CN210528936U - 多通道光路装置及微生物高通量培养和检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及实验室微生物研究领域，公开了一种多通道光路装置及用于微生物高通量培养和检测装置，包括高通量检测微生物样品浓度的多通道光路装置、改进的振摇装置以及适用于多通道光路装置的复合微孔板。该检测装置使用分光器和前向散射光路结合的方式来错时检测微孔板上每个孔内样品的浓度，避免了普通多通道检测探头同时对多个样品检测时相邻孔信号相互干扰的缺点。所述光路的工作由分光器、红外光发射电路和红外光接收电路的协调控制构成，红外光发射电路采用专用的恒流源芯片控制，既能保证红外发光二极管的使用安全和使用寿命，同时也能保证发射的红外光功率稳定。

Description

多通道光路装置及微生物高通量培养和检测装置

技术领域：

本技术属于实验室微生物研究领域，涉及一种能高通量培养微生物并实时检测微生物浓度的自动化装置或仪器，包括高通量检测微生物样品浓度的多通道光路装置、改进的振摇装置以及适用于多通道光路装置或自动化装置的复合微孔板。

背景技术

生物技术产品中除了占比最大的生物制药外，在工业市场上，精细化学品和生物燃料也占据了重要的地位。越来越多的工业应用和产品都涉及或源于生物催化反应。这些新兴产品大多数都是在微生物或细胞培养发酵中产生。此外，基因工程中涌现的各种新的研究工具被用来操纵细胞以产生新的生物分子。定向进化、系统生物学和合成生物学领域为自下而上设计新颖并具有更高生产效率的生物过程铺平了道路。在微生物或细胞中设计新的代谢途径使得更有竞争力的生物过程能取代或改进化学生产过程。化学和制药行业受到市场竞争的压力，各个公司都在以尽可能快的速度开发新产品，以缩短产品上市时间，而且新制药的专利有效期也限迫使这些公司在市场早期推出新产品以获取更大的市场回报。加快开发这些生物过程的速度需要非常快速、高效的工具，新的研究工具也成为促进生物过程研发的必要条件。

生物技术的这些要求催生了高通量筛选(HTS)技术的出现。发明于1951年的微孔板 (或微量滴定板，MTPs)最开始主要用于满足制药，化学和基础研究中高通量的需求。通过在同一面积上集中更多样品孔，微孔板的通量不断增加，从6、12、24、48、96、384、 1536演变为3456个孔。现在微孔板已经成为药物发现高通量实验的标准工具之一。

由于其具有使用成本低，操作简单，通量高，能和大多数自动化设备兼容的特点，在过去的十多年，各种微孔板(24-384孔)在培养微生物中的应用也越来越普遍，和三角瓶一样，如今微孔板在科研和工业生物过程开发中已经成为了最常用的生物反应器。

微孔板中进行微生物培养的明显缺点是其有限的最大氧转移能力(OTR_max)。因此，微孔板用于微生物培养和保存初期主要限于建立大肠杆菌和酵母的克隆文库。由于大肠杆菌和大多数酵母可以在厌氧或低氧条件下生长，所以氧气供应不足通常对培养效果没有太大影响。然而，需氧菌培养过程中，在微孔板中就会出现生长不良的情况。如果高通量筛选(HTS) 或菌株开发过程目的在筛选用于需氧发酵的生产菌株，则必须为筛选的微生物提供足够的溶氧。否则，筛选菌株会失败，即便筛选成功，后期在氧气供应充足的发酵罐中扩大培养以获得更多的产物时也可能会无效。

近年来，随着对动态微孔板的生物工程参数表征方面进行的深入研究，发现影响微孔内气液氧传递速度的决定因素在于是否能在孔内壁上形成面积足够大的液膜。随着微孔横切面积的减小，表面张力会对微孔板中流体的流动施加越来越大的抵抗力，加上毛细管力的叠加，更阻碍了分子的自由扩散和强制流动。从而不能形成较大面积的液膜，进而导致在比较大的振幅和常见振摇频率下气液氧传递速度很低。所以，要达到同样的气液氧传递效果，在相同振摇半径的条件下，对于96、384和1536孔板，相比于传统的三角瓶或培养瓶则需要更高的振摇速度。

发明人发现在高速圆周振摇条件下，液体在48孔微孔板的圆弧形壁上形成薄膜时，传质系数(k_L)能高达0.8m/h，明显优于96孔板或三角瓶。因此，48孔板可以作为微生物培养和表达研究的有力工具，兼具96孔板高通量和传统振摇三角瓶较高的气液氧传递速度的优点。

实现培养容器的圆周振摇的现有技术中，在实验室中常用的是水平圆周摇床培养箱，该具有(1)三点摇动系统，其由三个轴承组成，三个轴承在振摇台下方的三角形中，其中一个轴由电机驱动，或者(2)中央驱动器，结合四边形支撑振摇平台。在这两种情况下，内部配重直接放置在摇床平台下方，使得在振摇过程中转轴在水平面方向上达到完全或部分平衡，避免箱体剧烈晃动。由于传统的多数摇床培养箱或微孔板振摇器的驱动装置都位于紧挨振摇平台正下方的位置，没有给移动探头来回移动的空间，因此这种驱动系统或配重的存在，在振摇平台下方没有太大的空间可予以利用。而且大多只有一个轴由电机驱动，其它轴跟随振摇平台被动转动。当使用常见的振摇频率运行时，机械部分受到多余的压力而易磨损，特别是在较高的转速下，这种磨损会缩短振摇装置的使用寿命。微生物高通量培养时，如果需要实时监测它们的生长情况或提供特殊的培养条件(如提供均匀的光照)，需要将装置和/ 或照明装置放置在平台下方，普通摇床则不具备足够的空间。因此，现有的圆周振摇装置只能适应微生物高通量培养的需求，无法同时实现实时测量微生物的浓度的需求。

此外，在实时测量微生物的浓度的现有技术中，常见的研究方法是使用酶标仪或类似酶标仪原理的微孔板检测仪。该方法通过测量普通微孔板内透射光和前向散射光强度来检测光密度，光密度和样品浓度在一定范围内成比例变化。但是由于普通酶标仪的振摇方式基本上是低速的线性振摇，振摇强度温和、频率低，只能达到简单混合样品的目的，并不能使孔内达到较高的气液氧传递速度。而且普通微孔板由上盖和孔板组成，使用微孔板培养微生物时，如果盖紧上盖，不能使孔内微生物得到充足的氧气，会影响好氧微生物生长效果；如果不盖紧上盖，孔内的液体会蒸发，而且外侧孔和内侧孔的液体蒸发速度和氧气交换速度不一样，导致培养结果存在明显的边缘效应。虽然使用疏水透气膜覆盖微孔板可以防止液体蒸发，同时保证气体交换，但现有的疏水透气膜透光率差，将影响光路穿过待测样品，从而影响检测效果。

中国专利申请201080009279，发明名称“分析生物样品的设备”公开了一种使用前向和后向散射光法测量微孔板中菌悬液浓度的技术，该发明适用于微孔板中菌悬液浓度的定性测量，从而实现快速和高通量检测样品中是否存在细菌，并完成分型或抗菌检验。由于该发明存在和酶标仪类似的缺点，因此该发明只能用于培养物的定性检测，即用于医药诊断用途，并不适合好氧微生物的高质量培养。

中国发明专利申请201310246480、“非接触式多通道在线检测发酵液的摇床装置及测试方法”公开了利用分光光度计原理实现多通道实时检测培养菌液的装置，该装置通过检测透射特制三角瓶液柱的光密度来实现多个培养容器实时检测微生物的生长情况。然而，该方法需要在每个培养容器两侧设置激光发射器和接收器，并且培养容器明显不同于微孔板的培养环境，无法实现高通量微孔板培养和实时检测的目的。

中国专利申请201510551900、发明名称“一种用于摇瓶培养的非侵入式生物量在线检测装置”，该装置采用后向散射光测量技术实现摇瓶培养菌液浓度的在线检测，可在不中断培养设备的情况下，对摇瓶内菌悬液的浓度进行检测。但是当样品浓度浓度较小或培养容器较小时，易受到容器壁反射光的干扰，只适合容积较大的三角瓶，不适合用于微孔板的检测，而且如果每一个容器都需加装一个检测装置，这对于微孔板来说，即增加了设备成本、增大了系统误差、在实施上也有很大难度。

中国专利申请201610341529、发明名称“一种用于微生物高通量培养及其大浓度范围实时检测的自动化仪器”，该装置采用透射和后向散射光路，构成一个双检测器的复合光路，结合转盘转动来达到单个检测探头检测多个样品的目的。但该装置很难将检测通量扩展到一百个以上，而且改装置适用的培养容器是单个的玻璃瓶，对于检测通量超过一百个的实验，操作起来远不如微孔板方便。

本发明人在先授权中国发明专利201610341529.9、发明名称“一种用于微生物高通量培养及其大浓度范围实时检测的自动化仪器”公开了一种将透射光路和后向散光路结合在一起，二者共用一个光源(发光二极管)来完成实时检测微生物培养浓度的检测探头。此外，该发明还公开了包含该检测探头的微生物高通量培养仪器，包含高通量液体搅拌装置、样品瓶托盘传动装置、温度控制装置等。该发明能实现微生物的高通量培养和实时检测浓度的目的，但该发明的检测探头主要是综合透射光和后向散射光的检测优势，同时通过改进液体培养基的搅拌装置(含传动装置)和温度控制以及浓度检测探头的结合方式，并不能提供如何实现圆周振摇和保证培养基充足的溶氧的解决方案。此外，该发明主要针对容量在10-50毫升的培养瓶，并不适合容量在几百微升到几毫升的微孔板中液体气体交换和防止蒸发的需要。

综上，现有技术中，在进行微生物培养时，由于大多数微生物在代谢过程中需要消耗氧气，排出二氧化碳等气体产物，不停的振摇培养液可以加快培养液中的气体交换，使微生物获得更多氧气，使营养物质均匀分布，也能使微生物一直呈悬浮状态，从而让微生物处于比较适宜的生长环境中。传统方法是将试管、三角瓶等较大容量的培养容器放在振摇培养箱里，但是由于培养容器一直处于振摇状态，不容易与浓度检测探头整合，更不容易达到同时检测上百个样品的高通量要求。而且在使用振摇培养箱里使用三角瓶培养好氧微生物时，即便培养基的添加量只有五分之一，培养基的最大氧转移能力也有限，培养基中的溶氧不能满足部分好氧微生物的生长。如果使用微孔板取代较大容量的培养容器进行高通量微生物培养，那么现有的圆周振摇装置或是不能实现高效圆周振摇，同时内部和底部缺少容纳检测装置和照明装置的空间。同时，现有检测装置，还需要考虑微孔板中样品液体的气体交换和防止液体蒸发，同时还要保证微孔板中检测光路不受遮挡或干扰。同时，对于高通量、小型化的培养，应该力求单个或单列浓度检测探头对大量样品进行检测，尽量减少检测探头数量，并实现整个检测过程的自动化。

由此可见，无论是使用酶标仪或类似酶标仪的方法，还是现有的实时在线检测方法，都无法满足使用微孔板进行高通量培养和实时在线浓度测量的目的。

发明内容：

因此，本发明所要解决的问题在于：对于高通量微生物培养和实时检测微生物浓度的仪器，最好能实现单个或单列检测探头对多个或多列样品进行检测，实现整个检测过程的自动化和高通量，并且尽量增加培养基的最大氧转移能力值，从而避免现有技术存在的缺陷。

因此，本发明的目的是要克服现有设备的不足之处，提供一种全自动、高准确性、高通量、直观化的微生物高通量培养及其浓度实时检测的自动化仪器。

为了实现上述技术目的，本发明在传统透射光或前向散射光检测法的基础上，加入微孔板的高速振摇装置以及多通道浓度检测探头，使用更适合微生物培养的高透气高透光的深孔板。

因此，本发明原理之一在于，本发明在传统酶标仪检测光路的基础上，增加光路选择器，使得各个光路独立错时检测，避免因同时检测时相邻光路的信号干扰。同时，增大检测端和接收端距离以适应具有更高尺寸的微孔板或更大光程的样品。

本发明原理之二在于，在传统偏心振摇的技术上，发明了偏心度更小，振摇速度更高的技术，结合检测探头水平线性导轨，实现了各个样品在均一振摇条件下的高通量培养和单一检测探头对多列样品的自动检测。

本发明原理之三在于，为了保证微孔板内液相和气相之间较高的氧转移能力，更有利于好氧微生物的生长以及产物的表达，避免普通微孔板盖导致的边缘效应，发明了适合微孔板的透气透光上盖。该上盖由金属盖、疏水透气膜、透光板和硅胶垫组成。结合半导体温控和微孔板透气透光上盖等技术以及数据采集、分析、输出软件，实现了微生物高通量培养、浓度实时检测和数据分析的全自动化。

因此，本发明的第一个目的是提供一种能同时检测高通量微生物样品浓度的多通道光路装置，该装置包括：发光二极管1和与其连通的第一光纤2，与第一光纤2连通的分光器3，与分光器3连通的多通道第二光纤4，以及浓度检测探头23，其中，

浓度检测探头23包括作为上臂的光纤固定座5和作为下臂的光电二极管固定座8，光纤固定座5连通上述多通道第二光纤4，光电二极管固定座8设有与多通道第二光纤4的光路对应的多通道光电二极管9，并且上臂和下臂分别对应设置在微孔板的垂直上、下方，彼此之间通过垂直与上下臂的连接件连接，从而形成水平方向的U形开口的浓度检测探头；

发光二极管1发出固定波长的光耦合进第一光纤2，经过分光器3后可以将光分配到指定的多通道(例如8-16根光纤)第二光纤4，从第二光纤4通道发射的多条光路垂直透过微孔板6的多个微孔中的液体培养基7中的样品，并通过浓度检测探头23检测透过样品的和被样品散射的前向散射光，并将光信号转化成电信号，再经电路将电信号转化成数字信号，整个过程即形成浓度检测光路，从而完成高通量微生物样品浓度的检测。

在上述任一的实施方案中，该检测探头23的上下臂分别固定8-16个通道的第二光纤4 和光电二极管9，优选是12个通道的第二光纤4和光电二极管9。

在上述任一的实施方案中，该检测探头23的上下臂间隔距离为20-50mm，其中优选是 40mm。

在上述任一的实施方案中，所述发光二极管1为峰值波长范围在600-1400nm的发光二极管，优选为850nm。

本发明第二个目的是提供一种微生物高通量培养和浓度实时检测的自动化装置，包括位于上部的前述多通道光路装置，中部的承载多个微孔板的振摇平台，下部的微孔板振摇装置，以及设在底部的检测探头移动装置，其中，

(1)振摇平台18设在浓度检测探头的U形开口之间，浓度检测探头可在振摇平台上的多个微孔板上方水平移动；

(2)与振摇平台18固定连接的微孔板振摇装置，包括底部的电机28，设在电机28上方的轴承固定板12，轴承固定板12上不对称设置三个偏心轴17，各个偏心轴17中段通过同步带11彼此相连，偏心轴17上段与振摇平台18固定连接，同步带11缠绕固定板上的电机转轴14上，当电机28驱动电机转轴14旋转时，转轴14带动同步带驱动多个偏心轴17 自转，从而带动上方振摇平台18高速圆周振摇，最终带动微孔板6高速圆周振摇；

(3)检测探头移动装置包括步进电机39控制的线性滑轨36，该滑轨与振摇平台18呈纵向水平分布，一端与步进电机39相连，另一端通过固定座固定座30与上方的浓度检测探头23的上臂或下壁连接，当步进电机39驱动滑轨移动时，可带动上方的浓度检测探头23的U型开口从振摇平台的微孔板的垂直上下方发生移动。

在一个实施方案中，所述微孔板振摇装置中，偏心轴17上设有同步轮11，并通过同步带11彼此相连；电机28通过法兰固定在电机固定板15上，电机固定板15固定在轴承固定板12，电机固定板15上设有电机转轴14，并与同步轮13固定连接，从而电机28通过同步轮13、同步带11与三个偏心轴17的同步轮11相连。

在一个优选实施方案中，三个偏心轴17下端固定下轴承22，下轴承22固定在轴承固定板上12，偏心轴17上端固定上轴承21，上轴承21固定到振摇平台18上，其中偏心轴上下两端的圆周运动的轴线呈间距1-3mm的两条平行线，同步带轮13和配重16固定在偏心轴17下端，配重16重心方向和偏心轴17偏离方向在水平方向正好相反，以抵消或部分抵消因为振摇平台偏心振摇形成的不平衡离心力；当电机28带动固定在电机转轴14上的同步轮13旋转，进而带动同步带11，进而带动固定在偏心轴17上的同步轮10旋转，进而带动偏心轴17旋转和偏心轴17上的配重16旋转。由于偏心轴17的上下两端有1-3mm的轴向偏心，所以偏心轴17上端会以1-3mm为半径做圆周旋转，进而带动振摇平台18以1-3mm 为半径做圆周振摇，最终实现微孔板6以1-3mm为半径做圆周振摇。

在另一实施方案中，在移动装置中，滑轨36侧面安装带凹槽的定位卡尺37，滑轨滑台上固定浓度检测探头23和用于将光信号转换为电信号的光电开关38，定位卡尺37和光电开关38配合用于定位浓度检测探头23检测时停留位置。

在上述任一的实施方案中，振摇平台18可放置2-8个微孔板，在振摇平台18上呈纵向 2×1、2×2、2×3、2×4排列，优选为2×2排列，所使用微孔板6为24孔(孔呈4×6排列)、48孔(孔呈6×8排列)和96孔(孔呈8×12排列)微孔板6，优选为48孔微孔板6。在上述任一的具体实施方案中，微孔板6高度为20-50mm，优选为40mm。

在上述任一的实施方案中，电机28转速为1000-3000转/分钟，优选为1500-2000转/ 分钟，以达到振摇装置的稳定性和微孔内最大氧转移能力的平衡。

在上述任一的实施方案中，定位卡尺37的凹槽数量为6-24个，优选为16个，每个凹槽边缘和微孔板6每列孔圆心对齐。

本发明第三个目的是提供一种适用于多通道光路装置或自动化装置的复合微孔板，包括微孔板、微孔板热盖25、微孔板透气盖，其中，

热盖25可覆盖一个或多个微孔板，其在微孔对应位置设有便于检测光路通过的热盖孔 42，热盖25能对微孔板透气盖进行加热；

微孔板透气盖从上到下依次包括金属顶盖44、疏水透气膜45、透光板46和硅胶垫47，其中金属顶盖44用于支撑、固定透气盖，疏水透气膜45允许微孔内外的气体交换，透光板 46便于检测光路通过热盖孔42而透过微孔中的液体样品，硅胶垫47用于密封微孔板各个独立的孔。

在一个实施方案中，热盖25内侧设有加热片41，并能和金属顶盖44紧贴，能对金属顶盖44进行加热，确保透光板46的温度比培养室内腔温度高1-2摄氏度，这样有利于长时间培养微生物时，避免微孔板内的水蒸气过度蒸发，同时避免在透光板46上形成水蒸气，影响检测结果。在一个具体实施方案中，所述热盖25边缘装有热盖转轴40和热盖锁扣孔 43，其中热盖转轴是使热盖能够旋转，便于取放微孔板，取放完微孔板后，盖上热盖，热盖锁扣可以将热盖固定住，避免高速振摇过程中热盖松动。

在另一实施方案中，所述透光板46完全覆盖微孔板上的微孔，其在微孔边缘端设置条形孔，该条形孔覆盖疏水透气膜45，使得微孔内外的气体通过疏水透气膜45和条形孔进行交换，同时防止水蒸气蒸发；覆盖微孔板的金属顶盖44和硅胶垫47在直径略小微孔的区域为中空结构，并在对应于透光板46的条形孔处设有孔，以避免封闭或遮挡透气膜上的气体交换通路，由此使得透光板46相对于微孔板上每个微孔中心3毫米半径的区域内在垂直方向上未被金属顶盖44、疏水透气膜45、硅胶垫47遮挡，便于光路无遮挡地穿过微孔中心，从而完成对微孔中液体培养基7的样品的光学检测。

在一个实施方案中，所述透光板46是高透光率的透光薄板，以减少光路穿过所带来的光路损失，优选是高透光率的玻璃板、水晶板、石英板、PC板或PET板等有机合成薄板。

在一个实施方案中，所述透气膜45为疏水性透气膜，以防止水蒸气凝集。在一个优选实施方案中，所述疏水透气膜45的孔径不超过0.45微米，便于氧气、二氧化碳等气体能自由透过，而防止水蒸气和微生物透过。

本发明第四个目的是提供一种用于微生物高通量培养和浓度实时检测的自动化复合装置，包括上述多通道光路装置、自动化装置、复合微孔板之外，还包括半导体温度控制装置和电脑控制软件，其中，

所述半导体温度控制装置包括帕尔贴半导体制冷片33、制冷头32、散热片34和两组散热风扇31和35，制冷头32位于培养室内腔内壁处，前端连接风扇32，半导体制冷片33位于制冷头32和散热片34之间，散热片34外侧连接风扇35。

在上述任一的实施方案中，在半导体温度控制装置可以将培养室内温度控制在10-60摄氏度，可以满足从嗜冷、常温和嗜温微生物的培养。内腔24壁上的温度探头26测量培养室内的温度并反馈给控制电路。

上述任一的实施方案中，其中微孔板振摇装置、浓度检测探头和半导体温度控制装置通过软件控制。该软件安装在电脑上，电脑通过RS232通讯线和仪器主机相连。软件上可以实现以下功能：

1)设置培养室内腔内的目标温度；

2)设置电机转速；

3)设置浓度检测探头检测间隔时间；

4)独立实时显示每个样品浓度对应时间的变化曲线，每个样品具有独立的显示窗口；

5)实时显示温度对应时间的变化曲线；

6)对多条浓度对应时间的变化曲线进行对比；

7)针对不同浓度单位，具有自动校准功能；

8)可对每个样品标注详细的样品信息；

9)针对每次检测的样品数量，可按样品放置位置选择相应的曲线显示窗口；

10)能自动根据样品信息对样品进行分组，并对平行样品的检测值进行平均；

11)检测结果输出功能，可以将检测结果输出成Excel表格，每个检测结果的数值、单位、时间和曲线图等信息都记录在表格里。

本发明第五个目的是提供一种微生物高通量培养和浓度实时检测的自动化复合检测仪，包括上述多通道光路装置、自动装置、复合微孔板、半导体温度控制装置、电脑控制软件之外，还包括受电脑软件控制的特定波长的发光二极管阵列，其中，

在振摇平台18的下方，安装发光二极管阵列光源50，并使用匀光板51使得光照强度在平台下方均匀分布，光照强度和时间可通过电脑程序设置。

在一个实施方案中，发光二极管阵列光源50根据需要可选择不同光源组合。在一个优选实施方案中，发光二极管阵列光源50可选择不同波长范围的发光二极管，以适合小型藻类、光合细菌的高通量培养和筛选；在另一个优选实施方案中，发光二极管阵列光源50按照每个孔对应两个波长范围在310-1550nm的发光二极管，可作为光遗传学研究工具；在其他优选实施方案中，发光二极管阵列光源50可选择周期性紫外线的发光二极管，可对微生物在基因组层面上探索紫外线辐射作为诱变剂的突变谱，研究紫外线辐射在加速进化过程中的作用。

本发明第六个目的是提供一种利用上述任一装置来进行微生物高通量培养和浓度实时检测的方法，步骤包括：

(1)温度控制：将接种有微生物样品的微孔板6盖上透气上盖放入振摇平台18，温度控制装置在10分钟内使培养室内腔24的温度维持在目标温度；

(2)振摇培养：通过电机28带动振摇平台18以1-3mm半径做高速圆周振摇，振摇平台18带动微孔板6高速振摇，从而使微生物在具有充足氧气的液体培养基中生长；

(3)浓度检测：步进电机39带动检测探头23从起点以预定的速度移动，依次停留在第一列、第二列、第三列微孔圆心位置，每停留一次，检测一列样品的浓度，直至检测完所有样品，步进电机39带动检测探头23回到起点。

(4)重复检测：以一定时间为间隔，依次不断重复步骤(3)，这样电机28、步进电机39和浓度检测探头23三者协同工作，在微生物培养过程中实时检测浓度变化，直至实验结束。

在上述任一的实施方案中，所述发光二极1管为峰值波长范围在600-1400nm的发光二极管，优选为850nm，微孔板6为24孔(孔呈4×6排列)、48孔(孔呈6×8排列)和96孔 (孔呈8×12排列)微孔板，优选为48孔微孔板。微孔板6高度为20-50mm，优选为40-45mm。

在上述任一的实施方案中，在测量微孔板6各个孔中菌悬液浓度时，发光二极管1发光，光通过光纤2(4)传输，透过微孔板6上盖进入菌悬液，部分光被菌悬液中微生物颗粒吸收或散射，未被吸收或前向散射的光进入光电二极管9，光电二极管9将接受到光信号转化成电信号。电路单片机根据检测到的信号大小，对照内置校准曲线，得出菌悬液浓度值。

在上述任一的具体实施方案中，电机28转速最快可达1000-3000转/分钟，优选为1500-2000转/分钟，以达到振摇装置的稳定性和微孔板6微孔内最大氧转移能力的平衡。

在上述任一的实施方案中，所述检测方法使用的发光二极管1峰值波长在为850nm，所述检测探头23检测的对应OD₆₀₀值范围是0-5OD₆₀₀，因此，本发明可以在0-5OD₆₀₀范围内得到准确的测量结果。

技术效果：

(1)本发明的浓度检测装置使用分光器和前向散射光路结合的方式来错时检测微孔板上每个孔内样品的浓度，避免了普通多通道检测探头同时对多个样品检测时相邻孔信号相互干扰的缺点。所述光路的工作由分光器、红外光发射电路和红外光接收电路的协调控制构成，红外光发射电路采用专用的恒流源芯片控制，既能保证红外发光二极管的使用安全和使用寿命，同时也能保证发射的红外光功率稳定。红外光发射电路有发光二极管保护功能，电源接反或者电流过大时，发光二极管都能得到有效保护。红外光接收电路采用高端运放芯片，搭建高倍数低噪声跨阻放大电路，将光信号转换为电信号。

(2)仪器中的高速振摇平台和步进电机协同工作，高速振摇液体，使得培养基具有较高的氧气传到速度，和浓度检测装置有机的结合，做到了全自动化，避免了传统方法的诸多缺点。

(3)仪器中的温度控制装置采用半导体控温方式，可以将培养室内温度控制在10-60摄氏度，可以满足从嗜冷、常温和嗜温微生物的培养。

(4)仪器中的微孔板内外气体交换装置使用金属盖、疏水透气膜、透光板和带孔硅胶垫组合，加上微孔板热盖装置，既能使微孔板内外的气体自由交换，为微生物生长提供充足的氧气，也能避免样品瓶内的液体过度蒸发或形成水蒸气影响检测结果。

(5)本自动化仪器使用多通道检测探头，结合高速振摇培养和半导体温度控制以及微孔板气体交换等技术以及数据采集、分析、输出软件，实现了微生物高通量培养、浓度实时检测和数据分析的全自动化。解决了目前微生物研究中高通量、实时浓度检测、微孔板中培养基氧气供应、大范围温度控制不能兼容的难题。大大减轻了操作人员的工作强度，为微生物基础研究和生物工程研究提供了一种非常高效的工具。

附图说明：

图1是多通道光路装置的示意图；

图2是微孔板振摇装置的示意图；

图3是振摇平台结构示意图；

图4是偏心轴结构示意图；

图5是含有振摇驱动装置的自动化装置的纵向结构示意图；

图6是含有振摇驱动装置及半导体温控装置的自动化复合装置的横向结构示意图；

图7是含有振摇平台、移动装置、半导体温控装置的俯视结构示意图；

图8是微孔板热盖示意图；

图9是微孔板透气盖结构示意图，纵向箭头为光路通道；

图10是含有发光二极管阵列的自动化复合检测仪的示意图。

图例说明：

1：发光二极管；2：第一光纤；3：分光器；4：第二光纤；5：光纤固定座；6：微孔板；7：液体培养基；8：光电二极管固定座；9：光电二极管；10：偏心轴上的同步轮；11：同步带；12：轴承固定板；13：电机上的同步轮；14：电机轴；15：电机固定板；16：配重；17：偏心轴；18：振摇平台；19：微孔板固定台；20：上轴承固定台；21：上轴承；22：下轴承；23：浓度检测探头；24：培养室内腔； 25：热盖；26：温度探头；27：下轴承固定板支撑柱；28：电机；29：支撑底板；30：固定座；31：风扇；32：制冷头；33：半导体制冷片；34：散热片；35：风扇；36：滑轨；37：定位尺；38：光电开关；39：步进电机；40：热盖转轴；41：热盖内侧加热片；42：热盖孔；43：热盖锁扣孔；44：金属顶盖；45：疏水透气膜； 46：透光板；47：硅胶垫；48：透光板透气孔；49：微孔板孔壁；50：二极管阵列光源；51：匀光板；

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。但以下所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

如图1所示，浓度检测探头的光路示意图。其中，光源为峰值波长范围在600-1400nm 的发光二极管1，并和第一光纤2同轴耦合，第一光纤2前端连接分光器3，从分光器3引出8-16根第二光纤4，并固定到光纤固定座5上。光纤固定座5和光电二极管固定座8在一侧相连，形成U形支架，光电二极管固定座8上固定了8-16个光电二极管9，具有高灵敏度、高稳定性、高线性并且峰值灵敏度波长在发光二极管1峰值波长范围内。第二光纤4 和光电二极管9的轴线在垂直方向上对齐。光纤固定座和光电二极管固定座之间有20-50mm 的间隙，用于放置样品容器，比如微孔板6，微孔板6的微孔内有液体培养基7，光纤发出的光通过微孔和液体培养基7，前向散射的光进入光电二极管9，这样发光二极管1和光电二极管9就形成了前向射光检测光路。在检测时，控制电路可以使分光器3依次将第二光纤 4和发光二极管1接通，相邻光路切换速度可达毫秒级，保证进行多通道检测时，没有明显的时间延迟，这样既保证了各个通道检测时不受相邻通道的干扰，也保证了检测的同步，几乎可以同时检测8-16个通道。在测量微孔内样品浓度时，发光二极管1按照调制频率发光，各个光电二极管9分别接收前向散射光信号，并经过前置放大电路、滤波电路、解调电路输出直流信号。

如图2、3和4所示，微孔板振摇装置的核心部分是振摇平台驱动装置和偏心轴17。其中三个相同的同步轮10被固定在偏心轴17上，轴向偏心距离为1-3mm，偏心轴17通过下轴承22被固定在轴承固定底板12上，配重16被固定在偏心轴17上，偏心轴17顶端固定上轴承21，轴承通过上轴承固定台20将上轴承21固定到振摇平台18上，三个配重16的重心在水平方向同向，并和偏心轴17偏心方向相反。电机28通过点击固定板固定在轴承固定底板12上，电机28的轴14上安装同步轮13，并和其它三个同步轮10通过同步带11连接。电机28以1000-3000转/分的转速带动固定在电机轴14上的同步轮13旋转，进而带动同步带，进而带动固定在偏心轴17上的同步轮10旋转，进而带动偏心轴17旋转和偏心轴 17上的配重16旋转。由于偏心轴17上半部分与下半部分有1-3mm的轴向偏心(即图4的偏心轴17内部的两条竖向平行线的轴线距离)，所以偏心轴17上半部分会以1-3mm为半径做圆周振摇，进而带动振摇平台18以1-3mm为半径做圆周振摇，最终实现微孔板6以1-3mm 为半径做圆周振摇。振摇平台18可放置2-8个24孔、48孔或96孔微孔板6，微孔板6高度为20-50mm。

如图5-7所示，仪器主体部分内部结构除了浓度检测探头和振摇驱动装置外，还包括导轨和半导体温控装置组成，其中，

U形浓度检测探头23通过固定座30固定在步进电机39控制的线性滑轨36上，滑轨36与振摇平台18呈纵向水平分布，滑轨侧面安装带凹槽的定位卡尺37和光电开关38。定位卡尺37和光电开关38配合用于定位浓度检测探头检测时停留位置。定位卡尺37的凹槽数量为6-24个，每个凹槽边缘和微孔板每列孔圆心对齐。浓度检测探头在滑轨上滑动时，微孔板6能从浓度检测探头23中间穿过。

半导体温度控制装置包括帕尔贴半导体制冷片33、制冷头32、散热片34和两组散热风扇31、35，制冷头32位于培养室内腔24内壁处，前端连接风扇31，半导体制冷片33位于制冷头32和散热片34之间，散热片34外侧连接风扇35。内腔24壁上的温度探头26测量培养室内的温度并反馈给控制电路。

如图8所示，微孔板热盖25位于微孔板6上方，带孔42，孔42位置和微孔板26孔位置对应，热盖25内侧带加热片41，能对微孔板气体交换装置进行加热，确保气体交换装置的温度比培养室内腔24温度高1-2摄氏度。

如图9所示，微孔板内外气体交换装置从上到下依次时金属顶盖44、疏水透气膜45、透光板46和硅胶垫47。金属顶盖44、疏水透气膜45和硅胶垫47都带孔，孔位置和微孔板6孔位置对应，便于检测光路穿过，透光板46在对应疏水透气膜45覆盖区域带条形孔48。

如图10所示，在振摇平台18下面安装LED阵列光源50和匀光板51，光照强度和时间可通过电脑程序设置。发光二极管阵列光源可选择不同波长范围，满足不同实验的需要。

实施例一：利用上述任一装置来进行微生物高通量培养和浓度实时检测的方法步骤包括：

1)向微孔板中加入液体培养基和待培养的微生物菌株，盖上装有疏水透气膜和硅胶垫片的上盖。

2)确定培养内腔的温度，即微生物的生长温度。提前在电脑的软件上设置培养箱的温度、样品信息、培养时间、浓度检测间隔时间、无刷电机的转速等参数。将微孔板固定到振摇平台上，然后在电脑的软件上启动检测功能，开始实验。培养内腔开始加热或制冷，以到达预设的温度。

3)在整个培养过程中，无刷电机持续工作，微生物在微孔板中生长繁殖，当培养持续一个检测间隔时间后，浓度检测探头测量微孔板中样品的浓度，每个检测周期完成后，步进电机和浓度检测探头停止工作，直到下一个检测周期开始。每个检测周期，每个独立样品都产生了一个数据，下一个检测周期，每个独立样品又产生一个数据，就这样不断重复，直到培养时间截止后，系统停止工作，每个样品产生的数据会形成该样品对应时间的生长曲线。这些单个数据或整个曲线可以进行后期分析。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种多通道光路装置，该装置包括：发光二极管(1)和与其连通的第一光纤(2)，与第一光纤(2)连通的分光器(3)，与分光器(3)连通的第二光纤(4)，以及浓度检测探头(23)，其中，

浓度检测探头(23)包括作为上臂的光纤固定座(5)和作为下臂的光电二极管固定座(8)，光纤固定座(5)连通上述第二光纤(4)，光电二极管固定座(8)设有与第二光纤(4)的光路对应的多通道光电二极管(9)，并且上臂和下臂分别对应设置在微孔板的垂直上、下方，彼此之间通过垂直与上下臂的连接件连接，从而形成水平方向的U形开口的浓度检测探头；

发光二极管(1)发出固定波长的光耦合进入第一光纤(2)，经过分光器(3)后可以将光分配到指定的第二光纤(4)，从第二光纤(4)通道发射的多条光路垂直透过微孔板(6)的多个微孔中的液体培养基(7)中的样品，并通过浓度检测探头(23)检测透过样品的和被样品散射的前向散射光，并将光信号转化成电信号，再经电路将电信号转化成数字信号，整个过程即形成浓度检测光路，从而完成高通量微生物样品浓度的检测。

2.根据权利要求1所述的多通道光路装置，其中该检测探头(23)的上下臂分别固定8-16个通道的第二光纤(4)和光电二极管(9)。

3.根据权利要求1或2所述的多通道光路装置，其中该检测探头(23)的上下臂间隔距离为20-50mm；所述发光二极管(1)为峰值波长范围在600-1400nm的发光二极管。

4.一种微生物高通量培养和检测装置，包括设在上部的前述权利要求1至3任一所述的多通道光路装置，设在中部的承载多个微孔板的振摇平台，下部的微孔板振摇装置，以及设在底部的检测探头移动装置，其中，

振摇平台(18)设在浓度检测探头的U形开口之间，浓度检测探头可在振摇平台上的多个微孔板上方水平移动；

与振摇平台(18)固定连接的微孔板振摇装置，包括底部的电机(28)，设在电机(28)上方的轴承固定板(12)，轴承固定板(12)上不对称设置三个偏心轴(17)，各个偏心轴(17)中段通过同步带(11)彼此相连，偏心轴(17)上段与振摇平台(18)固定连接，同步带(11)缠绕固定板上的电机转轴(14)上，当电机(28)驱动电机转轴(14)旋转时，转轴(14)带动同步带驱动多个偏心轴(17)自转，从而带动上方振摇平台(18)高速圆周振摇，最终带动微孔板(6)高速圆周振摇；

检测探头移动装置包括步进电机(39)控制的线性滑轨(36)，该滑轨与振摇平台(18)呈纵向水平分布，一端与步进电机(39)相连，另一端通过固定座固定座(30)与上方的浓度检测探头(23)的上臂或下壁连接，当步进电机(39)驱动滑轨移动时，可带动上方的浓度检测探头(23)的U型开口从振摇平台的微孔板的垂直上下方发生移动。

5.根据权利要求4所述的微生物高通量培养和检测装置，其中所述微孔板振摇装置中，偏心轴(17)上设有同步带(11)，并通过同步带(11)彼此相连；电机(28)通过法兰固定在电机固定板(15)上，电机固定板(15)固定在轴承固定板(12)，电机固定板(15)上设有电机转轴(14)，并与同步轮(13)固定连接，从而电机(28)通过同步轮(13)、同步带(11)与三个偏心轴(17)的同步带(11)相连。

6.根据权利要求4或5所述的微生物高通量培养和检测装置，其中三个偏心轴(17)下端固定下轴承(22)，下轴承(22)固定在轴承固定板上(12)，偏心轴(17)上端固定上轴承(21)，上轴承(21)固定到振摇平台(18)上，其中偏心轴上下两端的圆周运动的轴线呈间距1-3mm的两条平行线，同步轮(13)和配重(16)固定在偏心轴(17)下端，配重(16)重心方向和偏心轴(17)偏离方向在水平方向正好相反，以抵消或部分抵消因为振摇平台偏心振摇形成的不平衡离心力。

7.根据权利要求6所述的微生物高通量培养和检测装置，其中，在移动装置中，滑轨(36)侧面安装带凹槽的定位卡尺(37)，滑轨滑台上固定浓度检测探头(23)和用于将光信号转换为电信号的光电开关(38)，定位卡尺(37)和光电开关(38)配合用于定位浓度检测探头(23)检测时停留位置。

8.根据权利要求7所述的微生物高通量培养和检测装置，其中，振摇平台(18)可放置2-8个微孔板，在振摇平台(18)上呈纵向2×1、2×2、2×3或2×4排列；所使用微孔板(6)为4×6排列的24孔、6×8排列的48孔或8×12排列的96孔微孔板(6)；所述微孔板(6)高度为20-50mm。

9.根据权利要求8所述的微生物高通量培养和检测装置，其中电机(28)转速为1000-3000转/分钟，以达到振摇装置的稳定性和微孔内最大氧转移能力的平衡。

10.根据权利要求9所述的微生物高通量培养和检测装置，其中定位卡尺(37)的凹槽数量为6-24个，每个凹槽边缘和微孔板(6)每列孔圆心对齐。

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