半自動(dòng)微生物培養(yǎng)基保溫分裝裝置研究

王皓宇， 王　斌， 劉運(yùn)波， 李東睿， 蔡　塵， 汪　紅， 王　甜

(四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 四川 成都　610065)

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半自動(dòng)微生物培養(yǎng)基保溫分裝裝置研究

王皓宇， 王斌， 劉運(yùn)波， 李東睿， 蔡塵， 汪紅， 王甜

(四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 四川 成都610065)

開(kāi)發(fā)了一種半自動(dòng)微生物培養(yǎng)基保溫分裝裝置,該裝置通過(guò)控制原創(chuàng)的非接觸高速電磁閥門的定時(shí)開(kāi)合來(lái)控制液體近似定量的流出,實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)基的無(wú)菌半自動(dòng)分裝。該裝置設(shè)計(jì)有溫控系統(tǒng)來(lái)防止固體培養(yǎng)基分裝前的凝固。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、安全可靠,降低了微生物實(shí)驗(yàn)操作中污染的可能性，并減小了誤差,為微生物實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展帶來(lái)了很大便利。

微生物； 分裝裝置； 培養(yǎng)基； 電磁閥門

科學(xué)家對(duì)微生物的研究奠定了生物科學(xué)的重要基石[1]。微生物培養(yǎng)基是微生物研究過(guò)程中最為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)材料,微生物的分離、培養(yǎng)、研究及保藏都需要培養(yǎng)基的支持。為了方便操作及研究,往往會(huì)在培養(yǎng)基中加入瓊脂以便使其成為固體。瓊脂的最低凝固點(diǎn)為40℃,最高熔點(diǎn)為90℃,配制培養(yǎng)基時(shí)需要加熱至較高的溫度使液體沸騰才能使瓊脂熔化并與培養(yǎng)基成為均一的液體,更多的時(shí)候需要達(dá)到121℃以實(shí)現(xiàn)滅菌。然后根據(jù)需求,趁熱將熔融的培養(yǎng)基分裝到試管或培養(yǎng)皿中等其凝固后使用[2]。

在微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,需要往試管中分裝培養(yǎng)基,在分裝過(guò)程中,可能面臨裝置翻倒、燙傷,或培養(yǎng)基凝固等問(wèn)題,而且培養(yǎng)基的分裝體積可能會(huì)出現(xiàn)較大誤差，培養(yǎng)基也可能被污染而影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)。本文在考察已有的微生物培養(yǎng)基分裝裝置及大量有潛力實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)基分裝的裝置[3-12]后發(fā)現(xiàn),這些裝置針對(duì)的是大規(guī)模生產(chǎn)的需要，或用于分裝性質(zhì)與微生物培養(yǎng)基有很大差別的液體,雖然可以勉強(qiáng)用于微生物培養(yǎng)基,但很難避免上述風(fēng)險(xiǎn)。因此,本文研制了一種半自動(dòng)的微生物培養(yǎng)基的分裝裝置。該裝置結(jié)構(gòu)可靠、易于清理,有效減少了實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn),降低了實(shí)驗(yàn)難度,更能滿足微生物培養(yǎng)基分裝時(shí)的多樣化要求,同時(shí)很大程度上消除了人工操作帶來(lái)的誤差,特別是能實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)基的無(wú)菌分裝，使得實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋痈咝?、順利地進(jìn)行。

1　總體設(shè)計(jì)思路

為了便于控制和定量分裝,需要快速、高頻開(kāi)合的電磁閥門;為達(dá)到無(wú)菌要求,該閥門不可與流體直接接觸。為了實(shí)現(xiàn)平均分裝體積,使用電子器件精準(zhǔn)控制閥門的開(kāi)合時(shí)間。為了保證通用性,本裝置可直接固定于鐵架臺(tái)上。本裝置需附有溫控構(gòu)件,能夠?qū)⑴囵B(yǎng)基的溫度維持在50 ℃左右以防凝固。

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1電磁閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該分裝裝置的核心是電磁閥門。熔融的培養(yǎng)基溫度在50 ℃左右,溫度低于40 ℃時(shí)加有瓊脂的培養(yǎng)基將會(huì)凝固。實(shí)驗(yàn)中需要連續(xù)多次分裝,每次僅數(shù)毫升至數(shù)十毫升。經(jīng)調(diào)研,目前使用的培養(yǎng)基分裝微型電磁閥門滿足不了本實(shí)驗(yàn)的要求。因此,本文設(shè)計(jì)了一種原創(chuàng)的電磁閥門。用止水夾控制乳膠管的開(kāi)閉是常用的培養(yǎng)基分裝方法,雖然該結(jié)構(gòu)操作較為麻煩,但不與流體直接接觸且易于清潔。

研制的電磁閥門的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。閥門主體結(jié)構(gòu)為一長(zhǎng)方形鋁框[13],框內(nèi)安裝一個(gè)推拉式電磁鐵和一個(gè)端部為三角形的壓頭,壓頭的一端與可動(dòng)鐵芯連接,另一端與2根貫通鋁框的導(dǎo)向軸相連,乳膠管位于鋁框與壓頭之間(見(jiàn)圖2)；導(dǎo)向軸上安裝復(fù)位彈簧,通過(guò)調(diào)整螺母的位置可調(diào)整復(fù)位彈簧彈力。推拉式電磁鐵斷電時(shí),在復(fù)位彈簧彈力的作用下,壓頭緊壓乳膠管,閥門關(guān)閉；通電時(shí),可動(dòng)鐵芯向推拉式電磁鐵移動(dòng),壓頭后退,松開(kāi)乳膠管,閥門開(kāi)啟。本閥門的響應(yīng)速度很快,且可以連續(xù)多次通、斷電。乳膠管的內(nèi)徑為8 mm,液體流出迅速,實(shí)驗(yàn)操作可以較快地進(jìn)行。本閥門的側(cè)面裝有通用鐵架臺(tái)固定件,可固定于絕大多數(shù)型號(hào)的鐵架臺(tái)上。

圖1　電磁閥門結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　電磁閥門通電時(shí)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2電磁閥門電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了較平均地控制培養(yǎng)基的流出量,需要設(shè)計(jì)一套電控系統(tǒng)。根據(jù)每次僅需數(shù)毫升至數(shù)十毫升培養(yǎng)基的要求,通過(guò)電控系統(tǒng)將閥門的啟閉時(shí)間設(shè)置在0～10 s間,分度值為0.1 s,能達(dá)到平均分裝的目的。該電控系統(tǒng)的工作流程:(1)設(shè)置閥門開(kāi)啟時(shí)間；(2)開(kāi)啟閥門,培養(yǎng)基開(kāi)始流出,到達(dá)預(yù)設(shè)時(shí)間后自動(dòng)關(guān)閉；(3)重復(fù)(2)流程,實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作。圖3為電磁閥門斷電時(shí)結(jié)構(gòu)示意圖，通電時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

圖3　電磁閥門斷電時(shí)結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)基于單片機(jī)開(kāi)發(fā),本裝置還設(shè)有手動(dòng)模式,通過(guò)觸發(fā)一個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)人工控制閥門的開(kāi)閉,可滿足一些特殊情況的要求。

2.3溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

培養(yǎng)基需要維持在50 ℃左右以防凝固，故本裝置附有溫度控制系統(tǒng)(工作流程見(jiàn)圖4),溫控元件為商業(yè)化產(chǎn)品,附有不銹鋼防水溫度探頭以及電磁繼電器?？紤]到通用性及清潔問(wèn)題,繼續(xù)沿用玻璃漏斗來(lái)盛裝培養(yǎng)基。使用一個(gè)與玻璃漏斗傾角相同但外徑比玻璃漏斗稍大的塑料漏斗,其內(nèi)部敷設(shè)加熱膜,將玻璃漏斗置于塑料漏斗中。將加熱膜連接在電磁繼電器上,并將溫度探頭置于培養(yǎng)基中,靠電磁繼電器通斷來(lái)維持培養(yǎng)基的熔融溫度，防止培養(yǎng)基凝固。

圖4　溫度控制系統(tǒng)工作流程

2.4電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

推拉式電磁鐵的工作電流為8 A,加熱膜工作電流為2 A。本裝置選用商業(yè)化15 A直流電源來(lái)提供電力。裝置中所有元件的工作電壓均為直流12 V電壓。電路總體結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖5。

圖5　電路總體結(jié)構(gòu)框圖

3　實(shí)驗(yàn)操作

3.1分裝效果

驗(yàn)證效果時(shí)使用內(nèi)徑為8 mm乳膠管,流量較大。對(duì)于試管,僅用0.2 s即可充入4 mL左右培養(yǎng)基；1 s即可填充直徑為9 cm左右的培養(yǎng)皿,工作效率很高。若希望達(dá)到更高的精度,則可以通過(guò)限制壓頭的行程來(lái)控制乳膠管的開(kāi)度,或在膠管前端加裝1 mL移液槍槍頭來(lái)限制流量。圖6為微生物培養(yǎng)基分裝裝置實(shí)物照片。

圖6　微生物培養(yǎng)基分裝裝置實(shí)物照片

3.2無(wú)菌操作

本裝置的閥門部分與培養(yǎng)基沒(méi)有直接接觸。為了實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)基的無(wú)菌分裝，只需將帶有軟管的漏斗滅菌，把裝置其余部分置于超凈臺(tái)中并通過(guò)紫外線消毒，最后在超凈臺(tái)中將漏斗放入錐形外殼并把軟管穿過(guò)閥門即可。將滅菌后的培養(yǎng)基倒入漏斗中，便可開(kāi)始無(wú)菌分裝工作。無(wú)菌分裝特別適合于培養(yǎng)皿，操作人員可以規(guī)避被燙傷的風(fēng)險(xiǎn)，分裝得到培養(yǎng)皿中的培養(yǎng)基厚度均一，分裝效率高，不易被污染，該裝置特別適用于微生物實(shí)驗(yàn)。

4　結(jié)語(yǔ)

該手動(dòng)操作和自動(dòng)操作兩用微生物培養(yǎng)基保溫分裝裝置可實(shí)現(xiàn)微生物實(shí)驗(yàn)中固液培養(yǎng)基的準(zhǔn)確分裝,溫度控制系統(tǒng)能防止固體培養(yǎng)基凝固,大大提高了實(shí)驗(yàn)安全性及實(shí)驗(yàn)效率,有效降低了實(shí)驗(yàn)誤差。該分裝裝置原理簡(jiǎn)單,結(jié)構(gòu)可靠,成本相對(duì)低廉,易于操作,也可用于其他需定量控溫液體的分裝,在微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,均有良好的使用效果。該裝置在液體的少量快速連續(xù)分裝方面亦有一定的拓展空間及應(yīng)用價(jià)值。

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Research and development on a semi-automatic device used for dispense microbial culture medium

Wang Haoyu, Wang Bin, Liu Yunbo, Li Dongrui, Cai Chen, Wang Hong, Wang Tian

(College of Life Sciences, Sichuan University,Chengdu 610065,China)

This paper develops a semi-automatic device to dispense microbial culture medium. The device achieves semi-automatic dispensing by using the original non-contact, high-speed,timed opening electromagnetic valve regulating the approximate quantitative effluent liquid. Meanwhile,the device has the temperature control system to guarantee a molten state of the solid medium. The device structure is simple, safe, efficient and reliable. Reducing the probability of the pollution and error range during the experiment,it has brought great convenience for the development of microbiology experiments.

micobe; dispense; culture medium; electromagnetic valve

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.025

2016-04-25

國(guó)家自然基金委四川大學(xué)生物學(xué)基地人才培養(yǎng)支撐條件(J1210013)；四川大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目(201510610186)；國(guó)家專利“手自兩用型微生物培養(yǎng)基保溫分裝裝置”(CN105670906A)

王皓宇(1995—)，男，新疆克拉瑪依，本科生

王甜(1981—)，女(布依族)，貴州興義，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)樯飳W(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué).E-mail：wangtian0311@scu.edu.cn

Q93-33

A

1002-4956(2016)10-0099-03