CN202465707U

CN202465707U - 一种基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置

Info

Publication number: CN202465707U
Application number: CN 201220026827
Authority: CN
Inventors: 古绍彬; 吴影; 李科伟; 王大红; 李市场; 杨彬
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2022-01-20

Abstract

一种基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置，包括主箱体、动力组件和电子控制箱，在电子控制箱内设有信号发生模块、功率放大模块、和显示控制模块，顶置扬声器和底置扬声器通过功率放大模块与信号发生模块连接，信号发生模块通过频率测定模块与显示控制模块连接，在主箱体内还设有用于测量声波的传声器，传声器通过声强测定模块与显示控制模块连接。本实用新型一种基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置，其声强、频率和电机转速可调可显示，可通过选取适当的声波刺激波形、刺激频率和强度，实现对静置培养，或悬浮培养的微生物细胞等生物样品生长速度的控制或对产物形成速率的调节，效果显著。

Description

一种基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置

技术领域

本实用新型涉及一种培养装置，具体说是一种基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置。

背景技术

声波是一种重要的环境因子，在自然界中广泛存在，并同生物体发生相互作用。按频率人们将其分为次声波(infrasound，10^-4～20赫兹)、可听声波(audible sound，20～2×10⁴ 赫兹)和超声波(ultrasound，2×10⁴～10¹² 赫兹)。早在1927年，德国科学家Wood 和 Loomis就开始对超声波生物学效应进行了研究，20世纪60年代次声与生物体的相互作用也逐渐被人们所关注。现在关于超声与次声的生物学效应及机理的研究已越来越深入和广泛，一些超声诊断，超声治疗及次声诊疗新技术不断被人们广泛认识和接受。然而关于可听声波的研究，长期以来人们大部分精力都集中在发声机制、声信号特征、声接收、加工和识别等方向，对声波在传播过程中的生物学效应及机理关注较少。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于可听声波刺激的生物细胞培养装置，可通过对生物细胞施加一定频率的可听声波，实现对细胞的生长速度的控制或对产物形成速率的调节。

本实用新型一种基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置，包括主箱体、动力组件和电子控制箱，所述的动力组件包括传动轴、电动机、调节丝杆和圆形吊盘，传动轴通过传动轴承竖直设置在主箱体顶部的中央，并通过传动带轮及传动带与电动机连接，传动轴穿过主箱体的顶部伸入到主箱体内，调节丝杆设置在传动轴位于主箱体内部的一端，并且传动轴与调节丝杆同轴设置；,在调节丝杆的底端通过螺纹连接有圆形吊盘，主箱体内部安装有紫外灯和日光灯；主箱体内壁各面均安装有吸音板主箱体内顶部安装有顶置扬声器，底部安装有底置扬声器，在电子控制箱内设有信号发生模块、功率放大模块、和显示控制模块，顶置扬声器和底置扬声器通过功率放大模块与信号发生模块连接，信号发生模块通过频率测定模块与显示控制模块连接，在主箱体内还设有用于测量声波的传声器，传声器通过声强测定模块与显示控制模块连接。

所述的主箱体上装有运行观察窗，主箱体一侧装有拉门手柄，底部安装有脚轮；

所述的调节丝杆上设有两个六角螺母，两个六角螺母将圆形吊盘夹在中间并固定在调节丝杆上。

所述的圆形吊盘为直径150mm、厚2mm的圆形钢板，在圆形钢板圆周上均匀安装有6个爪形钢套；爪形钢套由两条10mm宽、2mm厚，100mm长的弹簧钢片组合而成，弹簧钢片十字交叉并用螺丝固定在圆形托盘下底面，弹簧钢片距离固定点20mm处向背离圆形托盘的方向折起形成75度角；弹簧钢片的顶端向固定点方向弯折。

所述的电子控制箱上设有显示面板、紫外灯开关、日光灯开关、声强调节旋钮、频率调节旋钮、电机启停开关、变频调节旋钮、信号发生器开关和音频播放器接口，其中声强调节旋钮与功率放大模块连接，频率调节旋钮与频率测定模块连接，变频调节旋钮与电动机连接。

本实用新型装置电子控制箱的信号发生模块，采用ICL8038芯片作为函数发生器，它可产生单频正旋波、方波、三角波等波形，声波信号功率放大模块对其进行放大后驱动扬声器工作；然后根据ICL8038函数发生器方波输出端输出信号经AT89S52单片机测频处理并由74SL164和74SL138驱动回显到LED上的结果，通过调节频率旋钮调节到需要的频率；并根据传声器感受到的底置扬声器的声信号，经UA741放大器放大并由MAX1032模数转换器转换及AT89S52单片机处理后由74SL164和74SL138驱动回显到LED上的声强大小，调节声强调节旋钮使声强达到需要的声波强度。工作时可根据需要进行声学参数来选择和调整，频率设定精度为±1赫兹，声强设定精度在±0.1分贝；电子控制箱上配设的音频播放器接口通过音频转换头可转接各种播放器；声波音量通常在5～130分贝范围内可调；在变频调节旋钮上设有变频器，采用无级变频调速技术传递动力，反应快，转速变化平稳，从而实现传动系与电动机工况的最佳匹配；

本装置所用电源是220V/50Hz的交流电源，箱体后部设有接通电源的电源线，电子控制箱上设有电源总开关。

本实用新型进行声波处理时，先灭菌，再将微生物样品载体放入圆形吊盘的爪形钢套中，通过电子控制箱的显示控制模块精确调制各种处理参数，让经过调制的音频信号经过功率放大***驱动电动式扬声器量化实现声波处理过程。

有益效果

1、本实用新型在研究可听声波对单细胞生物生长代谢影响的基础上，发现可听声波生物学效应具有一定的窗口效应特征，表现为一定的频率和强度依耐性特征，通过大量实验数据证明，本实用新型一种基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置，通过选取适当的声波刺激波形、刺激频率和强度，可实现对静置培养，或悬浮培养的微生物细胞、动植物细胞等生物样品生长速度的控制或对产物形成速率的调节，效果显著。

2、本实用新型一种基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置，声强、频率、电机转速精密可调可显示，微生物细胞样品可依需要正置或倒置，能输出1赫兹到20千赫兹范围内的正弦波、方波、三角波等波形的可听声波，装置还配有音频播放器接口电路，可播放各种录制格式的声音，从而大大拓展了本装置的声波输出功能；本实用新型装置扬声器所发出声波的声强和声频更接近真实值，实验的精确度高；

3、本实用新型一种基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置，反应快，转速变化平稳，操作简单，成本低廉，易于推广。

附图说明

图1是基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置主视图；

图2是基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置剖视图；

图3是基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置的电动机驱动和圆形吊盘装置剖视图；

图4是基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置电路模块示意图；

图5是基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置的声波信号发生及功率放大模块电路图；

图6是基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置的频率测定及显示模块电路图；

图7 是基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置的声波强度测定及显示模块电路图；

图中标号为：1、电子控制箱，2、显示面板，3、紫外灯开关，4、日光灯开关S4，5、声强调节旋钮，6、频率调节旋钮，7、电机启停开关，8、变频调节旋钮，9、信号发生器开关，10、音频播放器接口，11、观察窗，12、脚轮，13拉门手柄，14、传动轴，15、传动轴承，16、传动带轮，17、传动带，18、电动机传动机构，19、主箱体，20、信号发生模块，21功率放大模块，22、显示控制模块，23、布艺吸音板，24,调节丝杆，25、圆形吊盘，26、传声器，27、爪形钢套，28、底置电动式扬声器，29、顶置电动式扬声器,30、紫外灯，31、日光灯；32、电源总开关,33、波形选择开关，34、扬声器选择开关，35、频率测定模块，36、声强频率测定模块，37、MAX1032模数转换器，38、UA741放大器。

具体实施方案

本实用新型一种基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置，包括主箱体19、动力组件和电子控制箱1，所述的动力组件包括传动轴14、电动机18、调节丝杆24和圆形吊盘25，传动轴14通过传动轴承15竖直设置在主箱体19顶部的中央，并通过传动带16及传动17与电动18连接，传动轴14穿过主箱体19的顶部伸入到主箱体19内，调节丝杆 24设置在传动轴 14位于主箱体19内部的一端，并且传动轴14与调节丝杆24同轴设置；在调节丝杆24的底端通过螺纹连接有圆形吊盘25，主箱体19内部安装有紫外灯30和日光灯31；主箱体19内壁各面均安装有布艺吸音板23，其吸声频谱高，对高、中、低的噪声均有较佳的吸声效果，具有优异的吸声性能，既可隔离外界声场，又能减少内部声波反射从而消除了装置内部反射声波因叠加等因素而产生的高次谐波或波形畸变，大大减少了由于其它声波影响而带来的实验误差，使微生物样本所感受的声强和声频更接近于装置内扬声器所发出声波的声强和声频真实值，提高了实验的精确度；主箱体19内顶部安装有顶置扬声器28，底部安装有底置扬声器29，可根据实验需要选择使用顶置扬声器或底置扬声器，并且具有防水功能，当进行液体深层培养时，扬声器可伸进培养液中进行声波刺激处理；在电子控制箱1内设有信号发生模块20、功率放大模块2、和显示控制模块22，顶置扬声器28和底置扬声器29通过功率放大模块21与信号发生模块20连接，信号发生模块20通过频率测定模块35与显示控制模块22连接，在主箱体19内还设有用于测量声波的传声器26，传声器26通过声强测定模块36与显示控制模块22连接。

所述的主箱体19上装有运行观察窗11，可观察箱内的情况；主箱体19一侧装有拉门手柄13；主箱体19底部安装有脚轮12，使得本装置不仅可以轻松搬运，还可以随任何方向移动，大大减少了人力物力的消耗，提高了生产力；

所述的调节丝杆24上设有两个六角螺母，两个六角螺母将圆形吊盘25夹在中间并固定在调节丝杆24上；

所述的圆形吊盘25为直径150mm、厚2mm的圆形钢板，在圆形钢板圆周上均匀安装6个爪形钢套27；爪形钢套27由两条10mm宽、2mm厚，100mm长的弹簧钢片组合而成，弹簧钢片十字交叉并用螺丝固定在圆形托盘25下底面，弹簧钢片距离固定点20mm处向背离圆形托盘的方向折起形成75度角；弹簧钢片的顶端向固定点方向弯折；当圆形托盘25正面朝上安装为正置安装，背面朝上安装时为倒置安装；正置安装时，爪形钢套27可固定锥形瓶等，用于细胞渐层培养时的样品刺激处理，倒置安装时平面的圆形托盘25可放置培养皿等，用于培养皿上的样品刺激处理。

所述的电子控制箱1上设有显示面板2、紫外灯开关3、日光灯开关4、声强调节旋钮5、频率调节旋钮6、电机启停开关7、变频调节旋钮8、信号发生器开关 9和音频播放器接口10，其中声强调节旋钮5与功率放大模块21连接，频率调节旋钮6与频率测定模块连接，变频调节旋钮8与电动机18连接。

本实用新型装置电子控制箱1的信号发生模块，采用ICL8038芯片作为函数发生器，它可产生单频正旋波、方波、三角波等波形，声波信号功率放大模块对其进行放大后驱动扬声器工作；然后根据ICL8038函数发生器方波输出端输出信号经AT89S52单片机测频处理并由74SL164和74SL138驱动回显到LED上的结果，通过调节频率旋钮调节到需要的频率；并根据传声器感受到的底置扬声器的声信号，经UA741放大器38放大并由MAX1032模数转换器37转换及AT89S52单片机处理后由74SL164和74SL138驱动回显到LED上的声强大小，调节声强调节旋钮使声强达到需要的声波强度。工作时可根据需要进行声学参数来选择和调整，频率设定精度为±1赫兹，声强设定精度在±0.1分贝；电子控制箱上配设的音频播放器接口通过音频转换头可转接各种播放器；声波音量通常在5～130分贝范围内可调；在变频调节旋钮上设有变频器，采用无级变频调速技术传递动力，反应快，转速变化平稳，从而实现传动系与电动机工况的最佳匹配；

本实用新型的工作过程如下：接通电源，合上电源开关32，然后按下紫外灯开关3，进行声波刺激前的箱内灭菌；打开拉门13，即可放置样品，如果是固体培养样品长时间刺激，即采用圆形吊盘25上的爪形钢套27朝下安装并对受试样品进行固定，培养皿开盖倒置准备接受处理；如果是短时间刺激固体样品，或者对浅层培养样品进行处理时，则爪形钢套27朝上安装并对受试样品进行固定；当样品放置好后，关上拉门，合上信号发生、功率放大和显示控制模块供电电源开关9，通过波形选择开关SA1(即图1中的33)选择所需波形；由ICL8038函数发生器产生的声波信号经过TDA7294功放电路进行放大后驱动顶置扬声器29(即图5中BLS1)或底置扬声器28(即图5中BLS2)工作。然后根据ICL8038函数发生器方波输出端输出信号经AT89S52单片机测频处理并由74SL164和74SL138驱动回显到LED上的结果，通过调节频率调节旋钮6(即图5中的RP1)将频率调节到需要频率；并根据传声器26(即图7中的BM)感受到的底置扬声器28或顶置扬声器29 (即图5中BLS1或图5中BLS2，也即图7中的BLS)声信号，经UA741放大器放大并由MAX1032模数转换器转换及AT89S52单片机处理后由74SL164和74SL138驱动回显到LED上的声强大小，调节声强调节旋钮5(图5中的RP2)使声强达到需要的声波强度。随后打开电机启动开关7，利用变频调节旋钮8调节电机在需要的转速，并根据样品放置情况，通过扬声器选择开关34 (即图5中的SA2)选择底置扬声器28或顶置扬声器29对样品进行刺激处理。如果对深层液体培养的样品进行处理时；其声波波形、频率和强度的调节方式及其他操作同上述，仅是将顶置扬声器换成防水的水下扬声器直接伸到液面下即可。还可关闭信号发生器开关9，通过音频播放器接口10连接播放器输出音乐、噪声等各种类型的声音；另外，根据实验需要，圆形吊盘25可在调节丝杆24上调整位置，工作时，可开启日光灯31，透过视窗11进行观察主箱体内的样品刺激情况；如此即可利用本装置实现对生物样品的声波处理。刺激结束后，用变频调节旋钮8将电机转速降至零，声强调节旋钮5和频率调节旋钮6将声强和频率调至最低，然后依次关掉电机启停开关7，扬声器选择开关34，波形选择开关33，信号发生、功率放大和显示控制模块供电电源开关9；打开日光灯开关4，开启拉门13取出样品，关掉总电源开关32即可。

以下实施例用来说明本实用新型一种基于可听声波刺激的生物细胞培养装置的具体使用方法及达到的效果，并不对本实用新型有任何限制。

实施例1

采用本实用新型一种基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置，按照上述本实用新型装置工作过程进行操作，设置强度为100分贝，频率分别为1000赫兹，5000赫兹和10000赫兹的正旋波；分别对三组LB固体培养基中培养的大肠杆菌（处理组）进行处理，刺激方式为声波处理3h，停止1h，然后再进行处理3小时，再停止1小时，以此直到培养时间到达24小时后，分别计数各处理组和未接受声波刺激样品（对照组）中的菌落形成情况，比较各处理组的相对菌落形成率情况；相对菌落率定义如下：

Figure 2012200268276100002DEST_PATH_IMAGE002

结果显示经可听声波处理，大肠杆菌的相对菌落形成率菌显著高于对照组，分别到达了134.5%，121.2%和122.8%。

实施例2

采用本实用新型一种基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置，按照上述本实用新型装置工作过程进行操作，设置频率为1000赫兹的，强度分别为90,100,110,120分贝的正旋波；分别对三组LB固体培养基中培养的大肠杆菌（处理组）进行处理，刺激方式为声波处理3小时，停止1小时，然后再进行处理3小时，再停止1小时，以此直到培养时间到达24小时后，分别计数各处理组和未接受声波刺激LB固体培养基中培养的大肠杆菌（对照组）中的菌落形成情况，比较各处理组的相对菌落形成率情况；相对菌落率定义如下：

结果显示，频率相同，强度不同的可听声波处理大肠杆菌后，大肠杆菌表现出了明显不同的生长状态，当强度为100分贝时，相对菌落形成率达到了141.6%，而当声波强度达到110分贝时大肠杆菌的相对菌落形成率仅为81.2%。

实施例3

采用本实用新型一种基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置，按照上述本实用新型装置工作过程进行操作，设置强度为100分贝，频率分别为1000赫兹，5000赫兹,和10000赫兹的正旋波；分别对含有3% 氯化钠的LB固体培养基中培养的大肠杆菌（处理组）进行处理，刺激方式为声波处理3小时，停止1小时，然后再进行处理3小时，再停止1小时，以此直到培养时间到达24小时后，分别计数各处理和未接受声波刺激样品中的菌落形成情况，并以未接受声波刺激含有3% 氯化钠的LB固体培养基中培养的大肠杆菌作为对照组，比较各处理组的相对菌落形成率情况：相对菌落率定义如下：

结果显示，一定情况下可听声波处理可明显降低盐胁迫对大肠杆菌生长的危害，盐胁迫下未接受声波刺激的样品，其菌落形成率仅为55.21%，而1000赫兹，5000赫兹和10000赫兹的声波处理使盐胁迫下的大肠杆菌的相对菌落形成率分别达到，65.17%，75.13%和80.26%。

实施例4

采用本实用新型一种基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置，按照上述本实用新型装置工作过程进行操作，将扬声器伸入到LB液体培养基培养的大肠杆菌中，设置强度为100分贝，频率分别为1000赫兹，5000赫兹,和10000赫兹的正旋波；分别对各组液体培养基中的大肠杆菌（处理组）进行处理，刺激方式为连续刺激，分别在7小时，12小时和17小时取样测定其OD值。结果见表1.由表可知，在液体培养条件下，可听声波刺激可明显促进大肠杆菌的生长，其中5000赫兹的声波刺激对生长促进效果最为显著，是对照组相对标准化后OD值的1.84倍。

表1、液体培养条件下不同频率声波刺激下对大肠杆菌相对OD值的影响

实施例5

采用本实用新型一种基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置，按照上述本实用新型装置工作过程进行操作，将扬声器伸入到液体培养基培养的酿酒酵母菌中，培养温度28-30℃。用强度为100分贝，频率分别1000赫兹，5000赫兹,和10000赫兹的正旋波对液体培养基中的酵母进行处理，刺激方式为间歇式刺激，每刺激3小时间歇3小时，培养时间为72小时。待培养结束时发现经过声波刺激的培养样，其酒精度均有显著提高，且残糖含量均在1%以下。尤其是5000 赫兹的声波刺激的样品，其培养基中的残糖含量仅为0.28%，酒精度达到5.84%(V/V)；而对照组中的酒精含量却仅为4.63%(V/V)，残糖含量为1.68%。由此可见，采用适当频率和强度的可听声波刺激确能显著提高酵母发酵生产酒精的能力。

所述的LB固体培养基的组成成份：按重量百分比LB液体培养基中含有1%的胰蛋白胨、0.5%的酵母提取物、1%的氯化钠，1.8%的琼脂，余量为水；

所述的LB液体培养基的组成成份：按重量百分比LB液体培养基中含有1%的胰蛋白胨、0.5%的酵母提取物、3%的氯化钠，余量为水；

所述的含有3% 氯化钠的LB固体培养基：按重量百分比含有3% 氯化钠的LB液体培养基中含有1%的胰蛋白胨、0.5%的酵母提取物、3%的氯化钠，1.8%的琼脂，余量为水；

所述的GYP液体培养基培养的组成成份：按重量百分比GYP液体培养基中含有12%的葡萄糖，0.5%的酵母粉，0.3%的蛋白胨，余量为水；

Claims

1.一种基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置，其特征在于：包括主箱体（19）、动力组件和电子控制箱（1），所述的动力组件包括传动轴(14)、电动机(18)、调节丝杆(24)和圆形吊盘(25)，传动轴(14)通过传动轴承（15）竖直设置在主箱体(19)顶部的中央，并通过传动带轮(16)及传动带（17）与电动机(18)连接，传动轴(14)穿过主箱体(19)的顶部伸入到主箱体(19)内，调节丝杆(24)设置在传动轴 (14)位于主箱体(19)内部的一端，并且传动轴(14)与调节丝杆(24)同轴设置；在调节丝杆(24)的底端通过螺纹连接有圆形吊盘(25)，主箱体(19)内部安装有紫外灯(30)和日光灯(31)；主箱体(19)内壁各面均安装有吸音板(23)；主箱体(19)内顶部安装有顶置扬声器(28)，底部安装有底置扬声器(29)，在电子控制箱(1)内设有信号发生模块(20)、功率放大模块(21)和显示控制模块(22)，顶置扬声器(28)和底置扬声器(29)通过功率放大模块(21)与信号发生模块(20)连接，信号发生模块(20)通过频率测定模块(35)与显示控制模块(22)连接，在主箱体(19)内还设有用于测量声波的传声器(26)，传声器(26)通过声强测定模块(36)与显示控制模块(22)连接。

2.如权利要求1所述的一种基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置，其特征在于：所述的主箱体(19)上装有运行观察窗(11)，主箱体(19)一侧装有拉门手柄（13）。

3.如权利要求1所述的一种基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置，其特征在于：所述的调节丝杆(24)上设有两个六角螺母，两个六角螺母将圆形吊盘(25)夹在中间并固定在调节丝杆(24)上。

4.如权利要求1所述的一种基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置，其特征在于：所述的圆形吊盘(25)圆周上均匀安装有至少6个爪形钢套(27)。

5.如权利要求4所述的一种基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置，其特征在于：所述的爪形钢套(27)由两条10mm宽、2mm厚，100mm长的弹簧钢片组合而成，弹簧钢片十字交叉并用螺丝固定在圆形托盘（25）下底面，弹簧钢片距离固定点20mm处向背离圆形托盘的方向折起形成75度角；弹簧钢片的顶端向固定点方向弯折。

6.如权利要求1所述的一种基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置，其特征在于：所述的吸音板为布艺吸音板。

7.如权利要求1所述的一种基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置，其特征在于：所述的电子控制箱(1)上设有显示面板(2)、紫外灯开关(3)、日光灯开关(4)、声强调节旋钮(5)、频率调节旋钮(6)、电机启停开关(7)、变频调节旋钮(8)、信号发生器开关(9)和音频播放器接口(10)，其中声强调节旋钮(5)与功率放大模块(21)连接，频率调节旋钮(6)与频率测定模块连接，变频调节旋钮(8)与电动机(18)连接。

8.如权利要求1所述的一种基于可听声波刺激的微生物细胞培养装置，其特征在于：所述的主箱体(19)底部安装有脚轮(12)。