CN210122564U - 一种应用于藻类分析的自动化取样装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及微生物的培养和分析技术领域，公开了一种应用于藻类分析的自动化取样装置，该自动化取样装置包括探针式取样模块，探针式取样模块包括位移平台，在位移平台上设置有与水平相垂直的螺杆式导轨，以及沿着螺杆式导轨移动的第一步进电机，第一步进电机与探针相连接，且探针置于螺杆式导轨的内部。藻类培养及测试系统中采用了该装置可以实现2个样/min的自动取样，节约了时间和人力成本，提高了测试结果的精度及稳定性。

Description

一种应用于藻类分析的自动化取样装置

技术领域

本实用新型涉及微生物的培养和分析技术领域，具体涉及一种应用于藻类分析的自动化取样装置。

背景技术

藻类的培养测试是藻类学研究及应用中必不可少的一环，在藻类生物能源，生态毒理学，水体富营养化，水体浮游生物群落结构等众多领域的研究中，一般通过设置正常对照组与处理组，例如，通过添加重金属等有毒有害成分；添加高含N、P量的污水；添加不同剂量营养盐；添加不同藻种；添加不同浮游生物等，比较两组藻细胞的生长情况，测定藻生物量、油脂色素含量、光合效率、培养液成分等重要评价指标，为研究结论提供数据支撑。

目前，普遍通用的藻类培养方法是以锥形瓶或者柱状光生物反应器做为培养容器，借助人工调控光照、温度、pH等关键参数，实现藻类培养。取样时，需人工于无菌操作台内操作，以降低感染细菌的可能性。测样时，例如一些关键参数：细胞数、干重、总有机物浓度、吸光度等等，多通过人工手动方式，结合显微镜、烘箱、天平、TOC分析仪、分光光度仪等仪器进行测定。因此，无法避免的不足：如操作人员专业要求度高；耗时费力；结果常因人而异，即稳定性不佳等；限制了目前复杂多样的实验设计发展，越来越难以满足藻类细胞的科研需求。

CN 107779395A虽然公开了一种高通量藻类生长测试装置及方法，但其实质上还是先人工手动将样品取出，再将经过一系列例如稀释、过滤等操作，结合显微镜、天平、TOC分析仪、分光光度仪等仪器进行细胞数、总有机物浓度、吸光度等测定。该发明虽解决了以往反应器通量低的问题，实现了至多1200组/m³反应培养瓶的高通量设置，但是只能做到高通量培养，无法高通量取样，或随后的细胞浓度计数、或水质指标的检测，人工操作大大限制了其高通量性能的发挥，其耗时费力的特点很难满足于对时效性要求较高的实验。

除了上述传统的培养方法，近年一些新型光生物反应器也被应用于藻类生物技术研究领域。

CN101597567B公开了一种光生物反应器，旨在提供一整套制作简单、拆卸方便、高效率培养藻类的解决方案。该光生物反应器包括缓冲/收集系统、检测装置、反应区域以及气体交换装置，所述缓冲/收集系统为锥形底部的透明圆桶，连接两条管路分别用于循环培养和藻体收集，检测装置从缓冲/收集系统上部接入；所述反应区域由多根圆型透明光反应管构成，气体交换装置接于反应区域内部。

CN102453674B公开了一种光生物反应器系统，包括：光生物反应器；以及反光装置，所述反光装置构造成向所述光生物反应器反射太阳光。根据该光生物反应器系统，能够增加光生物反应器的受光面积和受光强度，从而提高光生物反应器内光合生物对太阳光的利用效率。

CN104492358B公开了一种光催化反应器，由光源系统，反应系统，采样系统和控制系统组成。其特点是所述的光源系统的光源可以根据实验需要选择紫外光、可见光或者自然光；光源系统产生的竖直方向的光源可被分光镜反射均匀地分成复数道水平的光，照射到不同的反应器；所述的反应系统由复数个相同但彼此独立的反应器组成，在外接循环液的作用下控制着各反应器的温度。

这些新型的反应器偏向性各不相同，有的侧重于培养条件的灵活控制，如灵活选择光源，可输入各种气源及不同的曝气方式，可控制环境温度等；有的侧重于光的高效利用，通过设置反光装置，提高反应器的受光面积和受光强度；有的侧重于反应器封闭性，以提供一个无菌的培养环境。有的则设计为更利于培养物的收获，等等。

这些新型的光催化、光生物反应器优势明显，对于研究藻类生长、反应很有帮助，也越来越多的被用于藻类生物的研究领域。但是这些光生物反应器并没有体现出自动化取样的重要性，普遍需要人工进行取样分析操作。

综上，随着藻类生物技术的快速发展，藻类培养测试在生态毒理学，水体富营养化，藻类生物能源等多个领域的应用更加广泛，人工手动操作的反应器会大大增加研究的时间成本，阻碍了藻类生物技术的快速发展。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术中传统藻类生长测试中对人力的高度依赖，耗时费力，稳定性不佳，以及难以满足藻类细胞的科研需求的问题，以及藻类样品彼此之间的交叉影响的缺陷，而提供一种应用于藻类分析的自动化取样装置。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种应用于藻类分析的自动化取样装置，其中，所述自动化取样装置与藻类分析系统中的藻类培养装置相连接，所述自动化取样装置包括探针式取样模块，所述探针式取样模块包括位移平台，在所述位移平台上设置有与水平相垂直的螺杆式导轨，以及沿着所述螺杆式导轨移动的第一步进电机，所述第一步进电机与探针相连接，且所述探针置于所述螺杆式导轨的内部。

优选地，所述位移平台与水平相垂直设置。

优选地，所述探针与水平相垂直设置。

优选地，在所述位移平台还设置有进样泵。

优选地，所述进样泵通过软管与所述探针相连接。

优选地，所述进样泵上设置有单向阀。

优选地，所述探针式取样模块还包括定位皮带以及与其平行配置的上支撑杆和下支撑杆。

优选地，所述定位皮带设置于所述上支撑杆和所述下支撑杆之间。

优选地，所述定位皮带、所述上支撑杆和所述下支撑杆平行地固定在至少两个固定杆上。

优选地，所述定位皮带通过皮带轮固定在所述固定杆上。

优选地，所述定位皮带为带有齿槽结构的皮带。

优选地，所述探针式取样模块还包括第二步进电机。

优选地，所述第二步进电机通过齿轮与所述定位皮带相连接，且所述齿轮与所述定位皮带上的齿槽结构相啮合。

通过上述技术方案，本实用新型提供的应用于藻类分析的自动化取样装置能够实现2个样/min的全自动取样，节约了时间和人力成本，提高了测试结果的精度及稳定性。为快速藻种资源评价、藻类生理生化研究、次生代谢产物及代谢调控研究提供一个自动化的取样工具。

附图说明

图1是自动化取样装置B的结构示意图。

附图标记说明

1-位移平台 2-螺杆式导轨

3-第一步进电机 4-探针

5-进样泵 6-软管

7-单向阀 8-第二步进电机

9-皮带轮

I-上支撑杆

II-下支撑杆

III-定位皮带

具体实施方式

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

在本实用新型提供了应用于藻类分析的自动化取样装置，其中，所述自动化取样装置与藻类分析系统中的藻类培养装置相连接，所述自动化取样装置B包括探针式取样模块，所述探针式取样模块包括位移平台1，在所述位移平台1上设置有与水平相垂直的螺杆式导轨2，以及沿着所述螺杆式导轨2移动的第一步进电机3，所述第一步进电机3与探针4相连接，且所述探针4置于所述螺杆式导轨2的内部。

根据本实用新型，第一步进电机3通过相应的驱动器驱动，驱动器每收到一个脉冲波，可转动一个小角度，第一步进电机3的旋转方向由给定的方向信号确定，通过控制器发出的一定方向的脉冲波数目的多少，来控制第一步进电机3带动探针4在螺杆式导轨2上移动的距离，具体地，包括在水平、前后以及垂直方向上移动的距离。

根据本实用新型，第一步进电机3带动探针4在螺杆式导轨2上移动的速度可以为：X(水平)位移移动速度：0-50cm/s；Z(垂直)位移：0-5cm/s；Y(前后)位移：0-5cm/s；在本实用新型中，第一步进电机3的电机型号可以是购自雷赛科技，型号：110HS28。

根据本实用新型，所述位移平台1可以与水平相垂直设置；优选地，所述探针4可以与水平相垂直设置，以便于所述探针4取样。

根据本实用新型，在所述位移平台1上还设置有进样泵5；优选地，所述进样泵5通过软管6与所述探针4相连接；更优选地，所述进样泵5上设置有单向阀7。在本实用新型中，所述进样泵5可以为柱塞泵、蠕动泵和真空泵中的任意一种。

根据本实用新型，所述探针式取样模块还包括定位皮带III以及与其平行配置的上支撑杆I和下支撑杆II；优选地，所述定位皮带III设置于所述上支撑杆I和所述下支撑杆II之间；更优选地，所述定位皮带III、所述上支撑杆I和所述下支撑杆II平行地固定在至少两个固定杆上。

根据本实用新型，所述定位皮带III通过皮带轮9固定在所述固定杆上；优选地，所述定位皮带III为带有齿槽结构的皮带。

根据本实用新型，所述探针式取样模块还包括第二步进电机8；优选地，所述第二步进电机8通过齿轮与所述位移平台1相连接，且所述齿轮与所述定位皮带III上的齿槽结构相啮合。第二步进电机8移动的速度可以为：X(水平)位移移动速度：0-50cm/s；Z(垂直)位移：0-5cm/s；Y(前后)位移：0-5cm/s；在本实用新型中，第二步进电机8的电机型号可以是购自雷赛科技，型号：110HS28。

根据本实用新型，所述藻类培养装置(未标出)包括光生物反应器阵列，以及光源、供气及营养盐调节系统；所述光源、供气及营养盐调节系统上设置有CO₂流路控制系统。

根据本实用新型，第二步进电机8通过相应的驱动器驱动，驱动器每收到一个脉冲波，可转动一个小角度，第二步进电机8的旋转方向由给定的方向信号确定。通过控制器发出的一定方向的脉冲波数目的多少，来控制第二步进电机8带动位移平台1在定位皮带III上移动的距离，进而带动了探针4移动。

根据本实用新型，第二步进电机8带动位移平台1在定位皮带III上移动的距离，进而带动了探针4移动。

根据本实用新型，探针4的前端有锐利的切口，可刺破堵塞在光生物反应器阵列上面的橡胶塞，从而伸入光生物反应器阵列的内部。

根据本实用新型，pH检测模块中包括pH监测计，pH监测计可以采用高精度的气体流量计，测量范围可以为0-10L/min，另外，在本实用新型中，pH监测计可以为梅特勒品牌。

根据本实用新型，所述光源、供气及营养盐调节系统中的光源可以采用波长和强度均可调节的LED光源，拟从光质(白光、红光和蓝光)、LED灯珠面积、单个灯珠的功率、灯珠排列方式、以及外部漫反射均光板配置上优化光源设计，为光生物反应器阵列提供光质、强度可调的均匀的LED光源。

根据本实用新型，所述藻类培养装置还包括清洗流通池及管路，其与留置式取样方式(取样导管一直留置在样品内)相比，不会造成留置式取样中导管中始终会残留一部分样品的现象，因而可以降低取样体积，避免取样导管的生物污染而影响测试的精确度。

根据本实用新型，为了实现自动取样，所述光生物反应器阵列与所述探针4相连接，以及为了实现自动取样为探针4的针头留出足够的取样空间，所述光生物反应器阵列上的密封盖拟采用特制橡胶塞，并且使所述光生物反应器阵列的采样面积不小于0.5cm×0.5cm(长×宽)，在本实用新型中，所述光生物反应器阵列的采样面积只要大于0.5cm×0.5cm(长×宽)即可，例如，可以为0.5cm×0.5cm、0.51cm×0.5cm、0.52cm×0.5cm、0.55cm×0.5cm、0.58cm×0.5cm、0.6cm×0.5cm、0.5cm×0.6cm、0.6cm×0.6cm、0.65cm×0.65cm、0.7cm×0.7cm、0.8cm×0.8cm、0.9cm×0.9cm、1.0cm×1.0cm。

根据本实用新型，所述光生物反应器阵列上的密封盖还将预留纳米级孔径细菌过滤膜封口，保证培养瓶内正常大气压的同时阻止细菌等异源生物的污染。

根据本实用新型，该藻类生长的自动化测试装置是一个小型的藻类培养体系，其取样分析部件所占空间有限，对取样模块的设计要求结构精细、紧凑。为此，需要在设计上充分利用取样空间的同时，还将通过采用精细的部件及步进电机，形成紧凑型取样系统；在本实用新型中，为了防止位移平台移动位置的偏差过大，进而导致取样和检测分析的失败，该步进电机能够精确控制位移，并精确控制脉冲频率防止因频率过高而造成电机虚转。

根据本实用新型，藻类培养装置未在图中示出。

根据本实用新型，如图1自动化取样装置B的结构示意图可知，藻类培养及测试系统中的自动化取样方法可以包括以下步骤：

(H1)在藻类培养装置(未标出)中的光生物反应器阵列中培养不同的藻类；

(H2)通过第一步进电机3带动探针4在螺杆式导轨2在水平、前后以及垂直方向移动，第二步进电机8通过齿轮与定位皮带III上的齿槽结构相啮合，带动位移平台1在定位皮带III上移动，进而带动了探针4的移动，实现探针4的精准定位；

(H3)通过控制进样泵5上的单向阀7，通过软管6实现取样，取样后，进样泵5空转，可将所取液体全部排入下一个元件，实现精确取样；

(H4)将自动取得的样品输送到所述分析检测装置(未标出)并进行检测。

根据本实用新型，该藻类培养及测试系统中的自动化取样方法还包括将取得的样品进行进一步的后续测试。

根据本实用新型，采用本实用新型的方法，具有以下优势：

(1)高度自动化取样技术：通过本实用新型的应用于藻类分析的自动化取样装置，能够使采用该装置的藻类培养及测试系统中的自动化取样方法在培养条件下取样快速、定位精确、运行稳定，实现取样器取样频率最大可达2个样/min，取样体积范围为100μL-100mL，精度为100μL-100mL，摆脱了传统藻类生长测试中取样过程对人力高度依赖的缺陷；另外，无论是否是高通量藻类培养系统，还是单独的培养系统，该自动化取样装置均适合。

(2)自动化流路清洗技术：为避免藻样间的交叉影响，保证取样结果的准确性。每次取样后，可设定1～2次的清洗过程，通过将探针深入纯水瓶，吸取纯水来清洗流道和各个元件。自动取样器使用一段时间，管路及元件中可能会出现一些难以被纯水冲洗掉又影响结果的顽固污渍，这时可通过吸入一定量的清洗液对流道及元件进行清洗。

以下将通过实施例对本实用新型进行详细描述。

实施例1

本实施例在于说明采用本实用新型的藻类培养及测试系统中的自动化取样装置进行自动化测试的方法。

结合图1，该方法在本实用新型的应用于藻类分析的自动化取样装置，具体地：

(H1)通过第一步进电机3带动探针4在螺杆式导轨2上以5mm/min在水平、前后以及垂直方向移动，第二步进电机8通过齿轮与定位皮带III上的齿槽结构相啮合，带动位移平台1在定位皮带III上以5mm/min在水平、前后以及垂直方向移动，进而带动了探针4移动的距离，实现探针4的精准定位；

(H2)通过控制进样泵5上的单向阀7，通过软管6实现取样，取样后，进样泵5空转，可将所取液体全部排入下一个元件，实现精确取样；

(H3)每次取样后，将探针4通过清洗流通池及管路14吸取去离子水进行清洗3次；

(H4)将自动取得的样品输送到所述分析检测装置(未标出)并进行检测。

其中，光生物反应器阵列的采样面积为0.5cm×0.5cm；

其中，光生物反应器阵列的层数为4层，每层包括25个反应器单元。

结果能够实现取样器自动取样频率达2个样/min，取样体积为80mL，取样精度为100μL。

实施例2

按照与实施例1相同的装置进行藻类培养及测试系统中的自动化取样方法，所不同之处在于：第一步进电机3带动探针4在螺杆式导轨2上以4mm/min在水平、前后以及垂直方向移动，第二步进电机8通过齿轮与定位皮带III上的齿槽结构相啮合，带动位移平台1在定位皮带III上以4mm/min在水平、前后以及垂直方向移动。

结果能够实现取样器自动取样频率达2个样/min，取样体积为100mL，取样精度为105μL。

实施例3

按照与实施例1相同的装置进行藻类培养及测试系统中的自动化取样方法，所不同之处在于：第一步进电机3带动探针4在螺杆式导轨2上以3mm/min在水平、前后以及垂直方向移动，第二步进电机8通过齿轮与定位皮带III上的齿槽结构相啮合，带动位移平台1在定位皮带III上以3mm/min在水平、前后以及垂直方向移动。

结果能够实现取样器自动取样频率达2个样/min，取样体积为90mL，取样精度为100μL。

实施例4

按照与实施例1相同的装置进行藻类培养及测试系统中的自动化取样方法，所不同之处在于：光生物反应器阵列的采样面积为0.6cm×0.6cm。

结果能够实现取样器自动取样频率达2个样/min，取样体积为100mL，取样精度为100μL。

实施例5

按照与实施例1相同的装置进行藻类培养及测试系统中的自动化取样方法，所不同之处在于：光生物反应器阵列的层数为4层，每层包括30个反应器单元。

结果能够实现取样器自动取样频率达2个样/min，取样体积为100mL，取样精度为100μL。

对比例1

按照CN 107779395A中公开的高通量藻类生长测试装置以及方法进行测试。

结果不能够实现取样器自动取样，耗时费力，取样精度差。

对比例2

按照与实施例1相同的装置进行藻类培养及测试系统中的自动化取样方法，所不同之处在于：第一步进电机3带动探针4在螺杆式导轨2上以以6mm/min在水平、前后以及垂直方向移动，第二步进电机8通过齿轮与定位皮带III上的齿槽结构相啮合，带动位移平台1在定位皮带III上以7mm/min在水平、前后以及垂直方向移动。

结果虽然能够实现取样器自动取样频率达100个/h，但是，取样精度低于100μL。

对比例3

按照与实施例1相同的装置进行藻类培养及测试系统中的自动化取样方法，所不同之处在于：光生物反应器阵列的采样面积为0.45cm×0.45cm。

结果不能够实现取样器自动取样频率达100个/h，取样精度低于100μL。

对比例4

按照与实施例1相同的装置进行藻类培养及测试系统中的自动化取样方法，所不同之处在于：没有采用本实用新型的光生物反应器阵列，而是采用平面式光生物反应器。

结果不能够实现取样器自动取样频率达100个/h，取样精度低于100μL。

对比例5

按照与实施例1相同的装置进行藻类培养及测试系统中的自动化测试方法，所不同之处在于：每次取样后，将探针4没有通过清洗流通池及管路14吸取去离子水进行清洗。

结果虽然能够实现取样器自动取样频率达100个/h，但是，取样精度低于100μL。

通过实施例1-5和对比例1-5可以看出，采用本实用新型的装置能够实现取样器自动取样频率最大可达2个/min，取样体积范围为100μL-100mL，精度为100μL-100mL，摆脱了藻类生长测试过程中对人力的高度依赖，增加了取样的精度及稳定性。

以上详细描述了本实用新型的具体实施方式，但是，本实用新型并不限于此。在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本实用新型所公开的内容，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种应用于藻类分析的自动化取样装置，其特征在于，所述自动化取样装置B与藻类分析系统中的藻类培养装置相连接，其中，所述自动化取样装置B包括探针式取样模块，所述探针式取样模块包括位移平台(1)，在所述位移平台(1)上设置有与水平相垂直的螺杆式导轨(2)，以及沿着所述螺杆式导轨(2)移动的第一步进电机(3)，所述第一步进电机(3)与探针(4)相连接，且所述探针(4)置于所述螺杆式导轨(2)的内部。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述位移平台(1)与水平相垂直设置。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探针(4)与水平相垂直设置。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，在所述位移平台(1)还设置有进样泵(5)；所述进样泵(5)通过软管(6)与所述探针(4)相连接；所述进样泵(5)上设置有单向阀(7)。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探针式取样模块还包括定位皮带(III)以及与其平行配置的上支撑杆(I)和下支撑杆(II)；

其中，所述定位皮带(III)设置于所述上支撑杆(I)和所述下支撑杆(II)之间。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述定位皮带(III)、所述上支撑杆(I)和所述下支撑杆(II)平行地固定在至少两个固定杆上。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述定位皮带(III)通过皮带轮(9)固定在所述固定杆上。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述定位皮带(III)为带有齿槽结构的皮带。

9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述探针式取样模块还包括第二步进电机(8)。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第二步进电机(8)通过齿轮与所述位移平台(1)相连接，且所述齿轮与所述定位皮带(III)上的齿槽结构相啮合。

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