一种适于研究生物节律的材料培养装置及系统的制作方法

1.本实用新型属于时间生物学技术领域，具体涉及一种适于研究生物节律的材料培养装置及系统。


背景技术：

2.时间生物学是当前生理学研究的一个热点，生物体节律性的生理和行为变化和内在的生物钟基因表达之间存在着紧密的联系。生物节律记录仪器所提供的数据是时间生物学研究研究的基础，为人们了解生物节律提供了有力支撑。但是，目前的自动化记录仪器多集中于动物的生理指标、行为变化等，对于分子层面的生物钟/钟控基因的节律性表达缺少相应的实时监测仪器。因此，对活体材料从分子水平上检测并记录其生物钟/钟控基因的表达是当前时间生物学的一个核心问题。
3.目前用于动物生物钟研究的长程记录系统较多，主要从个体层面的生理或者活动节律进行研究，早在上世纪七十年代，生物学家已经开始使用果蝇活动节律记录系统进行生物钟基因突变果蝇个体的筛选，并成功的克隆到了果蝇中的生物钟基因per(period)和tim(timeless)(konopka andbenzer,1971；sehgal et al.,1994；sehgal et al.,1995)。在哺乳动物的生物钟研究中，自动化长程记录系统也发挥了重要的作用。takahashi 实验室通过小鼠转轮记录自主活动分析小鼠的自主活动节律，发现了生物钟基因突变的小鼠，最终克隆到了clock基因(gekakiset al.,1998)。除此之外，也有埋入小鼠的腹腔内部用来记录小鼠的体温节律的体温记录系统。这些自动化记录时间精度也是分钟级别的，时间跨度可达数周甚至几个月(mei et al.,2018)。但是动物中用于分子层面的记录系统较少 (camille,andr
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et al.2013)。在植物中，虽然较早引入了荧光报告系统用于生物节律研究，但是，只有个别实验室具有自制的简单的自动化长程记录系统(tomoaki et al.,2013)，其功能单一，不能完全满足昼夜节律研究的需求。伴随着生物节律研究的深入化，时间生物学的研究领域出现了更多的分支，生物节律的内在分子机理是这些研究最核心的理论基础，需要使用系统集成度更高、功能更为完善、通用性更强的从分子层面检测昼夜节律的设备。


技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低的适于研究生物节律的材料培养装置及系统，用于解决上述技术问题。
5.为此，本实用新型提供了一种适于研究生物节律的材料培养装置，包括密闭室，所述密闭室的底部设有可以放置多个培养皿的可旋转载物台，培养皿用于培养生物个体样本或细胞/组织样本，所述密闭室的顶部设有用于照明和植物生长的光的入射口、激发光入射口及成像镜头，所述载物台位于所述照明光入射口、激发光入射口及成像镜头的作用范围内，载物台上安放培养皿用于承载被监测样本，所述密闭室的左右旁侧分别设有入风口风扇及出风口风扇。
6.优选地，所述密闭室的顶部还设有紫外灯灭菌器，所述激发光入射口、用于照明和植物生长的光的入射口及紫外灯灭菌器从所述密闭室从中间到旁边依次排列布置。
7.优选地，所述入风口风扇及出风口风扇的外侧均设有用于避光的曲形风道。
8.优选地，所述照明光入射口沿着所述密闭室的中心线对称分布。
9.优选地，所述激发光入射口沿着所述密闭室的中心线对称分布。
10.优选地，所述密闭室内还设有加热器。
11.优选地，所述激发光入射口处设有氙灯光源。
12.优选地，所述培养皿包括多个，所述密闭室的底部设有可旋转载物台，各所述培养皿均匀布置于所述可旋转载物台上。
13.本实用新型还提供了一种适于研究生物节律的材料培养系统，包括信号处理模块，还包括如前任一项所述的适于研究生物节律的材料培养装置，所述信号处理模块用于处理所述材料培养装置的照明光信号、激发光信号及成像镜头信号。
14.本实用新型的有益效果：本实用新型提供的这种适于研究生物节律的材料培养装置及系统，包括密闭室，密闭室的底部设有可以放置多个培养皿的可旋转载物台，培养皿用于培养生物个体样本或细胞/组织样本，密闭室的顶部设有用于照明和植物生长的光的入射口、激发光入射口及成像镜头，可旋转载物台位于照明光入射口、激发光入射口及成像镜头的作用范围内，密闭室的左右旁侧分别设有入风口风扇及出风口风扇。培养皿承载被监测样本，保持环境密封，为样本生长和成像提供有利条件。光照控制模组用于驱动和调节培养箱内的光照强度和光照时间。温度控制模组用于控制培养箱内的环境温度，通过温控器件来升高和降低环境温度，同时设计避光的曲形风道，保证荧光成像时的暗室条件。灭菌模组采用紫外光照射的方式进行整体环境的灭菌，基于前度可调谐的紫外灯和驱动器设计，为被测样本提供无菌的良好生存环境。
15.以下将结合附图对本实用新型做进一步详细说明。
附图说明
16.图1是本实用新型适于研究生物节律的材料培养装置及系统的结构原理示意图；
17.图2是本实用新型适于研究生物节律的材料培养装置及系统的立体结构图；
18.图3是本实用新型适于研究生物节律的材料培养装置及系统的荧光成像模块原理图；
19.图4是本实用新型适于研究生物节律的材料培养装置及系统的信号处理模块组成原理图。
20.附图标记说明：紫外灯灭菌器1，照明光入射口2，激发光入射口3，成像镜头4，曲形风道5，入风口风扇6，出风口风扇7，培养皿8，密闭室 9，氙灯光源10，激发光滤光片模组11，发射光滤光片模组12，scmos13，样本14。
具体实施方式
21.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下
所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
22.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
23.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
24.如图1和图2所示，本实用新型实施例提供了一种适于研究生物节律的材料培养装置，包括密闭室9，所述密闭室9的底部设有可以放置多个培养皿8的可旋转载物台，培养皿8用于培养生物个体样本14或细胞/组织样本14，所述密闭室9的顶部设有用于照明和植物生长的光的入射口、激发光入射口3及成像镜头4，所述载物台位于所述照明光入射口2、激发光入射口3及成像镜头4的作用范围内，载物台上安放培养皿8用于承载被监测样本14，所述密闭室9的左右旁侧分别设有入风口风扇6及出风口风扇7。
25.基于荧光成像的昼夜节律监测系统包含样本14培养模块、荧光成像模块、信号处理模块3部分。样本14培养模块由灭菌模组、光照控制模组、温度控制模组以及样本14培养箱构成。荧光成像模块由可见光照明模组、氙灯光源10、激发光滤光片模组11、发射光滤光片模组12、scmos13组成。信号处理模块为计算机系统，包含计算机硬件和软件，其中软件包含图像处理软件和系统控制软件。图像处理软件负责荧光图像的融合与分析，系统控制软件用于人机交互、成像控制和环境控制等功能。样本14培养模块用于生物个体样本14或细胞/组织样本14的培养，同时作为系统检测样本14的承载装置。光照和温度是植物昼夜节律系统最重要的授时因子，与昼夜节律的周期、振幅和相关基因的动态平衡相关性大。样本14培养模块能针对以上参数进行动态调节，调制全息的生长和观测环境，保证生物节律科学研究的全面性和连续性。
26.优选的方案，所述密闭室9的顶部还设有紫外灯灭菌器1，所述激发光入射口3、用于照明和植物生长的光的入射口及紫外灯灭菌器1从所述密闭室9从中间到旁边依次排列布置。样本14培养模块具备灭菌功能，采用紫外线灭菌方式对系统内部环境灭菌，基于前度可调谐的紫外灯和驱动器设计，保证被检测样本14的生长环境。
27.优选的方案，所述入风口风扇6及出风口风扇7的外侧均设有用于避光的曲形风道5。由于生物节律对光照、温度的敏感性，需要培养模块具有较好的密封性，隔离外界环境的光照、温度等因素对监测活动的影响。温度控制模组用于控制培养箱内的环境温度，通过温控器件来升高和降低环境温度，同时设计避光的曲形风道5，保证荧光成像时的暗室条件。
28.优选的方案，所述照明光入射口2沿着所述密闭室9的中心线对称分布。所述激发光入射口3沿着所述密闭室9的中心线对称分布。多个照明光入射口2或激发光入射口3能更好的实现不同的照明范围及强度需求。对称分布也能保证密闭室9内的培养皿8的光照强度一致。
29.优选的方案，所述密闭室9内还设有加热器。温度控制模组用于控制培养箱内的环
境温度，通过温控器件来升高和降低环境温度。
30.本实用新型实施例还提供了一种适于研究生物节律的材料培养系统，包括信号处理模块，还包括如前任一项所述的适于研究生物节律的材料培养装置，所述信号处理模块用于处理所述材料培养装置的照明光信号、激发光信号及成像镜头4信号。结构及工作原理与上述的材料培养装置一样，在此不再赘述。
31.下面针对一个具体的适于研究生物节律的材料培养装置及系统进行工作原理阐述：适于研究生物节律的材料培养装置及系统包含样本14培养模块、荧光成像模块、信号处理模块3部分。样本14培养模块由灭菌模组、光照控制模组、温度控制模组以及样本14培养箱构成。荧光成像模块由可见光照明模组、氙灯光源10、激发光滤光片模组11、发射光滤光片模组12、 scmos13组成。信号处理模块为计算机系统，包含计算机硬件和软件，其中软件包含图像处理软件和系统控制软件。图像处理软件负责荧光图像的融合与分析，系统控制软件用于人机交互、成像控制和环境控制等功能。
32.样本14培养模块用于生物个体样本14或细胞/组织样本14的培养，同时作为系统检测样本14的承载装置。光照和温度是植物昼夜节律系统最重要的授时因子，与昼夜节律的周期、振幅和相关基因的动态平衡相关性大。样本14培养模块能针对以上参数进行动态调节，调制全息的生长和观测环境，保证生物节律科学研究的全面性和连续性。样本14培养模块具备灭菌功能，采用紫外线灭菌方式对系统内部环境灭菌，保证被检测样本14 的生长环境。同时，由于生物节律对光照、温度的敏感性，需要培养模块具有较好的密封性，隔离外界环境的光照、温度等因素对监测活动的影响。样本14培养模块在结构组成上由培养箱体、光照控制模组、温度控制模组、灭菌模组等4部分组成。培养皿8承载被监测样本14，保持环境密封，为样本14生长和成像提供有利条件。光照控制模组用于驱动和调节培养箱内的光照强度和光照时间。温度控制模组用于控制培养箱内的环境温度，通过温控器件来升高和降低环境温度，同时设计避光的曲形风道5，保证荧光成像时的暗室条件。灭菌模组采用紫外光照射的方式进行整体环境的灭菌，基于前度可调谐的紫外灯和驱动器设计，为被测样本14提供无菌的良好生存环境。
33.如图3所示，荧光成像模块用于荧光信号的采集，通过成像的方式获取样本14(生物个体、组织/细胞)所发射出的荧光信号，用以捕捉指示生物节律的变化情况。荧光成像由镜头模组、滤光片模组、成像模组等组成，实现自动对焦、景深控制、荧光成像等功能。拟采用基于滤光片模组分光进行多光谱显微成像系统设计，滤光片模组由激发光滤光片模组11和发射光滤光片模组12组成，激发光滤光片模组11用于输出不同波长的发射光，同时采用特定波长的发射光滤光片来排除叶绿体背景荧光产生的噪音，大幅度提高数据的信噪比。使用滤光片模组分光可直接解析光谱图像的波长维度，采集发射光谱的一个波段，可以获得空间分辨数据的信息，进而通过连续采集而获得整个波段的图像信息。通过对滤光片模组的调节，可以从420nm到730nm之间进行特定波长的切换，除此波长可调之外，也可以在每个中心波长选择不同的半高宽度，选择宽的半高宽度可以增加来自宽带光源的光透过率，而窄的半高宽度只能透过来自宽带光源的少数波长的光，这样就可以完成多光谱的显微成像。本项目拟定采用高性能scmos13 相机作为信号探测器，增加了信号增益功能。该功能不仅能显著增强目标信号，还能大大缩短成像曝光时间，以实现对生物发光或荧光信号的实施采集。scmos13相机采用快速帧转移芯片设计，并且与其它快速成像技术相比在整体上呈
现出良好的长期稳定性，是进行实时快速成像的最佳选择。利用scmos13，用户既可以进行长时间曝光成像，又可以实现高量子效率、低噪声的快速动态成像。
34.如图4所示，信号处理模块包含嵌入式硬件、软件系统、控制系统，负责样本14培养箱环境控制、成像模组驱动、图像存储分析以及人机交互功能。信号处理模块用于整机的控制、荧光图像的处理和融合，将荧光图像与自然光实体图像进行叠加，将荧光信号定位到特定的组织或细胞上，同时根据其荧光强度来分析相应基因的表达量，并将一系列的数据拟合在一起形成一个连续的可视化的数据集，实现对生物节律系统的动态变化更直观、准确的分析。多光谱成像系统的技术关键在于荧光图像的处理，而背景扣除技术和光谱分离技术则是影响信噪比和灵敏度的关键技术。复杂而科学的光谱分离算法是识别多色荧光的技术核心，通过采用大量的图像制作光谱模板进行光谱分离，能有效去除自发荧光噪声和识别多种荧光，并可进行更为准确的定量分析。
35.在仪器整机供电角度，由于生物节律的监测往往需要较长的研究周期，而温度光照的变化又会引起到昼夜节律的变化，为了防备突发停电事件，该系统将配备一套不间断电源(ups)。
36.本实用新型具有以下技术创新点：
37.1)多功能自动化能控制培养模块的集成技术：提高培养模块的集成度，在较小的空间内保证光照、温控、紫外灭菌、联动装置和荧光成像等设备有序安装并正常运行；
38.2)荧光信号分析和动态数字化拟合：动态荧光成像以及监测数据分析融合，实现昼夜节律的长程性监控；
39.3)通用性设计：通过提高生物材料培养模块的可控性和荧光成像模块的灵敏度，使其适用于多种生物材料。
40.本项目的关键技术包括多光谱荧光成像技术研究、荧光成像灵敏度/实时性保障技术、光学图像重构技术以及多种荧光报告系统等。
41.以上例举仅仅是对本实用新型的举例说明，并不构成对本实用新型的保护范围的限制，凡是与本实用新型相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。