专利名称：一种检测培养皿内贴壁细胞状态的装置及其方法
一种检测培养皿内贴壁细胞状态的装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种装置，尤其涉及一种检测培养皿内贴壁细胞状态的装置及 其方法。背景技术：
使用培养皿培养贴壁细胞广泛用于生物学、医学、药学、刑侦、检验检疫 等领域各类实验室的小规模扩培。贴壁细胞培养通常是这些实验室中最常见的 实验项目之一，贴壁细胞培养操作也是这些实验室最常规、基本的实验操作。 而对贴壁细胞的计数、体积评估是这些实验操作的基本内容之一。
目前，对培养皿中贴壁细胞的数目、体积的评估几乎都是人工方法，操作 步骤包括显微镜定性评估、消洗、稀释、定量取样、染色、显微镜计数等。测 量步骤繁琐、历时较长、误差较大，更重要的问题是不能形成自动化的培养、 监测系统。
现在，自动化的菌落分析仪己经出现，它通过CCD将显微镜下培养皿上 的图像传送到计算机，计算机内的图像识别、分析软件对培养皿上的细胞状况 进行自动分析。它实际上是将人工在显微镜下的观察以计算机来代替，但这并 不能解决显微镜直接观察培养皿所产生的相关问题，如因细胞重叠的计数不 准、细胞分布不均使得观察点缺乏代表性、死亡细胞也被计算在内、不能在培 养的同时进行监测等。
中国专利申请200510118968. 5公开了一种离体细胞微应力施加装置。中 国专利申请200610020150. 4公开了一种细胞分析仪，但是关于检测培养皿内 贴壁细胞状态的装置及其检测方法目前还未见报道。
发明内容
本发明的目的是，提供一种检测培养皿内贴壁细胞状态的装置。 本发明的再一的目的是，提供一种利用上述装置检测培养皿内贴壁细胞状 态的方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是 一种检测培养皿内贴壁细胞 状态的装置，包括主机、培养皿，所述的主机包括主板、按钮键盘、显示模块、 机壳、电缆及端口架，所述的主板上设有MCU单元、存储单元、时钟模块、
测温电桥、波形发生器、稳压模块、按钮接口、显示驱动、232芯片， 所述的存储单元与MCU单元相连接； 测温电桥与MCU单元相连接； 时钟模块与MCU单元相连接；
MCU单元通过A/D转换模块与滤波器相连接，滤波器通过放大器、电缆、 端口架与培养皿中的电极相连接；
MCU单元依次通过波形发生器、隔离变压器模块与探头相连接；
MCU单元连接稳压模块，稳压模块通过电源接口连接电池或交流市电；
MCU单元通过按钮接口连接按钮键盘；
MCU单元通过显示驱动连接显示模块；
MCU单元连接232芯片，232芯片连接232接口 。
可选的，所述的培养皿底部内表面上涂有电极，所述的电极是由二个或四 个用导电银胶涂成的电极。
可选的，所述的电极为直线或圆环线条，直线线条电极呈左右对称分布， 圆环线条电极与培养皿同圆心。
可选的，所述的端口架上包括底座、上臂、内电极探针、外电极探针、探针卡槽、端口架引出线。
可选的，所述的底座、上臂由聚四氟乙烯整体加工而成。
可选的，所述的上臂表面上设有探针卡槽，所述的探针卡槽固定内电极探 针、外电极。
可选的，所述的MCU单元为DSP芯片，波形发生器为直接数字频率合成
器°
可选的，所述的DSP芯片选用TMS32C2812芯片，直接数字频率合成器 选用AD9834芯片。
可选的，所述的存储单元为RAM和FLASH。
为实现上述第二个目的，本发明采取的技术方案是 一种检测培养皿内贴 壁细胞状态的方法，包括以下主要步骤
a、 将导电银胶按电极所需形状和位置涂在培养皿内表面，再将培养皿消 毒、培养液浸泡、再消毒、烘干备用；
b、 将待接种菌引种入步骤a处理过的培养皿，将培养皿置入端口架内， 再将端口架置于培养箱内，将端口架引出线接出培养箱，连接到主机的电缆上;
c、 打开装置中的主机，开始执行监测的程序。
本发明优点在于(1)能够实时在线测量，因而可以与其它仪器形成自动 化的培养装置；(2)测量不受细胞重叠的影响，测量范围可在细胞浓度变化 的4个数量级内完成，因而测量阈值广；(3)测量不受死亡细胞和细胞碎片 的干扰，因为它们不能形成细胞那样的"微小电容"，因而不会在测得电容上 反映；(4)涂银电极经实验证明是无害的，测量过程对细胞本身也是无损的， 经过测量的培养皿中的细胞可以继续培养。
附图1是本发明一种检测培养皿内贴壁细胞状态的装置硬件结构框图。
附图2是内涂4根平行线电极的培养皿。 附图3是内涂2根平行线电极的培养皿。 附图4是内涂4圈同心圆电极的培养皿。 附图5是内涂2圈同心圆电极的培养皿。 附图6A是端口架的结构示意图。 附图6B是端口架的结构的侧视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的一种检测培养皿内贴壁细胞状态的装置及 实方法的具体实施方式
做详细说明。
附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示
2、外电极
4、底座 6、外电极探针 8、探针卡槽 10、主板 12、显示模块 14、端口架 16、测温电阻 100、 MCU单元
3、内电极
5、上臂
7、内电极探针
9、端口架引出线
11、按钮键盘
13、电缆
15、培养皿
101、时钟模块102、测温电桥 104、隔离变压器模块
106、波形发生器 108、电池或交流市电 110、稳压模块 112、显示驱动 114、 232接口 实施例1
内涂4根平行线电极的培养皿制作
在无菌操作台内，将导电银胶按图2所示涂在培养皿15的底部，制成培 养皿15底部有四根平行线银线电极，四根直线线条电极呈左右对称分布，外 电极2设置在内电极3外侧。然后对培养皿15实行酒精消毒，培养液浸泡，
再酒精消毒，烘干备用。 实施例2
内涂2根平行线电极的培养皿制作
在无菌操作台内，将导电银胶按图3所示涂在培养皿15的底部，制成培 养皿15底部有二根平行线银线电极，二根直线线条电极呈左右对称分布。然 后对培养皿15实行酒精消毒，培养液浸泡，再酒精消毒，烘干备用。
实施例3
内涂4圈同心圆电极的培养皿制作
在无菌操作台内，将导电银胶按图4所示涂在培养皿15的底部，制成培 养皿15底部有4圈同心圆银线电极，4圈圆环线条电极与培养皿15同圆心。 然后对培养皿15实行酒精消毒，培养液浸泡，再酒精消毒，烘干备用。
103、放大器 105、滤波器
107、 A/D转换模块 109、电源接口 111、按钮接口
113、 232芯片 115、存储单元实施例4
内涂2圈同心圆电极的培养皿制作
在无菌操作台内，将导电银胶按图5所示涂在培养皿15的底部，制成培 养皿15底部有2圈同心圆银线电极，2圈圆环线条电极与培养皿15同圆心。 然后对培养皿15实行酒精消毒，培养液浸泡，再酒精消毒，烘干备用。
实施例5
一种检测培养皿内贴壁细胞阻抗的装置 请参照图l，图2，图6A，图6B。
图1为一种检测培养皿内贴壁细胞状态的装置硬件结构框图，该装置上设 有主机、培养皿15，所述的装置的主机包括主板10、按钮键盘ll、显示模块 12、机壳(图中未示)、电缆13及端口架14。所述的主板10上设有MCU单元 100、存储单元115、时钟模块101、测温电桥102、波形发生器106、稳压模 块IIO、按钮接口 111、显示驱动112、 232芯片113。所述的存储单元115与 MCU单元100相连接，测温电桥102与MCU单元IOO相连接，时钟模块101与 MCU单元100相连接。MCU单元100通过A/D转换模块107与滤波器105相连 接，滤波器105通过放大器103、电缆13、端口架14与培养皿15中的电极相 连接。MCU单元100依次通过波形发生器106、隔离变压器模块104与探头相 连接。MCU单元100连接稳压模块100，稳压模块100通过电源接口 109连接 电池或交流市电108。 MCU单元100通过按钮接口 111连接按钮键盘11。 MCU 单元100通过显示驱动112连接显示模块12。MCU单元100连接232芯片113， 232芯片113连接232接口 114。请参照图6A，图6B。图6A和图6B为端口 架14，培养皿15置于端口架14内，所述的培养皿15选用实施例1制作的培 养皿。端口架14上包括底座4、上臂5、外电极探针6、内电极探针7、探针
9卡槽8、端口架引出线9、测温电阻16。所述的底座4边侧设有一支架(图中 未示)，支架上设有一上臂5。所述的底座4、支架、上臂5由聚四氟乙烯整 体加工而成。所述的上臂5表面上设有探针卡槽5，所述的内电极探针7、外 电极探针6的大端头固定在卡槽8上。内电极探针7小端头贴近银线的内电极 3、外电极探针6的小端头贴近银线的外电极2 (探针固定在卡槽上，能根据培 养皿内银线电极调整位置并固定。)。
需要说明的是所述的端口架引出线9共有6根，第一、二根端口架引出 线9连接两个外电极探针6，第三、四根端口架引出线9连接两个内电极探针 7，第五、六根端口架引出线9 一端连接测温电阻16，另一端连接测温电桥102。 端口架14的作用是固定培养皿15，将端口架引出线9与主机相连。所述的外 电极探针6、内电极探针7可采用不锈钢探针，其导电好、无污染，且具有一 定的耐腐蚀性能。
探头获得的电位和电流信号相继通过放大器、滤波器和A/D转换模块进入 MCU单元，MCU单元通过按照事先预定的程序，输出频率字节到波形发生器 (0SC)，产生特定频率和幅值的正弦波，通过一个隔离变压器模块送到探头 部分，电流回路接地形成探头接地系统，与主机接地系统隔离(本发明探头以 外的装置部分为设备主机)，有效地减少了探头所处环境中影响测量结果的干 扰因素。
所述的放大器103包括电位放大、参考电组和电流放大。 MCU单元100为DSP芯片(数字信号处理器)，DSP芯片可采用具有比较 完善的对外接口的TMS32C2812芯片。波形发生器106为直接数字频率合成器 (DDS)，直接数字频率合成器可采用AD9834芯片，并加高速运放作缓冲。 所述的显示模块12为LCD显示屏(液晶显示屏)。使用者用按钮输入指 令，可以得到需要的数据，也可以将数据保存在存储单元115内或通过RS-232 接口将数据远传到计算机。主机上的存储单元115为RAM(随机存储器)和FLASH(闪存)。
MCU单元的主要功能是运算与控制，将测量出的数据和经运算得到的数据 保存在存储单元115内或显示在外置的显示模块12上。这些数据可以是介电 常数和电导率，也可以是经过换算的贴壁细胞数量、粒径分布等。
主机的主板10上设有RS232芯片113和RS232接口 114， RS232芯片113 与MCU单元100相连接，RS232接口 114与RS232芯片113相连接。RS232芯 片113和RS232接口 114，方便本发明与外界的数据通信，便于本发明在自动 控制系统中的应用。
时钟模块IOI为DSP提供标准时钟信号，使DSP工作在稳定的频率下。由 于液体的阻抗特性与温度相关，因此在测量阻抗参数之一的电容时，必须同时 测量温度用于对测得的电容值进行修正，从而准确获得液体本身的电容值。因 此本发明在靠近液体的前端端口架上外侧粘贴测温电阻，通过端口架引出线引 出到主机的主板上的测温电桥102，对测温电阻的电压进行调理后输入到DSP 得到实时的液体温度值。
本发明的工作原理如下波形发生器106在MCU单元的控制下发出特定频 率和幅值的交流电流，经过隔离变压器模块104、电缆13、端口架14、第一根 端口架引出线9进入外电极探针6、银线的外电极2、再流入到培养皿内液体、 流经银线的内电极3、另一侧银线的内电极3、另一侧银线的外电极2、通过另 一侧外电极探针6、通过第二根端口架引出线9，流回到主机主板上的参考电 阻。参考电阻上产生电压，该电压被电流放大器放大、经滤波器、AD转换后 MCU单元得到当前的电流信号。当交流电流通过外电极探针6、银线电极外电 极2进出液体时，液体内建立了该频率的电场，在内电极3上产生了电压。通 过内电极探针7、端口架引出线9、端口架14、电缆13将该电压信号引入到主 板10。该电压被电压放大器放大、经滤波器、AD转换后MCU单元100得到当 前的电流信号。所述的电位信号(电压信号)通过第三根端口架引出线9、内电极探针7、流经银线的内电极3、再流入到培养皿内液体、通过另一侧银线 的内电极3、通过另一侧内电极探针7、第四根端口架引出线9、端口架14、 电缆13，将该电压信号引入到主板10的电位放大、经滤波器105、 AD转换后 MCU单元100得到当前的电位信号。
电流在进出液体和银线电极的时候，电极表面会形成电极极化，产生极化 阻抗Zpl和Zp2。频率越低，极化阻抗越大。对于电导率较高的液体，l腿z以 下时通常极化阻抗要明显大手液体的阻抗。因此，此时不能认为外电极上的电 位就是液体上的电位，而需要使用一对内电极，避开极化阻抗而直接得到液体 上的电位。内电极上的电流非常小，因此内电极上几乎没有电极极化。在使用 电导率较低的培养液时，可以不用内电极而仅使用一对电极进行阻抗测量。在 使用四电极时，内电极可以得到液体电压特性，根据欧姆定律Z^/1，还需要 液体的电流特性，这可以通过一参考电阻Rr与液体串联而得到。设内电极测 得试样上电压矢量为Vx，试样内通过电流矢量I，参考阻抗上的电压矢量为Vr。 由于极化阻抗、试样、参考电阻串联，因此有
因此，只需要能实时准确测量Vx、 Vr电压幅值比和其相位差，结合预先
则试样阻抗可表示为:
可以得到:
12标定好的参考阻抗Rr即可得到待测的试样阻抗Zx。如果使用的是2电极，则 将该两电极上的电压作为Vx。
由于细胞膜电导率只有其内外介质的电导率的1/106，因此当在包含细胞 的液体内施加电场时，培养皿内液体中的细胞就成为一个个微小的电容。由于 细胞膜很薄，因此电容量在浓度为10S个/ml时就可以达到pF级而被检测出来。 测得的电容与电极间细胞数目成正比，通过使用前的离线标定，预先测得测得 电容与细胞的比例关系，就可以通过在线测量电容来实时在线得到细胞的总 数。
实施例6
使用本发明的检测装置检测培养皿内贴壁细胞状态的方法 第一步实施例1制作的培养皿消毒、烘干备用；
第二步按培养操作规程，将待接种菌引种上述处理过的培养皿，将培养 皿置入端口架14内，端口架14再置于培养箱内，将端口架引出线9小心接出
培养箱，将端口架引出线9连接到主机上的电缆13;注意端口架各部件的消毒；
第三步打开主机，按规程执行开始监测的程序。仪器将立刻执行内置的
校正程序，记录当前和后续的培养状态并显示出来。
需要说明的是:实施例2-4制作的培养皿也可以应用于本发明检测方法中。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些 改进和补充也应视为本发明的保护范围。
1权利要求
1.一种检测培养皿内贴壁细胞状态的装置，包括主机、培养皿，所述的主机包括主板、按钮键盘、显示模块、机壳、电缆及端口架，其特征在于，所述的主板上设有MCU单元、存储单元、时钟模块、测温电桥、波形发生器、稳压模块、按钮接口、显示驱动、232芯片，所述的存储单元与MCU单元相连接；测温电桥与MCU单元相连接；时钟模块与MCU单元相连接；MCU单元通过A/D转换模块与滤波器相连接，滤波器通过放大器、电缆、端口架与培养皿中的电极相连接；MCU单元依次通过波形发生器、隔离变压器模块与探头相连接；MCU单元连接稳压模块，稳压模块通过电源接口连接电池或交流市电；MCU单元通过按钮接口连接按钮键盘；MCU单元通过显示驱动连接显示模块；MCU单元连接232芯片，232芯片连接232接口。
2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的培养皿底部内表面上 涂有电极，所述的电极是由二个或四个用导电银胶涂成的电极。
3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的电极为直线或圆环线 条，直线线条电极呈左右对称分布，圆环线条电极与培养皿同圆心。
4. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的端口架上包括底座、 上臂、内电极探针、外电极探针、探针卡槽、端口架引出线。
5. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的底座、上臂由聚四氟 乙烯整体加工而成。
6. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的上臂表面上设有探针卡槽，所述的探针卡槽固定内电极探针、外电极。
7. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的MCU单元为DSP芯片， 波形发生器为直接数字频率合成器。
8. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述的DSP芯片选用 TMS32C2812芯片，直接数字频率合成器选用AD9834芯片。
9. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的存储单元为RAM和 FLASH。
10. —种利用权利要求1所述的装置检测培养皿内贴壁细胞状态的方法， 包括以下主要步骤a、 将导电银胶按电极所需形状和位置涂在培养皿内表面，再将培养皿消 毒、培养液浸泡、再消毒、烘干备用；b、 将待接种菌引种入步骤a处理过的培养皿，将培养皿置入端口架内， 再将端口架置于培养箱内，将端口架引出线接出培养箱，连接到主机的电缆上;c、 打开装置中的主机，开始执行监测的程序。
全文摘要
本发明涉及了一种检测培养皿内贴壁细胞状态的装置及其方法，所述的装置包括主机、培养皿，所述的主机包括主板、按钮键盘、显示模块、机壳、电缆及端口架，所述的主板上设有MCU单元、存储单元、时钟模块、测温电桥、波形发生器、稳压模块、按钮接口、显示驱动、232芯片。本发明还提供了一种检测培养皿内贴壁细胞状态的方法。本发明的优点是能够实时在线测量，因而可以与其它仪器形成自动化的培养装置；测量不受细胞重叠的影响，测量范围可在细胞浓度变化的4个数量级内完成，因而测量阈值广。
文档编号C12M1/34GK101654651SQ200810041988
公开日2010年2月24日 申请日期2008年8月22日 优先权日2008年8月22日
发明者飞 胥 申请人:上海电机学院