据传输流程图；
图4为CO2传感器工作流程图；
图5为单片机处理单元向上位机传输数据的流程图；
图6为单片机处理单元对接收的数据进行处理、存储和显示的流程图；
图7为稳定状态信息输入单元的按键控制流程图；
图8为远程交互单元的工作示意图；
图9为远程报警的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。
如图1所示为一种小型化的细胞体外培养测控装置，包括细胞培养微室单元、环境参数采集单元、单片机处理单元、反馈调节单元和远程交互单元：所述细胞培养微室单元为细胞培养容器的放置提供空间；所述环境参数采集单元对细胞培养微室单元内的温度、湿度和CO2气体浓度进行检测并将检测信息发送给单片机处理单元；所述单片机处理单元对接收到的信息进行处理、存储和显示，产生反馈调节信号并发送给反馈调节单元；所述反馈调节单元根据接受到的信息对细胞培养微室单元内的温度、湿度和CO2气体浓度进行调节；所述单片机处理单元通过远程交互单元与远程服务端进行信息交互。
下面就各个组成单元加以具体说明。
细胞培养微室单元
细胞培养微室单元为放置细胞培养容器提供空间，同时需要与加热、加湿器件相结合来维持环境温度和湿度的稳定，本案中，所述细胞培养微室单元包括盒体和顶盖，所述盒体为透光亚克力材质，所述顶盖为加热玻璃材质，所述盒体的内部设置有一圈水槽，所述盒体的侧壁上设置有CO2通气孔；所述盒体内设置有硅胶加热板。
所述盒体可以根据检测的具体需求进行定制，以达到与其他检查设备联用的目的，生产方便且培养前的灭菌等预处理都较为简单。水槽的设计主要有两个功能：一是为加湿提供水源，在供热的情况下，保证盒体内的高湿度；二是起保温作用，由于水的比热容较大，存储热量的能力比较强，在水槽内注水有助于减小盒体内的温度扰度。顶盖采用加热玻璃加工，在提供加热功能的同时也能够保持较好的透光度，便于观察。CO2通气孔的设计是为了方便调节盒体内的CO2气体浓度。水槽、加热玻璃的顶盖、硅胶加热板和CO2通气孔共同构成了反馈调节单元的主要部分，以保证盒体内的环境稳定。
环境参数采集单元
环境参数采集单元需要对细胞培养微室单元内的温度、湿度和CO2浓度进行检测，本案中的环境参数采集单元包括温湿度传感器和CO2传感器。其中，所述温湿度传感器为DHT22温湿度传感器。
DHT22温湿度传感器能够同时检测相对湿度和温度，信号全部校准并数字化输出，精度良好（温度±0.1℃，湿度±0.1%RH），符合使用需求，本案中温湿度传感器的工作过程及与单片机处理单元之间的数据传输过程如图2、图3所示。
所述CO2传感器为SRH-5红外非分光CO2传感器，SRH-5红外非分光CO2传感器的输出信号为模拟信号，因此需要进行A/D转换为数字信号才能够进行存储和处理；本案中CO2传感器的工作流程如图4所示。
单片机处理单元
考虑体外细胞培养环境会影响细胞在体外的生产过程，因此，在完成细胞培养微室单元内部的环境参数采集后，需要对这些数据进行存储、处理和显示，有助于用户对系统运行过程中整体环境的变化过程进行全面的了解，有助于对实验结果进行分析。
本案中，所述单片机处理单元基于MSP430f449芯片设计，单片机处理单元主要包括前度信号传输、参数存储和参数实时显示三个部分。
通过LED显示屏能够对温度、湿度和CO2浓度进行显示，由于单片机获得的数据为整型（不准确）的值，因此需要对单片机获得的数据进行算法修正；另外，由于单片机中的存储单元较小，且回调历史数据困难，因此可以利用串口将前端采集后的数据传输到上位机上进行存储；为了提高效率，减少数据传输的次数，在单片机向上位机进行数据传输时，首先需要进行编码预处理，将温度、湿度和CO2浓度三组数据整合为一组数据再传输至上位机；具体实现流程如图5所示。
采用上位机进行数据的解码、存储和显示操作能够减少单片机的负担和人员使用的亲和度。通过MFC进行软件编程能够轻松实现相关功能，一般需要上位机通过软件实现的功能包括：1、获取单片机传送的数据并进行解码，2、动态地显示传输的数据和图表，3、进行串口属性的选择，4、数据的存储；具体实现流程图如6所示。对于数据和图表，数据用于显示环境参数的实时数值，图表以时间为横坐标、绘制各个环境参数随时间变化的动态曲线。
反馈调节单元
如前所述，水槽、加热玻璃的顶盖、硅胶加热板和CO2通气孔共同构成了反馈调节单元的主要部分，以保证盒体内的环境稳定。通过硅胶加热块和加热玻璃顶盖共同实现加热功能；其加热功率的大小可以通过调节电压及加热器件的电阻实现；通过一定的算法对加热功率和加热时间进行控制，就能够实现盒体内的温度。
根据实际使用需要，反馈调节单元需要依托稳定状态信息输入单元进行工作，所述稳定状态输入信息输入单元用于输入细胞培养微室单元内的温度、湿度和CO2气体浓的稳定状态值和波动范围。本例中的稳定状态信息输入单元同样基于MSP430f449芯片设计，并设计为按键结构，其工作流程如图7所示。
远程交互单元
远程交互单元为TC35系列双频900/1800MHZ集成GSM模块，该GSM模块自带RS232通讯接口，能够方便地与PC机或单片机进行联机通讯。单片机对前端的温度、湿度和CO2气体浓度进行采集，并将采集的数据转换为数字信号，可以通过GSM无线网络与用户进行交互，可以实现远程报警、远程查询、远程控制等功能。其工作原理如图8所示。
以远程报警为例，在单片机对前端手机的信号与设定的报警值进行比较后，得到异常信号（即收集的信号值超过警戒值），将会向远程交互单元发出信号，远程交互单元接收到信号后开始工作，首先判断接收到的信号类型（温度、湿度或CO2气体浓度），然后针对不同的信号发送出对应的报警短信。实现流程如图9所示。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (9)
1.一种小型化的细胞体外培养测控装置，其特征在于：包括细胞培养微室单元、环境参数采集单元、单片机处理单元和反馈调节单元：
所述细胞培养微室单元为细胞培养容器的放置提供空间；
所述环境参数采集单元对细胞培养微室单元内的温度、湿度和CO2气体浓度进行检测并将检测信息发送给单片机处理单元；
所述单片机处理单元对接收到的信息进行处理、存储和显示，产生反馈调节信号并发送给反馈调节单元；
所述反馈调节单元根据接受到的信息对细胞培养微室单元内的温度、湿度和CO2气体浓度进行调节。
2.根据权利要求1所述的小型化的细胞体外培养测控装置，其特征在于：所述细胞培养微室单元包括盒体和顶盖，所述盒体为透光亚克力材质，所述顶盖为加热玻璃材质，所述盒体的内部设置有一圈水槽，所述盒体的侧壁上设置有CO2通气孔。
3.根据权利要求2所述的小型化的细胞体外培养测控装置，其特征在于：所述盒体内设置有硅胶加热板。
4.根据权利要求1所述的小型化的细胞体外培养测控装置，其特征在于：所述环境参数采集单元包括温湿度传感器和CO2传感器。
5.根据权利要求4所述的小型化的细胞体外培养测控装置，其特征在于：所述温湿度传感器为DHT22温湿度传感器，所述CO2传感器为SRH-5红外非分光CO2传感器。
6.根据权利要求1所述的小型化的细胞体外培养测控装置，其特征在于：还包括远程交互单元，所述单片机处理单元通过远程交互单元与远程服务端进行信息交互。
7.根据权利要求6所述的小型化的细胞体外培养测控装置，其特征在于：所述远程交互单元为TC35系列双频900/1800MHZ集成GSM模块。
8.根据权利要求1所述的小型化的细胞体外培养测控装置，其特征在于：所述单片机处理单元基于MSP430f449系列单片机设计。
9.根据权利要求1所述的小型化的细胞体外培养测控装置，其特征在于：还包括稳定状态信息输入单元，所述稳定状态输入信息输入单元用于输入细胞培养微室单元内的温度、湿度和CO2气体浓的稳定状态值和波动范围。
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Cited By (2)
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| CN103305420A (zh) * | 2013-06-13 | 2013-09-18 | 东南大学 | 一种小型化的细胞体外培养测控装置 |
| CN104694389A (zh) * | 2013-12-04 | 2015-06-10 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种基于微型数控活细胞培养室构建的细胞缺氧环境系统 |
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2013
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| CN104694389A (zh) * | 2013-12-04 | 2015-06-10 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种基于微型数控活细胞培养室构建的细胞缺氧环境系统 |
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