關(guān)于搖床的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

曹　恒，李建杰，王　婷，吳　曉，劉　麗

(1.上海理工大學(xué) 上海市現(xiàn)代光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093；2.上?？圃措娮涌萍加邢薰?，上海 201101)

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關(guān)于搖床的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

曹恒1，李建杰1，王婷1，吳曉2，劉麗2

(1.上海理工大學(xué) 上海市現(xiàn)代光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093；2.上?？圃措娮涌萍加邢薰?，上海 201101)

生物搖床是一種實(shí)驗(yàn)室常見(jiàn)的微生物、細(xì)菌與細(xì)胞培養(yǎng)儀器。傳統(tǒng)搖床僅能為被培養(yǎng)物質(zhì)提供良好的培養(yǎng)環(huán)境，卻無(wú)法獲知其實(shí)時(shí)生長(zhǎng)狀況。為此，文中在濁度法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種在線(xiàn)吸光度檢測(cè)電路。該電路由LED控制電路、光電轉(zhuǎn)換電路、放大電路與A/D采樣電路4個(gè)模塊組成，引入該電路系統(tǒng)的搖床能在生物培養(yǎng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)生物濃度檢測(cè)。通過(guò)搭建相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)該電路檢測(cè)的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性做了系統(tǒng)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的培養(yǎng)監(jiān)測(cè)電路的吸光度檢測(cè)誤差控制在3%以?xún)?nèi)，能準(zhǔn)確地反應(yīng)出當(dāng)前被培養(yǎng)物質(zhì)的吸光度值，即該電路能實(shí)現(xiàn)生物搖床的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)培養(yǎng)。

培養(yǎng)監(jiān)測(cè)電路；吸光度；生物搖床

生物搖床具有不銹鋼萬(wàn)用道具、數(shù)顯控溫、無(wú)級(jí)調(diào)速和良好的熱循環(huán)功能，是一種多用途的生化器，廣泛應(yīng)用于對(duì)溫度和振蕩頻率有較高要求的細(xì)菌培養(yǎng)、發(fā)酵、雜交、生物化學(xué)反應(yīng)以及酶和組織研究等方面。隨著生物科學(xué)的不斷發(fā)展，對(duì)于搖床的功能特性提出了更高的要求。在研究現(xiàn)有搖床后發(fā)現(xiàn)，玻璃搖瓶或錐形瓶類(lèi)的微生物反應(yīng)器在每次實(shí)驗(yàn)前后均需清洗和消毒，既浪費(fèi)人力，又易造成交叉污染。而一次性塑料制品反應(yīng)器也會(huì)由于不易處理而產(chǎn)生大量塑料垃圾[1]。

鑒于此，參照他人關(guān)于不同形狀與類(lèi)型的柔性反應(yīng)器的嘗試[2-4]，文獻(xiàn)[5]提出了一種新型的一次性柔性生物反應(yīng)器，這種生物反應(yīng)器不但克服了上述反應(yīng)器的缺點(diǎn)，且在微生物培養(yǎng)效率和氧氣傳輸速率上也有顯著的提高。此外，黃山中新生物科技、濟(jì)南鑫貝西、蘇州培英等公司則針對(duì)當(dāng)前搖床技術(shù)做出了長(zhǎng)足的改進(jìn)，顯著改善了搖床的振蕩性能、溫度特性及可操作性。

這些改進(jìn)措施使得搖床的性能有所提升，可是這些改進(jìn)大多基于其原有架構(gòu)，功能性的改變較少。傳統(tǒng)意義上的搖床只能用于微生物的培養(yǎng)，而培養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面則需要通過(guò)另外的途徑實(shí)現(xiàn)。多數(shù)做法是將已培養(yǎng)好的微生物溶液取出并置于酶標(biāo)儀上測(cè)量，從而獲得當(dāng)前的微生物生長(zhǎng)狀況。一方面，環(huán)境因素的改變、人為操作不科學(xué)可能導(dǎo)致該文觀測(cè)到的微生物生長(zhǎng)狀況與其實(shí)際生長(zhǎng)狀況并不一致，從而產(chǎn)生誤判斷；其次，該做法很繁瑣不利于多次操作。因此，在傳統(tǒng)搖床的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)添加了吸光度檢測(cè)電路，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)在培養(yǎng)微生物的過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)搖床內(nèi)培養(yǎng)液的吸光度值，進(jìn)而監(jiān)視微生物的生長(zhǎng)狀況。

1　生物檢測(cè)原理

吸光度(Absorbance),又稱(chēng)為光密度(Optical Density, OD), 是指光線(xiàn)通過(guò)溶液或某一物質(zhì)前的入射光的強(qiáng)度I0與該光線(xiàn)通過(guò)溶液或物質(zhì)之后的透射光強(qiáng)度I1的對(duì)數(shù)比值(即lg(I0/I1))。根據(jù)朗博-比爾定律，吸光度可表示為

OD=lg(I0/I1)=εbc

(1)

其中，OD為吸光度；I0為入射光強(qiáng)度；I1為出射光強(qiáng)度；ε為物質(zhì)的吸光系數(shù)；b為光程；c為物質(zhì)濃度[6]。

由此可知物質(zhì)的吸光度與其濃度成正比，其吸光度的變化趨勢(shì)與濃度變化趨勢(shì)是一致的。因此可通過(guò)觀測(cè)物質(zhì)的吸光度來(lái)了解物質(zhì)的濃度變化趨勢(shì)。鑒于此，為搖床添加吸光度檢測(cè)電路，用于檢測(cè)培養(yǎng)液的吸光度值，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被培養(yǎng)細(xì)胞或微生物的生長(zhǎng)狀況。

2　吸光度檢測(cè)單元的電路設(shè)計(jì)

基于吸光度檢測(cè)原理設(shè)計(jì)了用于實(shí)現(xiàn)搖床實(shí)時(shí)培養(yǎng)監(jiān)測(cè)的電路模塊。該電路由LED控制電路、光電轉(zhuǎn)換電路、放大電路與A/D采樣電路4個(gè)模塊組成。

LED控制電路如圖1所示，該電路用于產(chǎn)生吸光度檢測(cè)當(dāng)中所需的入射光。通過(guò)對(duì)連接LED_Ctrl的微處理器GPIO口的置高和拉低來(lái)控制三極管Q1的導(dǎo)通與截止，進(jìn)而控制發(fā)光二極管D1的亮與滅。電位器VR1通過(guò)調(diào)節(jié)流經(jīng)LED兩端的電流來(lái)控制LED的亮度，由此來(lái)調(diào)節(jié)入射光光強(qiáng)的大小。R1為限流電阻，控制三極管基極電流的大小。R2為下拉電阻，在信號(hào)不確定時(shí)將三極管基極電壓拉低。

圖1　LED控制電路圖

如圖2所示，光電轉(zhuǎn)換電路模塊用于光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)[7-8]。其中，光電二極管D2工作于光伏模式下，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)[9]。運(yùn)算放大器U1和反饋電阻器R4用來(lái)實(shí)現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換。相位補(bǔ)償電容C2用來(lái)消除自激振蕩，R3和C1構(gòu)成濾波電路用來(lái)消除電源噪聲。

圖2　光電轉(zhuǎn)換電路

運(yùn)算放大器U4在這里對(duì)經(jīng)由光電轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓作進(jìn)一步放大[10]，A/D轉(zhuǎn)換器U5對(duì)經(jīng)由U4輸出的電壓進(jìn)行采集并將采集到的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)后通過(guò)SPI總線(xiàn)接口傳輸?shù)絊TM32微控制器。微控制器再通過(guò)RS-485協(xié)議[11]將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)，最終在LCD上顯示，具體電路模塊如圖3所示。

圖3　放大電路與AD采樣電路

3　在線(xiàn)培養(yǎng)監(jiān)測(cè)可靠性實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路模塊能否滿(mǎn)足搖床在生物培養(yǎng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)培養(yǎng)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了如下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)吸光度檢測(cè)電路測(cè)量吸光度的準(zhǔn)確性、可靠性進(jìn)行驗(yàn)證：

(1)分別將OD標(biāo)準(zhǔn)板置于搖床托盤(pán)的8個(gè)區(qū)域(area0～7)內(nèi)，運(yùn)行吸光度檢測(cè)電路并記錄數(shù)據(jù)。理論上來(lái)說(shuō)除了第1行的8個(gè)孔為透光孔以外，96孔OD標(biāo)準(zhǔn)板每1行的OD值均相同，其2～12行的OD值分別為3、0.3、0.57、1.1、2、3、3、0、0、0、0。檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)如圖4和圖5所示。

圖4　第3行(左)與第4行(右)對(duì)應(yīng)的 值

圖5　第5行(左)與第6行(右)對(duì)應(yīng)的 值

其中,X軸表示標(biāo)準(zhǔn)板對(duì)應(yīng)行的孔位，1～8則對(duì)應(yīng)該行的8個(gè)孔位，Y軸表示被檢測(cè)物質(zhì)的吸光度值，REF value則表示孔位對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值。這里選取了標(biāo)準(zhǔn)板中4行具有不同OD值的孔位的檢測(cè)值與其對(duì)應(yīng)的OD標(biāo)準(zhǔn)值做對(duì)比，從圖4與圖5中該文可看出實(shí)際測(cè)得的OD值與標(biāo)準(zhǔn)值雖然有所偏差，但均在2%以?xún)?nèi)，由此可說(shuō)明該文中所設(shè)計(jì)的吸光度檢測(cè)電路是可信的，能夠準(zhǔn)確的測(cè)量出被培養(yǎng)物質(zhì)的OD值；

(2)由于搖床在培養(yǎng)微生物或細(xì)菌溶液時(shí)大多工作在37 ℃，并且伴有振蕩搖勻，因此該文也設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證搖床正常工作時(shí)吸光度檢測(cè)電路能否正常工作。將搖床溫度設(shè)為37 ℃，在不同轉(zhuǎn)速下對(duì)濃度一定的氯化鈷溶液進(jìn)行吸光度檢測(cè)10次，記錄其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6　不同振蕩環(huán)境下檢測(cè)到的值

從圖6可看出，在不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)下所測(cè)得的OD值相比其的平均值0.720 6而言偏差較小，均在 3%以?xún)?nèi)。即在多次測(cè)量的過(guò)程中并沒(méi)有因?yàn)闄C(jī)械振蕩而造成位置偏移從而導(dǎo)致吸光度測(cè)量數(shù)據(jù)失準(zhǔn)。綜合上述研究結(jié)果可以說(shuō)明，該吸光度檢測(cè)電路表現(xiàn)良好，能夠在搖床進(jìn)行培養(yǎng)的過(guò)程中準(zhǔn)確的測(cè)量出溶液的OD值，從而實(shí)現(xiàn)生物培養(yǎng)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。

4　結(jié)束語(yǔ)

鑒于傳統(tǒng)搖床不能直接獲取培養(yǎng)物的實(shí)時(shí)生長(zhǎng)狀況，該文在濁度法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套吸光度檢測(cè)電路，用于實(shí)現(xiàn)生物搖床的在線(xiàn)吸光度檢測(cè)。此外，搭建了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了該吸光度檢測(cè)電路測(cè)量的準(zhǔn)確性及其在線(xiàn)測(cè)量的可行性。運(yùn)用該吸光度檢測(cè)電路檢測(cè)OD標(biāo)準(zhǔn)板時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)際檢測(cè)得到的OD值與標(biāo)準(zhǔn)值誤差在2%以?xún)?nèi)，能較好地反應(yīng)出被檢測(cè)物質(zhì)的吸光度值。而在搖床常用工作狀態(tài)下運(yùn)用該吸光度檢測(cè)電路檢測(cè)得到的OD值的偏差也在3%以?xún)?nèi)，說(shuō)明其在搖床正常運(yùn)行過(guò)程中并未因機(jī)械振蕩而造成位置偏移，從而使得吸光度檢測(cè)失準(zhǔn)。因此，該文能在進(jìn)行微生物培養(yǎng)的同時(shí)準(zhǔn)確獲得該微生物的實(shí)時(shí)生長(zhǎng)狀況，對(duì)于及時(shí)確定微生物生長(zhǎng)變化規(guī)律以及深入研究其代謝調(diào)控具有重要意義。

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Design of the Online Growth Monitoring Circuit for Shaking Incubators

CAO Heng1, LI Jianjie1, WANG Ting1, WU Xiao2, LIU Li2

(1.Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2.Shanghai Cohere Electronics Technology Co., Ltd, Shanghai 201101, China)

Biological shaking incubator is a common laboratory instrument often used to cultivate microorganisms, bacteria and cells. Traditional incubators fail to provide real-time information on material growth. A circuit of online optical density detection based on turbidity method is designed. The circuit, consisting of the LED controlling circuit, the photoelectric conversion circuit, the amplifier and the A/D sample circuit, realizes the real optical density detection during cultivation. Relative platform has been set up to verify the accuracy and stability of the optical density detection circuit. The error between the optical density value detected by optical density detection circuit and the average one in different states is shown to be less than 3%, indicating that the circuit reflects the optical density value of the cultured materials in real time accurately.

circuit of cultivation monitor; optical density; biological shaking incubator

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.003

2015-12-06

上海市教育委員會(huì)青年教師基金資助項(xiàng)目(ZZslg15015)

曹恒(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：生物搖床的研究與改進(jìn)。李建杰(1971-)，男，講師。研究方向：光電設(shè)計(jì)。

TN710

A

1007-7820(2016)08-007-04