CN106434343A - 一种远程生物细胞培养装置及辅助***及其应用 - Google Patents

一种远程生物细胞培养装置及辅助***及其应用 Download PDF

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Abstract

一种远程生物细胞培养装置及辅助***及其应用，它涉及远程监控预警生物细胞生长环境辅助***及其应用，本发明要解决目前现有的生物培养箱仅限于控制温湿度，并不能自身对数据进行网络采集和详尽的图表分析，还不具备对生物细胞进行实时传输监控预警功能的不足，本发明通过在箱体的空腔内设置银离子隔板、气体浓度传感器、水位感应器、温湿度传感器、氧气传感器和电导率传感器，并通过单板机计算机远程开关控制***与终端监控预警软件连接实现远程监控生物细胞培养过程。本发明的***用于培养来源于哺乳动物的细胞或病毒、微生物和植物细胞。

Description

一种远程生物细胞培养装置及辅助***及其应用
技术领域
本发明涉及一种生物细胞培养装置及辅助***及其应用，尤其涉及一种远程监控预警生物细胞生长环境辅助***及其应用。
背景技术
目前该装置可广泛应用于各科研、临床和医疗机构，针对细胞、组织培养和某些特殊微生物的培养，细胞动力学研究、哺乳动物细胞分泌物的收集、各种物理、化学因素的致癌或毒理效应、抗原的研究和生产、培养杂交瘤细胞生产抗体、体外授精(IVF)、干细胞、组织工程、药物筛选等研究领域。该类仪器因其污染是导致细胞培养失败的一个主要因素，大多都要求在GMP管理严格密闭空间中，且洁净度级别高的环境中应用。现有的生物细胞培养箱仅限于控制温度及气体浓度，并不能自身对数据进行网络采集和详尽的图表分析，同类产品仅能通过额外配套外置传感器，进行局域传输，且采用电磁波调频信号局域传输，信号覆盖效果差，且仅能通过电话、信息形式预警，不能达到实时监控的作用，加之本身很多样本只能一次获取，因该装置导致的样本损失，将无法挽回。因此，如何提高该类仪器监控预警及时性、实时性，同时提高稳定性及便捷及时性，对细胞培养的安全性，是本领域的技术人员有待解决的问题，最终达到最接近理想的高模拟微生物培养环境，从而对本行业的良性发展起到积极的创新推进作用。
发明内容
本发明的目的在于解决目前现有的生物培养箱仅限于控制温湿度，并不能自身对数据进行网络采集和详尽的图表分析，还不具备对生物细胞进行实时传输监控预警功能的不足，而提供的一种生物细胞培养扩增监控预警辅助***及其应用。
本发明的一种远程生物细胞培养装置及辅助***，它包括箱体、气体浓度传感器、单板机计算机远程开关控制***、银离子隔板、水位感应器、操控面板、测量器风扇、温湿度传感器、平衡孔、箱体门、氧气传感器和电导率传感器；
所述箱体内设有空腔，所述空腔内侧壁顶部设置有测量器风扇，在测量器风扇周围的空腔内侧壁顶部围绕测量器风扇设有气体浓度传感器、温湿度传感器和氧气传感器；所述的空腔内侧壁底部设置有水位感应器和电导率传感器；所述的空腔内设置有多个银离子隔板；所述的空腔内侧壁上后部设置有平衡孔；
所述的箱体前侧设置有箱体门，所述空腔通过箱体门进行封闭；
所述的操控面板设置于箱体前侧的上部，且位于箱体门上方；
所述的单板机计算机远程开关控制***设置于箱体右侧的外侧壁上；
所述的温湿度传感器、气体浓度传感器、电导率传感器和水位感应器的信号输出端分别与单板机计算机远程开关控制***的一个信号接收端连接；操控面板的命令信号输出端与单板机计算机远程开关控制***的另一个信号接收端连接。
本发明的平衡孔是将空腔与外界连通，对空腔内的压力等起到平衡的作用。
本发明的一种远程生物细胞培养装置及辅助***用于培养来源于哺乳动物的细胞、病毒、微生物和植物细胞。
本发明通过设置电导率传感器通过其参数反馈，可有效监控底部纯水中微生物生长状态，通过在悬浮培养微生物生理、生化特性的研究中，发现微生物生长与过氧化物酶活性呈平行的关系,与电导率呈相反的镜像关系。由此可以通过对纯水中微生物在不同切变率下的电导来分别测量流动和静止状态下(f＝0.2MHz)纯水的电导率和电容,发现微生物的电导率随微生物形态改变，可通过量化微生物聚集、贴壁性异常来研究微生物生长状态情况,通过采用电旋转芯片测量微生物的电旋转频谱，进而检测微生物生长过程中的电特性变化的规律，结果显示随时间的增加，微生物的膜的电容逐渐减小，在此基础上测定细菌、真菌代谢物的电导方法来检测微生物生长状态。当它们的活性较低时，电导率随着活性的增大而增加，该指标用于表示微生物生长状态有明显的指示作用，本发明的设置电导率传感器测量范围达到：0.001μS/cm至300mS/cm，分辨率：最小值0.001μS，精准度：参数>3μS为0.5％±1；参数≤3μS为0.5％±0.01μS。
所述的单板机计算机远程开关控制***包含远程开关控制***、单板机计算机、和传感器互联网络平台。
所述的单板机计算机远程开关控制***配备全新ARM架构处理器，10/100Mbps网口，内置Ethernet，一个COM接口和一个RS485接口端子可同时或独立分配，支持TCPServer，TCP Client，UDP多种工作方式，波特率支持600bps～230.4Kbps，支持服务器域名地址解析。
操作***支持网页自定义，能够满足基本的网络浏览，数据处理以及计算机编程的需要。
单板机计算机远程开关控制***可以异地远程控制设备开关机、远程设置定时控制，远程应急启动UPS等功能，达到精准方便操控。
所述传感器互联网络平台可通过TCP Server，TCP Client等模式进行数据无损传输，通过TCP Client公网服务器或TCP Server的云端平台，将本地数据实现跨网段传输，以便随时随地在其他地点通过互联网上看到实时数据，同时以同样软件提取显示图表化文件，可以更直观地进行分析监控。
本发明的单板机计算机远程开关控制***，远程控制功能流程：通过单板机计算机采集的传感器模拟信号数据，经过解析转换为数字信号数据，并进行存储和处理，同时传输至异步传输标准接口RS232、RS485接口和网络端口，经由单板机计算机对外定时发送数字信号数据包，进一步将培养装置发送的数据包，通过局域网内的培养装置信号数据通过互联网络平台传送至公网服务器，进一步通过PC终端安装V-COM2.10可编程软件，登录同步互联网传数据，通过可定义图表显示实时数据和远程开关装置，既可实现异地传输至终端***进行管理和远程控制培养装置，也可将此项技术用于现有该类装置仅有RS232通讯端口，通过本地上传数据至公网服务器，在异地目标端管理数据，解决了目前现有该装置均需使用外置传感器进行高成本监控的目的。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明多功能远程生物细胞培养***结构简单，采用较目前技术更易于抑菌的铜质层腔体和银离子多孔隔板，结合培养装置自身配置的温湿度传感器、气体浓度传感器、电导率传感器、水位传感器并基于单板机服务器为核心，可以将培养箱里的自身数据进行网络采集，尤其是电导率传感器通过其参数反馈，可有效监控底部纯水微生物生长状态，通过在悬浮培养微生物生理、生化特性的研究中，发现微生物生长与过氧化物酶活性呈平行的关系,与电导率呈相反的镜像关系。由此可以通过对纯水中微生物在不同切变率下的电导来分别测量流动和静止状态下(f＝0.2MHz)纯水的电导率和电容,发现微生物的电导率随微生物形态改变，可通过量化微生物聚集、贴壁性异常来研究微生物生长状态情况,通过采用电旋转芯片测量微生物的电旋转频谱，进而检测微生物生长过程中的电特性变化的规律，结果显示随时间的增加，微生物的膜的电容逐渐减小，在此基础上测定细菌、真菌代谢物的电导方法来检测微生物生长状态。当它们的活性较低时，电导率随着活性的增大而增加，该指标用于表示微生物生长状态有明显的指示作用，并结合网络进行远程数据的图表分析，并跨网段传输至异地，并在异地同步实现实时监控主机，数据更新时间可调整，并实现图表分析，每个监控***可最多传输254个终端，可以更好满足大型实验室和科研组织的需要，相较目前技术需要搭载外置探头及调频信号受限传输相比，能更及时的掌控培养对象的温湿度、气体浓度、电导率等运行情况，从而达到实时观测细胞生长状态连续检测，与避免因微生物多因素培养环境而导致多次传代，造成细胞无法挽回的风险，同时提高实验数据的及时性和可追溯性；能够实现远程交互，提供异常状态的预警、远程查询、远程控制等功能。
附图说明
图1为本发明远程生物细胞培养监控预警辅助***结构示意图；其中，1、箱体；2、气体浓度传感器；3、单板机计算机；4、银离子隔板；5、水位感应器；6、操控面板；7、测量器风扇；8、温湿度传感器；9、平衡孔；10、箱体门；11、氧气传感器；12、电导率传感器。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种远程生物细胞培养装置及辅助***，它包括箱体1、气体浓度传感器2、单板机计算机远程开关控制***3、银离子隔板4、水位感应器5、操控面板6、测量器风扇7、温湿度传感器8、平衡孔9、箱体门10、氧气传感器11和电导率传感器12；
所述箱体1内设有空腔，所述空腔内侧壁顶部设置有测量器风扇7，在测量器风扇7周围的空腔内侧壁顶部围绕测量器风扇7设有气体浓度传感器2、温湿度传感器8和氧气传感器11；所述的空腔内侧壁底部设置有水位感应器5和电导率传感器12；所述的空腔内设置有多个银离子隔板4；所述的空腔内侧壁上后部设置有平衡孔9；
所述的箱体1前侧设置有箱体门10，所述空腔通过箱体门10进行封闭；
所述的操控面板6设置于箱体1前侧的上部，且位于箱体门10上方；
所述的单板机计算机远程开关控制***3设置于箱体1右侧的外侧壁上；
所述的温湿度传感器8、气体浓度传感器2、电导率传感器12和水位感应器5的信号输出端分别与单板机计算机远程开关控制***3的一个信号接收端连接；操控面板6的命令信号输出端与单板机计算机远程开关控制***3的另一个信号接收端连接。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：所述的箱体1内空腔的内表面材质为铜。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：电导率传感器12测量范围为0.001μS/cm～300mS/cm；分辨率的最小值为0.001μS；精准度：参数>3μS为0.5％±1；参数≤3μS为0.5％±0.01μS。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：单板机计算机远程开关控制***3与终端监控预警软件连接。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：所述的单板机计算机远程开关控制***3与上位机进行通信。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式的一种远程生物细胞培养装置及辅助***用于培养来源于哺乳动物的细胞。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述的来源于哺乳动物的细胞为原代细胞、传代细胞、悬浮细胞或贴壁细胞。其它与具体实施方式相同。
具体实施方式八：本实施方式的一种远程生物细胞培养装置及辅助***用于培养病毒。
具体实施方式九：本实施方式的一种远程生物细胞培养装置及辅助***用于培养微生物。
具体实施方式十：本实施方式的一种远程生物细胞培养装置及辅助***用于培养植物细胞。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1
本实施例的一种远程生物细胞培养装置及辅助***，它包括箱体1、气体浓度传感器2、单板机计算机远程开关控制***3、银离子隔板4、水位感应器5、操控面板6、测量器风扇7、温湿度传感器8、平衡孔9、箱体门10、氧气传感器11和电导率传感器12；
所述箱体1内设有一侧不封闭的空腔，且空腔不封闭的一侧通过设置在箱体1前侧上的箱体门10进行封闭；所述空腔顶部内侧壁设置有测量器风扇7，在测量器风扇7周围的空腔顶部内侧壁围绕测量器风扇7分布设有气体浓度传感器2、温湿度传感器8和氧气传感器11；所述的空腔底部内侧壁设置有水位感应器5和电导率传感器12；所述的空腔内设置有多个银离子隔板4；所述的空腔后方内侧壁上设置有平衡孔9；
所述的操控面板6设置于箱体1前侧的上部，且位于箱体门10上方；
所述的单板机计算机远程开关控制***3设置于箱体1右侧的外侧壁上；
温湿度传感器8与气体浓度传感器2分别通过数据线与操控面板6连接；
温湿度传感器8、气体浓度传感器2、电导率传感器12、水位感应器5、操控面板6分别通过数据线与单板机计算机远程开关控制***3连接。
所述的箱体门10为保温密封门；
所述的箱体1空腔内设有铜质层；
所述的单板机计算机远程开关控制***3包含远程开关控制***、单板机计算机、和传感器互联网络平台；
所述的单板机计算机远程开关控制***3配备全新ARM架构处理器，10/100Mbps网口，内置Ethernet，一个COM接口和一个RS485接口端子可同时或独立分配，支持TCPServer，TCP Client，UDP多种工作方式，波特率支持600bps～230.4Kbps，支持服务器域名地址解析；
操作***支持网页自定义，能够满足基本的网络浏览，数据处理以及计算机编程的需要；
单板机计算机远程开关控制***3可以异地远程控制设备开关机、远程设置定时控制，远程应急启动UPS等功能，达到精准方便操控；
所述传感器互联网络平台可通过TCP Server，TCP Client等模式进行数据无损传输，通过TCP Client公网服务器或TCP Server的云端平台，将本地数据实现跨网段传输，以便随时随地在其他地点通过互联网上看到实时数据，同时以同样软件提取显示图表化文件，可以更直观地进行分析监控；
本实施例通过设置电导率传感器12通过其参数反馈，可有效监控底部纯水微生物生长状态，通过在悬浮培养微生物生理、生化特性的研究中，发现微生物生长与过氧化物酶活性呈平行的关系,与电导率呈相反的镜像关系。由此可以通过对纯水中微生物在不同切变率下的电导来分别测量流动和静止状态下(f＝0.2MHz)纯水的电导率和电容,发现微生物的电导率随微生物形态改变，可通过量化微生物聚集、贴壁性异常来研究微生物生长状态情况,通过采用电旋转芯片测量微生物的电旋转频谱，进而检测微生物生长过程中的电特性变化的规律，结果显示随时间的增加，微生物的膜的电容逐渐减小，在此基础上测定细菌、真菌代谢物的电导方法来检测微生物生长状态。当它们的活性较低时，电导率随着活性的增大而增加，该指标用于表示微生物生长状态有明显的指示作用，本发明的设置电导率传感器12测量范围达到：0.001μS/cm至300mS/cm，分辨率：最小值0.001μS，精准度：参数>3μS为0.5％±1；参数≤3μS为0.5％±0.01μS。
本实施例所得的监控预警结果见表1所示，由表1可以得出通过可编程V-COM2.10软件，设置数据包获取更新时间1s～24h，本例以每30s获取一次数据为例，在远程生物细胞辅助***存储的预警数据，在远程控制终端上可根据时间远近，实时抓取并详细显示在某一时间点发生的错误提示和详细信息解析，如气体浓度、温湿度等，并帮助分析出现错误的原因分析，还可通过可编程软件设置电导率阈值，通过对不同微生物电导率阈值设置，提示偏离阈值的比例，来远程分析微生物异常状态并帮助实验人员对错误进行适时纠正的结论。
表1终端监控预警图表
日期 时间 操作*** 错误信息
16.04.20 9:23:35 气体浓度错误 目前值高过设定值
15.10.09 15:02:43 相对湿度错误 水量偏低
15.06.18 22:43:09 温度错误 前温度过高
15.01.21 16:22:19 相对湿度错误 水量偏低
15.01.16 17:15:25 电导率阈值错误 目前值大于设定0.35μS/cm的20％
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种远程生物细胞培养装置及辅助***，其特征在于它包括箱体(1)、气体浓度传感器(2)、单板机计算机远程开关控制***(3)、银离子隔板(4)、水位感应器(5)、操控面板(6)、测量器风扇(7)、温湿度传感器(8)、平衡孔(9)、箱体门(10)、氧气传感器(11)和电导率传感器(12)；
所述箱体(1)内设有空腔，所述空腔内侧壁顶部设置有测量器风扇(7)，在测量器风扇(7)周围的空腔内侧壁顶部围绕测量器风扇(7)设有气体浓度传感器(2)、温湿度传感器(8)和氧气传感器(11)；所述的空腔内侧壁底部设置有水位感应器(5)和电导率传感器(12)；所述的空腔内设置有多个银离子隔板(4)；所述的空腔内侧壁上后部设置有平衡孔(9)；
所述的箱体(1)前侧设置有箱体门(10)，所述空腔通过箱体门(10)进行封闭；
所述的操控面板(6)设置于箱体(1)前侧的上部，且位于箱体门(10)上方；
所述的单板机计算机远程开关控制***(3)设置于箱体(1)右侧的外侧壁上；
所述的温湿度传感器(8)、气体浓度传感器(2)、电导率传感器(12)和水位感应器(5)的信号输出端分别与单板机计算机远程开关控制***(3)的一个信号接收端连接；操控面板(6)的命令信号输出端与单板机计算机远程开关控制***(3)的另一个信号接收端连接。
2.根据权利要求1所述的一种远程生物细胞培养装置及辅助***，其特征在于所述的箱体(1)内空腔的内表面材质为铜。
3.根据权利要求1所述的一种远程生物细胞培养装置及辅助***，其特征在于电导率传感器(12)测量范围为0.001μS/cm～300mS/cm；分辨率的最小值为0.001μS；精准度：参数>3μS为0.5％±1；参数≤3μS为0.5％±0.01μS。
4.根据权利要求1所述的一种远程生物细胞培养装置及辅助***，其特征在于单板机计算机远程开关控制***(3)与终端监控预警软件连接。
5.根据权利要求1所述的一种远程生物细胞培养装置及辅助***，其特征在于所述的单板机计算机远程开关控制***(3)与上位机进行通信。
6.一种远程生物细胞培养装置及辅助***的应用，其特征在于所述的远程生物细胞培养装置及辅助***用于培养来源于哺乳动物的细胞。
7.根据权利要求6所述的一种远程生物细胞培养装置及辅助***的应用，其特征在于所述的来源于哺乳动物的细胞为原代细胞、传代细胞、悬浮细胞或贴壁细胞。
8.一种远程生物细胞培养装置及辅助***的应用，其特征在于所述的远程生物细胞培养装置及辅助***用于培养病毒。
9.一种远程生物细胞培养装置及辅助***的应用，其特征在于所述的远程生物细胞培养装置及辅助***用于培养微生物。
10.一种远程生物细胞培养装置及辅助***的应用，其特征在于所述的远程生物细胞培养装置及辅助***用于培养植物细胞。
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