一种培养容器中培养基质量在线监控系统及方法与流程

本发明涉及生物细胞培养基质量在线监控领域，特别是用于在密闭环境内的基于颜色分析的一种培养基质量在线监控系统及方法。

背景技术：

在生物医疗领域，细胞培养是一项非常基础且核心的技术流程。通过细胞培养，可以极大的复制扩增样本数量，经过分离之后，可以将扩增出的细胞用于原本少量样品无法完成的多种用途。

在细胞培养的过程中，为保证细胞的合理生长，需要添加细胞所需的营养成分等多种物质。为保证细胞培养的质量，需要监控培养基在培养过程中的变化。传统的培养基培养为人工监控，由培养人员肉眼观察，根据培养基颜色的改变来判断培养基内部组分的改变，进而判断培养基的质量状况。肉眼判断的方式比较粗，通常做法是：将需要检测的培养容器从培养环境(例如培养箱)中取出；通过目测、比色卡等手段，肉眼观察培养基的质量和细胞生长环境，并作出判断；根据所观测情况的判断对培养容器中的培养基做下一步到处理，或将培养容器放回培养环境继续培养或进行下一步操作。

然而，由于不同培养过程中培养基的退化速度不同，需对培养基进行不断观测和检查，导致经常需要工作人员在非正常工作时间进行检测，造成极大的不便和负担。并且，培养基颜色检测由人眼完成，即使在借助比色卡等工具的情况下，其检测结果也因人而异，较难进行量化比较，导致检测结果误差大，培养质量低。在个体细胞或局部区域的培养领域，通常也是基于显微摄影的实时培养过程的人工监控，产生同样的检测问题。

技术实现要素：

为解决现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种培养基质量在线监控系统及方法，通过光源照射密闭的培养容器，利用颜色传感器对培养容器内的培养基的颜色信息进行分析，以实现细胞培养过程中培养基质量情况的实时监测和监控。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种培养容器中培养基质量在线监控系统，包括光源、传感器、控制系统；其中，所述光源和所述传感器分别与所述控制系统连接；

所述光源提供入射光对培养基进行照射；

所述传感器对照射培养基之后的出射光进行采集，得到出射光信号；由于入射光通常为白光，白光带有全部颜色信息，经过对培养基照射之后，白光会被培养基吸收一部分，因而出射光为被培养基吸收后的部分反射光和散射光，其为携带有颜色特征(光谱信息)的颜色光，通过对该颜色光进行分析，可以得到培养基此时的颜色。

所述控制系统包括模数转换模块和信号处理模块，其中，所述模数转换模块被配置为将所述出射光信号转换成数字信号，所述信号处理模块被配置为将所述数字信号转换为颜色信号，来确定培养基的颜色信息。

优选的，所述光源包括密闭光源容器和设置于所述密闭光源容器内的发光元件，所述发光元件通过光源连接线与所述控制系统连接，所述光源连接线外部有防水连接器。

优选的，所述发光元件为白炽灯、荧光灯、半导体二极管发光器、激光器、超辐射二极管中的至少一种。

优选的，所述光源通过透射或反射对培养基进行照射。

优选的，所述传感器包括密闭传感器容器和设置于所述密闭传感器容器内的颜色传感器元件，所述颜色传感器元件通过传感器连接线与所述控制系统连接，所述密闭传感器容器至少一侧为透明，所述传感器连接线外部具有防水连接器。

优选的，所述颜色传感器元件为CCD、CMOS、光电二极管、雪崩式二极管、光敏电阻、光电倍增管中的至少一种。

优选的，所述信号处理模块还包括对所述颜色信号进行平均或积分或平滑处理。

本发明还提供一种通过根据权利要求之一的在线监控系统监测培养容器中培养基质量的方法。

本发明利用传感器对出射光采集，借助控制系统对出射光进行分析，得出培养基的实时颜色信息。如此，在指定一段培养时间内，根据培养基监控的精度需求，可以将一段时间预设多个时间点进行离散地获取培养基颜色信息，也可以在指定时间段内连续地获取培养基的颜色信息，每一个时间点的培养基颜色获取都包含照射-采集-分析的过程。如此，将得到培养基的颜色信息的变化趋势，再将得到的一段时间内的颜色信息与初始采集所得值和系统标定的标准值进行对比，决定将要对培养基采取的进一步操作。

本发明的有益效果是：

1.自动化的监测有效减轻人力负担；

2.通过减少反复取出培养容器进行检测的环节，减少了对培养基的反复扰动，提高了培养环境的稳定性；

3.使用对颜色敏感的传感器元件和算法自动监控培养基质量，将监控结果数字化，提高了监控精度，保证了监控过程的可靠性，降低了监控误差；

4.降低了培养成本。

附图说明

图1为本发明监控装置示意图；

图2为本发明监控装置立体示意图；

图3为光源示意图；

图4为传感器示意图；

图5为光源和传感器设置在异侧示意图；

图6为光源和传感器设置在同侧示意图；

图7为可移动监控系统示意图；

图8为本发明监控方法流程图；

图9为本发明监控方法处理流程图。

具体实施方式：

为了使本发明的创作特征、技术手段与达成目的易于明白理解，以下结合具体实施例进一步阐述本发明。

参看图1-2，一种培养容器11中培养基质量在线监控系统，包括光源13a/13b/13c、传感器12a/12b/12c、控制系统2；其中，所述光源和所述传感器分别与所述控制系统进行总线连接；所述光源13a/13b/13c提供入射光对培养基11a进行照射，培养基11a颜色会随其内部组分变化而变化，所述传感器对照射培养基之后的出射光进行采集，得到出射光信号；由于入射光通常为白光，白光带有全部颜色信息，经过对培养基照射之后，白光会被培养基吸收一部分，因而出射光为被培养基吸收后的部分反射光和散射光，其为携带有颜色特征(光谱信息)的颜色光，通过对该颜色光进行分析，可以得到培养基此时的颜色。所述控制系统2包括模数转换模块和信号处理模块，其中，所述模数转换模块被配置为将所述出射光信号转换成数字信号，所述信号处理模块被配置为将所述数字信号转换为颜色信号，来确定培养基的颜色信息。所述光源13a/13b/13c包括密闭光源容器和设置于所述密闭光源容器内的发光元件，所述发光元件通过光源连接线与所述控制系统连接，所述光源连接线外部有防水连接器。所述发光元件为白炽灯、荧光灯、半导体二极管发光器、激光器、超辐射二极管中的至少一种。

参看图3，所述光源通过透射或反射对培养基进行照射。13a、13b、13c为系统所使用光源，光源可安装至底部、侧面或上部。光源21包含含有至少一面透明表面22组成的气密整体，发光元件24安装于透明表面22内侧，其与控制系统的连线通过防水连接器23实现。

参看图4，所述传感器31包括密闭传感器容器和设置于所述密闭传感器容器内的颜色传感器元件，所述颜色传感器元件34安装于透明表面32内侧并通过传感器连接线与所述控制系统连接，所述密闭传感器容器至少一侧为透明，所述传感器连接线外部具有防水连接器33。传感器可为单一元件，亦可为单一原件阵列组成。所述颜色传感器元件为CCD、CMOS、光电二极管、雪崩式二极管、光敏电阻、光电倍增管中的至少一种。

对于单个培养容器，由于其内部可能存在培养基质量分布不均匀，且单个传感器所能采集的培养基颜色信息覆盖区域有限，故可对单一培养容器设置阵列的多个传感器，对单一培养容器的不同区域进行监控。对于单一培养容器中的多区域颜色获取情况，将保留每一区域的颜色信息，并根据系统的不同监控精度需求，采用平均值或极值(最大值或最小值)对系统信息进行监控和报警。光源13和传感器12的位置设置可以根据需要设置在异侧或同侧，如图5-6所示。图5中所示，光源13和传感器12设置在培养容器的上下两侧，光源13发出入射光线141，穿过培养基11之后从另一端射出为出射光142，并由传感器12接收，本发明还包括将光源13和传感器12设置在培养容器的左右两侧，在此不赘述。如图6所示，光源13和传感器12设置在培养容器的同一侧，可以是培养基六个面的任意一侧。入射光141通过反射后，出射光142由传感器12接收。

所述培养基质量在线监控系统可移动地设置在所述培养装置中。如图7所示。由于培养容器体积较小，培养箱通常体积较大，对于单个培养箱16中的多个培养容器11，可采用两种方式进行监控系统阵列，即1)为每一个需进行监控的容器设置一套监控系统进行一对一的颜色监控，或2)使用机械臂移动监控系统，对同一培养箱中多个培养容器进行监控。图中，有孔支架18用于支撑培养容器11，有孔支架18可以与Z轴方向支架172固定连接，也可以悬挂在培养箱上部，有孔支架18上设置孔，避免监控系统中传感器、光源被支架18遮挡。支架171用于支撑监控系统，支架171与Z轴方向支架172固定连接。机械臂可根据需要将监控系统沿支架171移动，使监控系统位于待检测的培养容器下方的有孔支架18的相应位置，光源发出的光通过有孔支架18的孔照射培养容器，出射光穿过有孔支架18的孔进入传感器。有孔支架18也可以设置多层，以支撑多层培养容器，机械臂可根据需要将监控系统放置在培养容器下方的有孔支架18的下方进行检测。更为简单的结构，不设置支架171，直接由机械臂移动并支撑监控系统至有孔支架18的下方，对相应培养容器进行检测。

培养装置中可以设置多组控制系统，其面对的监控系统具有可同时与多组控制(采样)系统进行通信的接口和处理能力，且每组控制(采样)系统与监控系统的连线(通信通道)独立，从而在通信中实现互不干扰，在数据处理过程中，通过算法设置，将为每套控制(采样)设置独立的数据处理功能，在数据处理过程中实现互不干扰。

当培养容器仅有一侧透明时，需光源及传感器设置在同一侧，这种情况，入射光为带有全部颜色信息的白光，出射光为携带有特征颜色光被培养基吸收后的部分反射光和散射光。当培养容器为全透明时，传感器可设置在培养容器任一侧，如设置在底部，光源根据照明需求可设置在底部/顶部/侧面中的一个或多个位置，这种情况，当光源在底部时，入射光为带有全部颜色信息的白光，出射光为携带有特征颜色光被培养基吸收后的部分反射光和散射光，光源的照射与探测器的检测可同步进行,也可光源照射先于探测器的检测。

所述信号处理模块还包括对所述颜色信号进行平均或积分或平滑处理。

本发明另一实施例提供一种培养基培养装置，包括至少一个培养容器，和对所述培养容器中的培养基进行质量在线监控系统，其中，所述监控系统包括光源、传感器、控制系统；其中，所述光源和所述传感器分别与所述控制系统连接；所述光源提供入射光对培养基进行照射；所述传感器对照射培养基之后的出射光进行采集，得到出射光信号；所述控制系统包括模数转换模块和信号处理模块，其中，所述模数转换模块被配置为将所述出射光信号转换成数字信号，所述信号处理模块被配置为将所述数字信号转换为颜色信号，来确定培养基的颜色信息。在本发明所述培养装置中可以放置若干个培养容器来培养培养基，同时，由质量在线监控系统监控若干培养容器。所述培养容器为密闭环境，其内的温度、湿度和气体组分可按需定量控制。控制系统和计算系统根据实际系统设计需求，可放置在培养箱内培养容器外，即培养箱与培养容器之间的空间；或培养箱外，对控制系统的输出信号和报警信号进行监控的系统放置于培养箱外，通过连线与培养箱内部组件进行连接。

所述培养装置中设有至少一个以上的分隔空间。为了便于放入培养箱，用于培养基培养的培养容器的尺寸(长宽高分别)通常不超过200mm。

如图8-9所示。本发明还提供一种通过根据权利要求之一的在线监控系统监测培养容器中培养基质量的方法。如图8，本发明方法借助光源发出的光线，光线穿透透明界面进入培养基，培养基对光线进行选择性吸收之后，再由传感器接收经过培养基吸收后剩余的光线，对该出射光和入射光进行分析，从而得出培养基的状态。如图9所示，具体处理和分析流程为：在控制系统接收外部控制输入之后，控制系统启动控制测量数据，控制系统向光源发出指令以驱动光源开启，控制系统向颜色传感器发出指令驱动传感器感应/接收/接受检测到的光线的颜色信号，传感器将该信号传导至控制系统，控制系统对颜色信号的数量即对光线颜色采样的次数进行判断，判断的依据可以依据最开始的外部控制输入的数据，如果达到外部输入的次数要求，则结束采样，控制系统发出指令关闭光源并对采集的数据进行处理后反馈最终数值。如果达不到外部输入的次数要求，则继续向颜色传感器发出指令要求传感器继续感应/接收/接受检测到的光线颜色信号。

本发明利用传感器对出射光采集，借助控制系统对出射光进行分析，得出培养基的实时颜色信息。如此，在指定一段培养时间内，根据培养基监控的精度需求，可以将一段时间预设多个时间点进行离散地获取培养基颜色信息，也可以在指定时间段内连续地获取培养基的颜色信息，每一个时间点的培养基颜色获取都包含照射-采集-分析的过程。如此，将得到培养基的颜色信息的变化趋势，再将得到的一段时间内的颜色信息与初始采集所得值和系统标定的标准值进行对比，决定将要对培养基采取的进一步操作。系统标定的标准值，例如可以是标定在某个颜色值范围之内为良好、正常、失效。

采用直接将颜色信号采集后转换为数字信号进行输出的数字化的颜色传感器进行传感采集。如下列举颜色采样及分析实施例。

实施例：

入射光为白光时，如采用RGB每颜色通道为8bit深度，则可将白光颜色信号定标为(256，256，256)；

当所采用培养基指示剂特征的成分合格颜色为红色时，成分失效颜色为无色时。此时，成分合格时，溶液对除红光波长外其他波长的光吸收比例远高于对红光的吸收比例，故溶液呈红色；成分失效时，对所有颜色的光接近均匀比例吸收，因而将不呈现特定颜色。

当使用合格培养基时，光源所发出白光(RGB 256:256:256)照射穿透培养基后，吸收剩余的光显示为红色(例，RGB 200:50:50),由于光源系统、环境光照等多种原因，会在测量值中引入噪声，即所得测量值在实际值(RGB 200:50:50)附近波动(例如：210:60:60–190:45:45)对此，采取多次采样后数据处理的方式，获取单个时间点上的采样真实值，对于多次采样的数据处理方式例如可以是：采用简单平均——即将N次采样值求和后除以N，获得平均值；采用进一步的数字滤波，对特定频率(例如市电频率50Hz/60Hz)的噪声进行滤除。

当培养基失效后；培养基指示剂失去选择吸收特性，此时的培养基对所有光谱的光均匀吸收，即光源所发出白光(RGB 256:256:256)照射穿透培养基后，吸收剩余的光显示为无色(例，RGB 60:60:60),同样的，将此数据经过多次采样并处理的方法，获取单一时间点上的真实颜色信号。并经过如上所述的数据处理，以得出培养基的状态，并为下一步决策提供参考。

本发明装置及方法适用于颜色会随其内部组分变化而变化的培养基，培养基为被检测对象，对培养基的描述并非对本发明装置及发法的限定。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。