专利名称：细胞功能活性在线检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种细胞功能活性检测装置，尤其涉及快速的在线细胞功能活性检测装置。
背景技术：
在生物医学工程领域，生物反应器是细胞培养的重要装置，许多细胞培养和实验的工作需要在生物反应器中进行。通常，细胞功能活性的检测装置采用分光光度计。分光光度计的构造是由钨灯(紫外的用氘灯)光源，级联的透镜，光阑，分光装置(棱镜或者光栅)，比色池，光电接受、以及后续的分析处理显示部分和恒温装置组成。但是这种装置用于生物反应器中的细胞功能活性的检测有诸多的不便首先，分光光度计结构复杂，尤其是光路结构复杂，体积大，调试麻烦；其次，检测时，必须终止生物反应器的运行；再次，对生物反应器内的细胞的功能活性的检测的原则是不影响细胞的正常运行，快速定性的得到结果，要求测量间隔短。现有的装置都不能满足要求。
在使用生物反应器进行细胞培养研究时，经常需要及时地、定性地了解被培养肝细胞的功能和活性，可以通过检测培养液中白蛋白和尿素含量的方法实现。按照常规做法是把生物反应器内提取的细胞培养液送到专门的化验室利用分光光度计进行分析。虽然这样可以得到精确的结果，但时效性差已经不能及时地反映当时的情况。
实用新型内容为了解决现有的检测装置不适合对生物反应器内的细胞进行功能活性的在线、定性、快速检测的问题，本实用新型提供了一种单色光源的细胞功能活性检测装置。该检测装置不仅能达到分光光度计的精度要求，而且能方便地与生物反应器系统相连接，通过检测培养液中白蛋白和尿素含量的方法对被培养细胞的功能活性进行连续的快速检测。
本实用新型解决其技术问题所采用的方案是本实用新型包括光电检测集成部件、比色皿、蠕动泵、试剂瓶和电控系统。
光电检测集成部件由超亮发光二极管、比色皿插槽和集成光电传感器组成。超亮发光二极管和集成光电传感器分别置于比色皿插槽的两端，超亮发光二极管的光路与光电传感器的中心对正并且垂直。当超亮发光二极管发出的光线穿过比色皿及其内部存放的液体后，到达光电传感器并把光的强弱转换成相应的电压信号。
蠕动泵置于生物反应器和比色皿之间以及试剂瓶和比色皿之间。在生物反应器和比色皿之间用内径0.2毫米的医用橡胶软管连接，并将软管嵌入到蠕动泵头的管槽内，以满足取样的需要；在试剂瓶和比色皿之间用内径1-2毫米的医用橡胶软管连接，并将软管嵌入到蠕动泵头的管槽内，以满足添加试剂需要。置于机箱左后部的蠕动泵在单片机的控制下工作时，泵头主动轮的旋转使泵头上安装的滚轮周而复始地压紧和放松泵头管槽内的医用橡胶软管，使管内产生负压，使培养液和试剂按照需求送入到安放在光电检测集成部件中心部位的比色皿中。
电控系统包括AVR单片机模块MEGA16，液晶触摸屏，通道控制开关模块MAX313，串行通讯控制芯片MAX232，电控系统连接器HDR2×14和系统电源HF30W-T。其中AVR单片机模块完成该装置进行检测时的动作控制，把从光电检测集成部件得到的电压信号转换成数字信号并进行处理。液晶触摸屏是显示测试结果和操作者把控制指令输入装置的设备。通道控制开关模块的作用是在AVR单片机模块的控制下打开或关闭相应的通道以实现AVR单片机模块与该装置内其他部件的数据交换。电控系统连接器是多端接线端子，它是装置内电控系统与机械部件及光电检测集成部件相连接的通道。系统电源选用市售多路直流稳压电源，作为整个电控系统进行工作的电源。
在电控系统内AVR单片机模块是控制的核心，单片机的RS232引脚与串行通讯控制芯片相连，串行通讯控制芯片分别与电控系统连接器的“接收数据”引脚和“发送数据”引脚相连。通过这两个引脚再加上一根直流电源公共地线后与上位计算机通过RS232接口进行通讯，交换数据。
AVR单片机模块的PB4、PB5和PB6引脚分别与控制电路接口的“液晶屏”引脚和“触摸屏”引脚相连接，并通过此处与液晶触摸屏相连接，使操作者的指令输入到AVR单片机模块内，并把经计算处理后的数据在液晶屏上显示出来。AVR单片机模块的PD7、PD6、PD3和PD2与通道控制开关模块相连接，对从电控系统连接器引脚与AVR单片机模块之间传送的信号进行控制。其中AVR单片机模块的PA0和PB1引脚经过通道控制开关模块313[6]和313[3]连接到电控系统连接器的“红色”和“黄绿色”引脚。并由“红色”引脚连接到安放在白蛋白通道光电检测集成部件上的红色超亮发光二极管，以实现对这个器件控制。同理，由“黄绿色”引脚连接到安放在尿素通道光电检测集成部件上的黄绿色超亮发光二极管，以实现对这个器件的控制。AVR单片机模块的PB0和PC0引脚经过经通道控制开关模块313[9]和313[16]连接到电控系统连接器的“尿素通道”和“白蛋白通道”引脚。并由“尿素通道”引脚连接到安放在尿素通道光电检测集成部件上的尿素通道集成光电传感器。以便把接收到的电压信号传送到AVR单片机模块内进行处理。同理，由“白蛋白通道”引脚连接到安放在白蛋白通道光电检测集成部件上的白蛋白通道集成光电传感器。以便把接收到的电压信号传送到AVR单片机模块内进行处理。AVR单片机模块的PD4和PD5引脚经过通道控制开关模块PP1和PP2连接到控制电路接口的“试剂泵”和“培养液泵”引脚。并由“试剂泵”引脚连接到装置内的提取试剂的蠕动泵的控制端，以实现AVR单片机模块对提取试剂蠕动泵的控制。同理，由“培养液泵”引脚连接到装置内的提取培养液的蠕动泵的控制端，以实现AVR单片机模块对提取培养液蠕动泵的控制。
上述光电检测集成部件、比色皿、蠕动泵、试剂瓶和电控系统被安放在一一个长方形的机箱内，箱体内的右前部放置内装有光电检测集成部件的避光暗箱。在光电检测集成部件中心部位为放置比色皿的插槽。机箱内的右后部放置用于取样和添加试剂的蠕动泵和试剂瓶。机箱内的左部放置该装置的电控系统，其中液晶触摸屏嵌在机箱的左部顶层，其下方的机箱内放置单片机和系统电源。
进行测量时把比色皿插入到比色皿插槽内。比色皿内的培养液与试剂发生化学反应后导致颜色产生变化，当特定波长的超亮发光二极管发出的光线穿过比色皿被集成光电传感器接收后以电压的形式表达出培养液内物质浓度的变化。此电压信号被送入单片机。经过转换计算最后在液晶触摸屏上显示出此时生物反应器内被培养细胞的状态。
本实用新型设计了两套工作原理相同的光电比色检测集成部件，以满足检测培养液中白蛋白和尿素的含量所用的试剂和检测光源波长不同的需要。
本实用新型可以用手动或其它移液装置代替蠕动泵进行工作。
当使用电压控制变光二极管作为测量光源时可以仅用一套光电检测集成部件，分时插入不同的比色皿以达到分别检测培养液中的白蛋白和尿素的目的。
本实用新型有益的效果1、以双色超亮发光二极管做冷光源，代替通用分光光度计上的钨灯氘灯和复杂的分光系统，以光电集成传感器(内置电流电压放大器)代替通用光度计上的硅光电池或者光电倍增管。使仪器结构简化，并且减小了仪器的体积和重量，实现了仪器的微型化。使其能够与生物反应器系统方便地连接。
2、整个装置的设计围绕白蛋白和尿素两个检测指标，分析指标具有代表性，能够定性的反映细胞的功能活性的规律。
3、在线定性快速检测细胞功能活性的同时，不影响细胞的正常培养。
图1为本实用新型具体实施方式
光电检测集成部件、比色皿、蠕动泵、试剂瓶的连接关系示意图，图中200生物反应器内培养液；201提取培养液蠕动泵；202连接培养液与测尿素比色皿之间的医用橡胶软管；203连接培养液与测白蛋白比色皿之间的医用橡胶软管；204测白蛋白比色皿；205连接测白蛋白试剂与比色皿之间的医用橡胶软管；206提取试剂蠕动泵；207连接测尿素试剂与比色皿之间的医用橡胶软管；208测尿素比色皿；209测尿素试剂瓶；210测白蛋白试剂瓶；211测白蛋白光电检测集成部件；212测尿素光电检测集成部件；213电控系统；214提取培养液蠕动泵控制线；215提取试剂蠕动泵控制线；216测白蛋白光电检测集成部件控制线；217测尿素光电检测集成部件控制线；图2是本实用新型的电控系统连接器与光电检测集成部件、系统电源、液晶触摸屏的连接关系示意图。图中301黄绿色超亮发光二极管、312红色超亮发光二极管；204测白蛋白比色皿；208测尿素比色皿；303、310集成光电传感器；306液晶触摸屏；404电控系统连接器；308系统电源；图3是本实用新型的电控系统内部电路连接示意图。图中401串行通讯控制芯片；402AVR单片机模块；403通道控制开关模块；404电控系统连接器；图4是本实用新型的机箱内各部件安放位置俯视图，图中101液晶触摸屏安放位置；102培养液蠕动泵安放位置；103试剂蠕动泵安放位置；104测白蛋白试剂瓶安放位置；105测尿素试剂瓶安放位置；106黄绿色超亮发光二极管安装位置；107测尿素比色皿插槽安放位置；108尿素通道集成光电传感器安装位置；109红色超亮发光二极管安装位置；110测白蛋白比色皿插槽安放位置；111白蛋白通道集成光电传感器安装位置；112避光暗箱安装位置。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步说明。本实用新型包括光电检测集成部件、比色皿、蠕动泵、试剂瓶和电控系统。
光电检测集成部件包括测白蛋白光电检测集成部件211和测尿素光电检测集成部件212。测白蛋白光电检测集成部件211由红色超亮发光二极管312、测白蛋白比色皿204和集成光电传感器310组成。测尿素光电检测集成部件212由黄绿色超亮发光二极管301、测尿素比色皿208和集成光电传感器303组成。
超亮发光二极管312、301和集成光电传感器310、303分别置于比色皿插槽的两端，超亮发光二极管312、301的光路与光电传感器310、303的中心对正并且垂直。两个超亮发光二极管312、301分别置于煮黑的铝质套管中，降低光在测量室中的散射。并可以在套管中前后移动来调整焦距，以使可能多的透射光被光电传感器310、303接收。
提取培养液蠕动泵201置于生物反应器和测白蛋白比色皿204以及生物反应器和测尿素比色皿208之间；在生物反应器培养液200和测尿素比色皿208之间用内径0.2毫米的医用橡胶软管202连接；生物反应器培养液200与测白蛋白比色皿204之间用医用橡胶软管203连接。软管202、203嵌入到蠕动泵201泵头的管槽内。提取培养液蠕动泵控制线214将该蠕动泵与本实用新型的电控系统213连接，使它在AVR单片机模块402的控制下进行工作。
提取试剂蠕动泵206安置于测尿素试剂瓶209与测尿素比色皿208之间以及测白蛋白试剂瓶210与测白蛋白比色皿204之间；测尿素试剂瓶209与测尿素比色皿208之间用医用橡胶软管207连接，测白蛋白试剂瓶210与测白蛋白比色皿204之间用医用橡胶软管205连接；软管207、205嵌入到蠕动泵206泵头的管槽内。提取试剂蠕动泵控制线215将该蠕动泵与本实用新型的电控系统213连接，使它在AVR单片机模块402的控制下进行工作。
蠕动泵201、206在AVR单片机模块402的控制下工作时，泵头主动轮的旋转使泵头上安装的滚轮周而复始地压紧和放松泵头管槽内的医用橡胶软管，使管内产生负压，使培养液和试剂按照需求送入到比色皿204、208中。
电控系统213包括串行通讯控制芯片401；AVR单片机模块402；通道控制开关模块403；电控系统连接器404；液晶触摸屏306；和系统电源308。测白蛋白光电检测集成部件控制线216和测尿素光电检测集成部件控制线217分别表示本实用新型的电控系统与这两个测量通道相联系的两组信号线。
电控系统213与光电检测集成部件211和212，系统电源308、液晶触摸屏306的连接是通过电控系统连接器404实现的。
如图2所示，测白蛋白光电检测集成部件211中的红色超亮发光二极管312和集成光电传感器310分别连接到电控系统连接器404的“红色”和“白蛋白通道”引脚。测尿素光电检测集成部件212中的黄绿色超亮发光二极管301和集成光电传感器303分别连接到电控系统连接器404的“黄绿色”和“尿素通道”引脚。当超亮发光二极管发出的光线穿过比色皿及其内部存放的液体后，到达集成光电传感器并把光的强弱转换成相应的电压信号由AVR单片机模块402进行处理。
电控系统213的内部连接如图3所示。串行通讯控制芯片401的发送端AVR-TXD与AVR单片机模块402的发送端AVR-TXD相连，它的接收端AVR-RXD和AVR单片机模块402的接收端AVR-TXD相连。串行通讯控制芯片401的端口RXD、TXD分别和电控系统连接器404的“接收数据”引脚和“发送数据”引脚相连。其作用是为本装置与上位计算机的数据交换预留通讯接口。
图3中的AVR单片机模块402是电控系统的核心器件。它的PB6、PB[5..4]分别作为触摸屏的数据输入端口、液晶显示器的双向数据传输端口。PD[7.6.3.2]作为通道控制开关模块403的选通开关。PA0和PB1引脚经通道控制开关模块403的313[6]和313[3]连接到电控系统连接器404的“红色”和“黄绿色”引脚。PB0和PC0引脚经过经通道控制开关模块403的313[9]和313[16]连接到电控系统连接器404的“尿素通道”和“白蛋白通道”引脚。PD4和PD5引脚经过通道控制开关模块403的PP1和PP2连接到电控系统连接器404的“试剂泵”和“培养液泵”引脚。
图4所示为本实用新型各部件在机箱内的安放位置。在机箱左半部的顶层是嵌入液晶触摸屏101安放位置。其正下方机箱内的位置安放电控系统213和系统电源308。机箱内右前部的位置安放避光暗箱112，在该避光暗箱内安放两套光电检测集成部件。黄绿色超亮发光二极管安装位置为106；测尿素比色皿插槽安放位置107和尿素通道集成光电传感器安装位置108。红色超亮发光二极管安装位置为109；测白蛋白比色皿插槽安放位置110和白蛋白通道集成光电传感器安装位置111。在机箱内右后部是用于取样的培养液蠕动泵安放位置102；添加试剂蠕动泵安放位置103；测白蛋白试剂瓶安放位置104和测尿素试剂瓶安放位置105。
本实用新型工作原理及工作过程如下开始检测之前把生物反应器内的培养液200和试剂瓶209、210内的试剂通过蠕动泵201、206分别注入到比色皿插槽内的比色皿208和204之中。当蠕动泵201、206在单片机的控制下工作时，泵头主动轮的旋转使泵头上安装的滚轮周而复始地压紧和放松泵头管槽内的医用橡胶软管202、203、205、207，使管内产生负压，培养液200和试剂送入到比色皿208和204中。
红色超亮发光二极管312和集成光电传感器310分别置于测白蛋白比色皿204的两端，红色超亮发光二极管312的光路与光电传感器310的中心对正并且垂直。进行测量时把测白蛋白比色皿204插入到比色皿插槽110内。由于比色皿内的培养液与试剂发生化学反应后导致颜色产生变化，所以当特定波长的红色超亮发光二极管312发出的光线穿过比色皿204被集成光电传感器310接收后可以电压的形式表达出培养液内白蛋白浓度的变化。
同理，黄绿色超亮发光二极管301和集成光电传感器303分别置于测尿素比色皿208的两端，黄绿色超亮发光二极管301的光路与光电传感器303的中心对正并且垂直。进行测量时把测尿素比色皿204插入到比色皿插槽107内。由于比色皿内的培养液与试剂发生化学反应后导致颜色产生变化，所以当特定波长的黄绿色超亮发光二极管301发出的光线穿过比色皿208被集成光电传感器303接收后就可以电压的形式表达出培养液内尿素浓度的变化。
这些电压信号通过电控系统连接器404被送入AVR单片机模块402。经过转换处理最后在液晶触摸屏306上定性地显示出此时生物反应器内被培养细胞的功能活性状态。
权利要求1.一种细胞功能活性在线检测装置，其特征是包括电检测集成部件、比色皿、蠕动泵、试剂瓶和电控系统[213]；光电检测集成部件包括测白蛋白光电检测集成部件[211]和测尿素光电检测集成部件[212]；测白蛋白光电检测集成部件[211]由红色超亮发光二极管[312]、测白蛋白比色皿[204]和集成光电传感器[310]组成；测尿素光电检测集成部件[212]由黄绿色超亮发光二极管[301]、测尿素比色皿[208]和集成光电传感器[303]组成；电控系统[213]包括串行通讯控制芯片401、AVR单片机模块402、通道控制开关模块403、电控系统连接器404、液晶触摸屏306和系统电源308；测白蛋白光电检测集成部件[211]中的红色超亮发光二极管[312]和集成光电传感器[310]分别连接到电控系统连接器[404]的“红色”和“白蛋白通道”引脚；测尿素光电检测集成部件[212]中的黄绿色超亮发光二极管[301]和集成光电传感器[303]分别连接到电控系统连接器[404]的“黄绿色”和“尿素通道”引脚；串行通讯控制芯片[401]的发送端AVR-TXD与AVR单片机模块的发送端AVR-TXD相连，它的接收端AVR-RXD和AVR单片机模块的接收端AVR-TXD相连；串行通讯控制芯片[401]的端口RXD、TXD分别和电控系统连接器[404]的“接收数据”引脚和“发送数据”引脚相连；AVR单片机模块[402]的PB6、PB[5..4]分别为触摸屏的数据输入端口、液晶显示器的双向数据传输端口；PD[7.6.3.2]作为通道控制开关模块[403]的选通信号；PA0和PB1引脚经通道控制开关模块[403]的313[6]和313[3]连接到电控系统连接器[404]的“红色”和“黄绿色”引脚；PB0和PC0引脚经过经通道控制开关模块[403]的313[9]和313[16]连接到电控系统连接器[404]的“尿素通道”和“白蛋白通道”引脚；PD4和PD5引脚经过通道控制开关模块[403]的PP1和PP2连接到电控系统连接器[404]的“试剂泵”和“培养液泵”引脚；提取培养液蠕动泵[201]置于生物反应器和测白蛋白比色皿[204]之间以及生物反应器和测尿素比色皿[208]之间；在生物反应器培养液[200]和测尿素比色皿[208]之间用内径0.2毫米的医用橡胶软管[202]连接；生物反应器培养液[200]与测白蛋白比色皿[204]之间用医用橡胶软管[203]连接；软管[202]、[203]嵌入到蠕动泵[201]泵头的管槽内；提取试剂蠕动泵[206]安置于测尿素试剂瓶[209]与测尿素比色皿[208]之间以及测白蛋白试剂瓶[210]与测白蛋白比色皿[204]之间；测尿素试剂瓶[209]与测尿素比色皿[208]之间用医用橡胶软管[207]连接，测白蛋白试剂瓶[210]与测白蛋白比色皿[204]之间用医用橡胶软管[205]连接；软管[207]、[205]嵌入到蠕动泵[206]泵头的管槽内。
2.根据权利要求1所述的细胞功能在线检测装置，其特征是所述的超亮发光二极管[312]、[301]和集成光电传感器[310]、[303]分别置于比色皿插槽的两端，超亮发光二极管[312]、[301]的光路与光电传感器[310]、[303]的中心对正并且垂直。
3.根据权利要求1所述的细胞功能在线检测装置，其特征是所述的蠕动泵可用手动或其它移液装置代替。
4.根据权利要求1所述的细胞功能活性在线快速检测装置，其特征是使用电压控制变光二极管作为测量光源时可仅用一套光电检测集成部件，分时插入不同的比色皿分别检测培养液中的白蛋白和尿素。
专利摘要一种细胞功能活性在线检测装置，包括超亮发光二极管，集成光电传感器，比色皿、蠕动泵、试剂瓶和电控系统。超亮发光二极管发出的光线穿过比色皿及其内部存放的液体，到达集成光电传感器并把光信号转换成电压信号。蠕动泵置于生物反应器和比色皿之间以及试剂瓶和比色皿之间，在生物反应器和比色皿之间用内径0.2毫米的医用橡胶软管连接，并将软管嵌入到蠕动泵头的管槽内，蠕动泵在单片机的控制下工作时，泵头主动轮的旋转使泵头上安装的滚轮周而复始地压紧和放松医用橡胶软管，使管内产生负压，培养液和试剂便送入到安放在光电检测集成部件中心部位的比色皿中，当集成光电传感器接受到穿过比色皿的特定波长的测量光后即可转换成对应的物质浓度。
文档编号G01N21/27GK2762137SQ20042012103
公开日2006年3月1日 申请日期2004年12月30日 优先权日2004年12月30日
发明者李明, 项红生, 杨巍, 楼晗芬 申请人:中国科学院电工研究所