CN204079984U - 一种显微镜用活细胞培养环境控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种显微镜用活细胞培养环境控制系统，由上位计算机、控制器、培养箱、一体化执行器组成。上位计算机可以设定温度、CO₂浓度，其中温度可以按多点分别设定和控制；培养箱具有上下层各自独立工作的层流送风结构，其顶板位于显微镜载物台上方，聚光镜转盘下方，可以向两侧打开和闭合；控制器包含多点温度控制器和CO₂浓度控制器、载物台上、下方和培养箱左右底板上分别安装有温度探测探头，结合载物台上方的CO₂浓度，在下层控制温度，上层同时控制温度、CO₂浓度；一体化执行器具有加温、加湿、CO₂混合功能的一体化结构。本实用新型机构简单、易于操作、体积较小，能快速拆装，具有良好的控制精度，便于高性能显微镜的功能充分发挥。

Description

一种显微镜用活细胞培养环境控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种显微镜用活细胞培养环境控制系统，属于细胞成像技术领域。 

背景技术

活细胞成像是一种通过实时动态或者在一段时间内的图像采集，来观察细胞内部结构运动变化和细胞生理过程的研究方法。活细胞成像一方面要保持细胞的生理活性，另一方面能够使用显微镜进行实时观察和图像采集，因此需要细胞培养环境控制系统的支持。细胞培养环境控制系统是活细胞成像所必须的基本部件。在没有培养基或者适宜的温度等条件下，动物细胞通常只能维持短时间的正常活动。因而在显微镜上实现活细胞成像，就必须要使用培养环境控制系统，以维持细胞的正常代谢状态。 

目前应用的活细胞环境控制系统有两种，第一种是小型控制盒，体积约300毫升，系统由置于载物台上的培养室、加湿器、温控器、二氧化碳气体混合设备组成。第二种是大型培养箱箱体，体积约125升，其部件包括覆盖整个显微镜的透明箱体，温、湿度控制及鼓风、CO₂浓度控制等，箱体需紧密贴合显微镜镜身，并开有窗口方便操作。第一种系统，体积小，最大的问题是温度控制的精确度不够；其次，由于培养室盖上内外的温差，会结有冷凝水，严重影响DIC和透射光的观察效果；第三，由于培养室上盖有温控走线，阴影会影响多点拍摄效果。第二种系统，由于体积庞大、笨重，安装复杂，一般适合功能专一的活细胞工作站系统，作为高价值、高性能显微镜，其功能完备、需求多样，这就导致如果采用这种大培养箱的话，就需要经常拆装，而这种操作，损坏箱体或者仪器的风险很大。 

综上，以上这两种常用的活细胞环境控制系统由于各自结构的原因，在应用的适应性上，都受到一定的限制。 

实用新型内容

本实用新型的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种中型箱体，体积约15～20升的显微镜用活细胞培养环境控制系统，达到易于操作、体积适中，能快速拆装，保证细胞所在位置温度稳定、准确，并达到准确控制培养箱箱体的温度、湿度和CO₂浓度的目的。 

本实用新型的技术方案为：一种显微镜用活细胞培养环境控制系统，其特征在于：包括上位计算机、控制器、培养箱和一体化执行器；所述的上位计算机与控制器双向连接；所述 的控制器包含多点温度控制器和CO₂浓度控制器；所述的培养箱和显微镜相配合，形成了相对密闭的箱体，构成细胞培养环境；所述的一体化执行器安装在培养箱箱体右侧面；所述的培养箱箱体在中间部位留有显微镜安装位置，形成了马鞍形结构，该结构由左右顶板、左右面板、左右背板、左右底板、左右侧板组成，其中右侧板为多孔通风板，与一体化执行器连接，培养箱内部的左右隔板和显微镜载物台在一个平面上，将箱体分隔成上下层与一体化执行器相配合，形成上下层各自独立工作的层流送风结构。 

所述的培养箱箱体在中间部位留有显微镜安装位置，形成了马鞍形结构，该结构由左右顶板、左右面板、左右背板、左右底板、左右侧板组成，其中右侧板为多孔通风板，与一体化执行器连接，培养箱内部的左右隔板和显微镜载物台在一个平面上，将箱体分隔成上下层与一体化执行器相配合，形成上下层各自独立工作的层流送风结构。 

所述的培养箱的左右顶板分别位于显微镜载物台上方、聚光镜转盘下方，左右顶板能够向两侧打开和闭合，左右顶板的中间区域分别开有半圆孔，与聚光镜镜身相匹配。 

所述的培养箱箱体内部安装有多个温度检测探头和一个CO₂检测探头，温度检测探头分别安装在载物台上方、下方和左右底板上，CO₂浓度探头安装在载物台上方。各温度检测探头的输出连接至多点温度控制器，CO₂浓度探头输出连接至CO₂浓度控制器。 

所述的培养箱底板采用RTO导电玻璃材质，RTO导电玻璃具有升温和保温的作用，降低箱体散热对温控精度的影响，可以消除层流送风系统的温控死角和温度梯度。 

所述的控制器内部的功率控制器用于控制第一温控执行器、第二温控执行器、出风微流风扇的运行功率，功率控制器的作用是控制一体化执行器上下层的温控执行器和出风微流风扇的运行功率。 

所述的控制器内部的多点温度控制器采用高速高精度控制器，其温度采样速度达到100次/秒，控制分辨率达到0.01℃，以保证温度的精准。 

所述的一体化执行器具有加温、加湿、CO₂混合功能的一体化结构，内部由隔板隔成上下两层舱体，与培养箱上下层相配合，实现层流送风效果。上层舱体设有一个温控执行器、一个加湿器和一个CO₂进气口，下层舱体仅设有另一个温控执行器；所述的控制器在一体化执行器的下层仅控制温度，在上层同时控制温度、湿度和CO₂浓度。 

所述的上位计算机接收控制器上传的各项测量数据，把温度、CO₂浓度检测结果实时显示在上位计算机屏幕上，并把用户设定的温度、CO₂浓度的控制参数发送给控制器；控制器按照设定的参数独立完成温度控制和CO₂浓度控制，其中温度控制按多点分别设定和控制，各控制点之间互不影响；温度控制的执行机构为一体化执行器、RTO导电玻璃，CO₂浓度控制的执行机构为CO₂进气口的外接气阀。控制器发出控制信号后，对应的执行机构就执行加 温、加湿、CO₂混合功能的动作，最终达到对培养箱内提供稳定的活细胞生存环境的目的。 

本实用新型与现有技术相比的优点在于：本实用新型结构简单、易于操作、体积适中(15～20升)，能快速拆装，层流送风结构和高速高精度多点温度控制器可以消除温控死角和温度梯度，保证细胞所在位置温度稳定、准确，优于大型活细胞培养环境控制系统的控制精度和效果，便于高价值、高性能的显微镜的各种功能充分发挥。上下层各自独立工作的层流送风结构，让镜头和细胞的温度一致，解决了小型载物台培养室上下温度不一致的问题，避免观察区域由于镜头的温度低影响细胞的生存状态，并且也避免了小型载物台培养室的水雾、多点拍摄困难等因结构缺陷导致的问题。另外，在本系统工作的不同状态下，功率控制器可以对运行功率做出相应调整，实现快速升温、稳定保温的效果，改善用户体验。 

附图说明

图1为本实用新型的活细胞培养环境控制系统结构示意图； 

图2为本实用新型的培养箱与显微镜安装配合示意图； 

图3为本实用新型的培养箱结构示意图； 

图4为本实用新型的培养箱结构正视图； 

图5为本实用新型的层流送风结构示意图。 

其中：上位计算机1，控制器2，显微镜3，培养箱4，一体化执行器5，风向6，风向7，第一温度检测探头8，第二温度检测探头9，第三温度检测探头10，第四温度检测探头11，CO₂检测探头12，加湿器13，第一温控执行器14，第二温控执行器15，出风微流风扇16，载物台17，CO₂进气口18，左层间隔板19，右层间隔板20，执行器层间隔板21，左顶板22，右顶板23，左面板24，右面板25，左侧板26，左背板27，右背板28，左RTO玻璃底板29，右RTO玻璃底板30，多孔板31、多点温度控制器32、CO₂浓度控制器33，功率控制器34。 

具体实施方式

以下说明本实用新型的实施例。但以下的实施例仅限于解释本实用新型，本实用新型的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例，本领域的技术人员即可以实现本实用新型权利要求的全部内容。 

如图1所示，为本实用新型的活细胞培养环境控制系统由上位计算机1、控制器2、培养箱4和一体化执行器5组成，在培养箱4箱体包含左顶板22、右顶板23、左面板24、右面板25、左侧板26、左背板27、右背板28、左RTO玻璃底板29、右RTO玻璃底板30；培养箱4箱体右侧通过多孔板31一体化执行器5连为一体；培养箱4箱体的左顶板22、右顶板23、左面板24、右面板25、左背板27、右背板28、左RTO玻璃底板29、右RTO玻 璃底板30所空出的中间空间，为显微镜3的位置，左顶板22、右顶板23是活动部分，可以向两侧拉开或闭合，左面板24、右面板25、左背板27、右背板28固定在显微镜3的镜身上；控制器2包含多点温度控制器32、CO₂浓度控制器33、功率控制器34，多点温度控制器32与第一温度检测探头8、第二温度检测探头9、第三温度检测探头10、第四温度检测探头11通讯，CO₂浓度控制器33与CO₂检测探头12通讯，功率控制器34用于控制第一温控执行器14、第二温控执行器15、出风微流风扇16的运行功率；培养箱4通过左层间隔板19、载物台17、右层间隔板20隔成了上下两层；载物台17的上层表面设有第一温度检测探头8、CO₂检测探头12，下层表面设有第二温度检测探头9；另外在培养箱4的左右底部分别设有第三温度检测探头10、第四温度检测探头11，底部左侧内部还有出风微流风扇16；一体化执行器5连接在培养箱4的右侧面，通过执行器层间隔板21也分成上下两层，上层有加湿器13、第一温控执行器14、CO₂进气口18，下层有第二温控执行器15，通过多孔板31，分别与培养箱4的上下两层连通。风向6表示箱体上层从右侧向左侧层流送风的流动方向，风向7显示的是箱体上层气流流出方向，下层的风向与上层一致，最终气流都经过出风微流风扇16缓慢排出。 

其中，上位计算机1和控制器2通讯，以随时接收和存储控制器2上传的各种参数，并产生数据表和控制曲线以便于监控。控制器2包含多点温度控制器32、CO₂浓度控制器33、功率控制器34，多点温度控制器32接收第一温度检测探头8、第二温度检测探头9、第三温度检测探头10、第四温度检测探头11的实时数据，CO₂浓度控制器33接收CO₂检测探头12的实时数据，所有接收的实时数据上传给上位计算机1，上位计算机1将温度和CO₂浓度控制信息后传递给一体化执行器5，一体化执行器5通过控制加湿器13、第一温控执行器14、第二温控执行器15、出风微流风扇16和CO₂进气口18，对培养箱4内的温度、湿度和CO₂浓度进行精准控制，通过左层间隔板19、载物台17、右层间隔板20和执行器层间隔板21，将培养箱4和一体化执行器5的内部隔成了上下层各自独立工作的层流送风结构。一体化执行器5的下层只有第二温控执行器15，上层则同时有加湿器13、第一温控执行器14和CO₂进气口18，达到在载物台17的下层仅控制温度，载物台17上层同时控制温度、湿度、CO₂浓度的目的，确保在显微镜3的载物台17所在区域有高度稳定的活细胞生存环境。 

另外，上位计算机1在系统启动后，按照用户设定的温度参数，发送相应的功率参数给功率控制器34，以调整第一温控执行器14、第二温控执行器15、出风微流风扇16的运行功率，在设定的低温区，如在常温～35℃之间，实现快速升温，缩短用户等待时间。在达到设定的温度拐点35℃后，降低功率，进入慢速升温和保温运行。 

如图2所示，为本实用新型的培养箱4与显微镜安装配合示意图，培养箱4的承重部位 为载物台17前后两侧的镜身支点，由四颗螺丝固定在显微镜3上。通过精确测量显微镜3配合相关部位的尺寸，实现严密结合，缝隙均匀，保证层流送风效果。 

如图3所示，为本实用新型的培养箱结构示意图，培养箱4的顶盖为左顶板22、右顶板23，前部左右分别为左面板24、右面板25，左侧面为左侧板26，右侧面为多孔板31，并连接到一体化执行器5，背面的左右边分别为左背板27、右背板28，底部的左右分别为左RTO玻璃底板29、右RTO玻璃底板30，在箱体的内部与载物台平行连接的分别是左层间隔板19、右层间隔板20。左顶板22、右顶板23可以向左右侧拉开，便于对显微镜的载物台进行操作，左顶板22、右顶板23合拢后，卡在明场聚光镜镜身的位置，位于聚光镜转盘下方，左顶板22、右顶板23的合拢部分有圆形开孔，开孔直径根据明场聚光镜的位置和直径决定。培养箱4的箱体内部有左层间隔板19、右层间隔板20，其中左层间隔板19的左侧边与左侧板26之间留有20至40mm左右的缝隙，作为上层气流风向7的流出路径，底部的RTO玻璃底板29、右RTO玻璃底板30采用RTO导电玻璃，具有升温和保温的作用，降低箱体散热对温控精度的影响。培养箱4的右侧面由多孔板31连接一体化执行器5。一体化执行器5由执行器层间隔板21隔成了上下层，下层只有温控执行器15，上层则同时有加湿器13、温控执行器14和CO₂进气口18。培养箱4和一体化执行器5各部件采用卡槽和螺丝固定，除培养箱4承重部位的四个螺丝外，其余可全部免工具徒手拆装。 

参考图2、图3、图4，培养箱4在中间部位留有显微镜3安装位置，形成了马鞍形结构，培养箱的左面板24、右面板25、左背板27、右背板28之间的位置为显微镜安装位，载物台17下方的物镜安装区在本实施例中作为层流送风结构的下层空气流通通道。 

参考图1、图2、图3、图5，本实用新型的层流送风结构进气采用和超净工作台的HAPA类似的结构，通过左层间隔板19、载物台17、右层间隔板20和执行器层间隔板21，培养箱4的箱体在气流循环上分为上下两个部分，通过右侧多孔板31上下两个部分的多孔通道，执行器5上下两层都从右侧向箱体平行送风，引导气流从右到左，在培养箱4箱体的各个部位均匀流动，避免气流死角。同时本实用新型还采用精度达到0.01℃的多点温度检测控制器及RTO导电玻璃对左底板29，右底板30的温度适当补偿，保证镜头和细胞培养皿所在的位置温度保持高度稳定。 

综上所述仅为本实用新型较佳的实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本实用新型的技术范畴。 

Claims (7)

1.一种显微镜用活细胞培养环境控制系统，其特征在于：包括上位计算机、控制器、培养箱和一体化执行器；所述的上位计算机与控制器双向连接；所述的控制器包含多点温度控制器、CO₂浓度控制器、功率控制器；所述的培养箱箱体在中间部位留有显微镜安装位置，形成了马鞍形结构，该结构由左右顶板、左右面板、左右背板、左右底板、左右侧板组成，其中左侧板上安装有出风微流风扇，右侧板为多孔通风板，与一体化执行器连接；培养箱内部的左右隔板和显微镜载物台在一个平面上，将箱体分隔成上下层；所述的一体化执行器安装在培养箱箱体右侧面，内部由隔板隔成上下两层舱体，与培养箱上下层相配合，形成上下层各自独立工作的层流送风结构。

2.根据权利要求1所述的一种显微镜用活细胞培养环境控制系统，其特征在于：所述的培养箱的左右顶板分别位于显微镜载物台上方、聚光镜转盘下方，左右顶板能够向两侧打开和闭合，左右顶板的中间区域分别开有半圆孔，与聚光镜镜身相匹配。

3.根据权利要求1所述的一种显微镜用活细胞培养环境控制系统，其特征在于：所述的培养箱箱体内部安装有多个温度检测探头和一个CO₂检测探头，温度检测探头分别安装在载物台上方、下方和左右底板上，CO₂浓度探头安装在载物台上方，各温度检测探头的输出连接至多点温度控制器，CO₂浓度探头输出连接至CO₂浓度控制器。

4.根据权利要求1所述的一种显微镜用活细胞培养环境控制系统，其特征在于：所述的培养箱左右底板均采用RTO导电玻璃材质。

5.根据权利要求1所述的一种显微镜用活细胞培养环境控制系统，其特征在于：所述的控制器内部的多点温度控制器采用高速高精度控制器，温度采样速度大于10次/秒，控制分辨率达到0.01℃，以保证温度的精准。

6.根据权利要求1所述的一种显微镜用活细胞培养环境控制系统，其特征在于：所述的控制器内部的功率控制器用于控制一体化执行器上下层的温控执行器和出风微流风扇的运行功率；

7.根据权利要求1所述的一种显微镜用活细胞培养环境控制系统，其特征在于：所述一体化执行器上层舱体设有一个温控执行器、一个加湿器和一个CO₂进气口，下层舱体仅设有另一个温控执行器。