生物振荡培养箱也称为摇床,是一种实验室常用的液体摇匀和微生物、细菌和细胞培养设备。它是一种生化仪器,在对于温度和振荡频率有较高要求的细菌培养、发酵、杂交、生物化学反应以及酶和组织研究等方面具有广泛的应用。

随着时代的发展,要求摇床具有经济环保,更好的振荡特性、温度特性以及可操作性,现有的摇床已经不能满足人们的需求。Yang等^[1]在对现有摇床研究后发现,目前用于微生物培养的摇瓶多为玻璃或一次性硬质塑料制成。玻璃制品每次实验前后均需清洗和消毒,既浪费人力,又容易造成交叉污染。塑料制品虽然克服了前者的缺点,可也由于不易处理而产生大量废物,而且经济上也不是很合算。为此他们在这二者的基础上提出了一种新型的一次性柔性生物反应器,这种生物反应器不但克服了上述两种物品的缺点,而且在细菌培养和氧气传输速率上也有了显著的提高。此外,古磊等^[2]、谢清华等^[3]、陈培强^[4]则针对当前摇床技术的不足之处做出了改进,改善了摇床的振荡性能、温度均匀性及可操作性,使得摇床结构紧凑、性能可靠、振荡性好。

以上所做的改进虽然使得摇床更加的完善,可也仅仅只是在摇床原有的框架内做出了改进。现有的摇床存在着一个很大的局限性,虽然其可以用来进行细胞培养,可是却无法得知细胞生长的实时情况,只有将经过培养的细胞溶液取出置于酶标仪等工具上测量后,才能得知当前的细胞生长情况。在这一过程中由于环境的改变以及人为操作等因素,使结果与实际的摇床内部的细胞生长结果不一致,从而导致结论错误。因此,本文提出的振荡培养箱集成了细胞培养和细胞检测功能,在原有的摇床基础上添加了光密度(optic density,OD)检测功能,使得我们能够在培养细胞的过程中实时检测细胞溶液的OD值,进而监视细胞的生长情况。

吸光度又称为光密度(OD),是指光线通过溶液或某一物质前的入射光的强度I₀与该光线通过溶液或物质之后的透射光强度I₁的对数比值(即lg(I₀/I₁)),吸光度受溶剂、浓度、温度等因素的影响。

细胞是不透光的,光束通过细胞悬浮液时,由于散射或被吸收而降低透过率,因此悬浮液细胞浓度与光密度(OD)成正比,与透光率成反比。测量前将样品适当稀释或加酸处理,在波长450~660 nm处测光密度。有时直接以OD值代替细胞浓度,有时需预先用已知浓度的悬浮液测出吸光度-细胞浓度的标准曲线,再根据所测OD值,从标准曲线上查出细胞浓度值^{[5, 6]}。因此,我们便可以通过实时检测溶液的OD值来监控细胞生长状况。

如图 1所示,本系统采用STM32处理器作为主控芯片来控制振荡电路、OD检测电路、匀光板控制电路以及温湿度控制电路的运行。图中振荡电路^[7]包含电机测速电路和电机调速电路,通过调节电机旋转的速度来带动托盘,以达到摇匀溶液的目的。OD检测电路是通过光电传感器来测量入射光光强在经过溶液后的衰减值,入射光光强的大小是通过调节电位器阻值来控制流经发光二极管的电流大小来调节的,而入射光的周期和频率则是通过脉冲宽度调制(PWM)来控制的^[8]。匀光板控制电路是通过改变PWM波的占空比来控制匀光板光强的大小。温湿度控制电路中温度控制是通过PT100来检测振荡箱箱内温度,将其与设置温度做对比,通过比例、积分、微分(PID)控制算法来达到精准控温的目的。湿度控制则是通过PWM来控制加湿或者抽湿的量度。

图 1

Fig. 1

图 1 控制电路框图 Fig. 1 Block diagram of Control circuits

软件设计中主要解决了液晶显示器(LCD)与STM32处理器之间的通讯以及ADS8320和STM32之间的通讯等问题。LCD通过串口协议控制STM32处理器以此来完成电机转速测定和调控,温湿度检测及调控,匀光板光强调控及OD数据采集和传输等任务。软件设计的原理图见图 2。

图 2

Fig. 2

图 2 系统软件流程图 Fig. 2 Flow chart of system software

为验证这种新型生物振荡培养箱是否达到了设计要求,进行了下面的验证实验。

将OD标准板分别置于摇床的8个托盘区域上,然后运行摇床进行检测,记录数据并分析。其中标准板分为12行8列共96孔,每一行的OD值均为同一数值。理论值除第一行为透光孔以外,其余各行OD值分别为3.00、0.30、0.57、1.10、2.00、3.00、3.00、0、0、0、0。实际测试时的记录数据如图 3所示,其中X轴的孔位表示第x行的孔,1~8分别对应这一行的8个孔,Y轴的OD值表示吸光度值。

图 3

Fig. 3

图 3 不同孔位对应的OD值 Fig. 3 OD values of different wells

本文选取了6行具有不同OD值的孔位分别与标准板对应行孔位的OD值做对比,从图 3中我们可以看出实际测得的OD值与标准值虽然不是完全吻合,但是差异不大,数据显示实际偏差在2%左右,由此说明本文中所设计的OD测量模块是可信的,能够准确地测量出OD值。

针对目前生物振荡培养箱不能观察培养液内细胞生长过程的特点,本文在研究了细胞生长测定方法与研究进展后,采用光电传感器和ADS8920设计出了一种新的基于浊度法的在线OD检测生物振荡培养箱。通过实验验证后,发现该系统能够在振荡培养细胞的过程中实现在线测量,测量精度在2%左右,能够较好地用于观测细胞培养过程中的生长趋势和过程。