一種基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置的製作方法

2023-07-12 06:17:41

專利名稱：一種基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種培養裝置，具體說是一種基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置。
背景技術：
聲波是一種重要的環境因子，在自然界中廣泛存在，並同生物體發生相互作用。按頻率人們將其分為次聲波(infrasound，10_4 20赫茲)、可聽聲波(audible sound, 20 2 X IO4赫茲)和超聲波(ultrasound，2 X IO4 IO12赫茲)。早在1927年，德國科學家Wood 和Loomis就開始對超聲波生物學效應進行了研究，20世紀60年代次聲與生物體的相互作用也逐漸被人們所關注。現在關於超聲與次聲的生物學效應及機理的研究已越來越深入和廣泛，一些超聲診斷，超聲治療及次聲診療新技術不斷被人們廣泛認識和接受。然而關於可聽聲波的研究，長期以來人們大部分精力都集中在發聲機制、聲信號特徵、聲接收、加工和識別等方向，對聲波在傳播過程中的生物學效應及機理關注較少。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種基於可聽聲波刺激的生物細胞培養裝置， 可通過對生物細胞施加一定頻率的可聽聲波，實現對細胞的生長速度的控制或對產物形成速率的調節。本發明一種基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置，包括主箱體、動力組件和電子控制箱，所述的動力組件包括傳動軸、電動機、調節絲杆和圓形吊盤，傳動軸通過傳動軸承豎直設置在主箱體頂部的中央，並通過傳動帶輪及傳動帶與電動機連接，傳動軸穿過主箱體的頂部伸入到主箱體內，調節絲杆設置在傳動軸位於主箱體內部的一端，並且傳動軸與調節絲杆同軸設置；，在調節絲杆的底端通過螺紋連接有圓形吊盤，主箱體內部安裝有紫外燈和日光燈；主箱體內壁各面均安裝有吸音板主箱體內頂部安裝有頂置揚聲器，底部安裝有底置揚聲器，在電子控制箱內設有信號發生模塊、功率放大模塊、和顯示控制模塊，頂置揚聲器和底置揚聲器通過功率放大模塊與信號發生模塊連接，信號發生模塊通過頻率測定模塊與顯示控制模塊連接，在主箱體內還設有用於測量聲波的傳聲器，傳聲器通過聲強測定模塊與顯示控制模塊連接。所述的主箱體上裝有運行觀察窗，主箱體一側裝有拉門手柄，底部安裝有腳輪； 所述的調節絲杆上設有兩個六角螺母，兩個六角螺母將圓形吊盤夾在中間並固定在調
節絲杆上。所述的圓形吊盤為直徑150mm、厚2mm的圓形鋼板，在圓形鋼板圓周上均勻安裝有 6個爪形鋼套；爪形鋼套由兩條IOmm寬、2mm厚，IOOmrn長的彈簧鋼片組合而成，彈簧鋼片十字交叉並用螺絲固定在圓形託盤下底面，彈簧鋼片距離固定點20mm處向背離圓形託盤的方向折起形成75度角；彈簧鋼片的頂端向固定點方向彎折。所述的電子控制箱上設有顯示面板、紫外燈開關、日光燈開關、聲強調節旋鈕、頻
3率調節旋鈕、電機啟停開關、變頻調節旋鈕、信號發生器開關和音頻播放器接口，其中聲強調節旋鈕與功率放大模塊連接，頻率調節旋鈕與頻率測定模塊連接，變頻調節旋鈕與電動機連接。本發明裝置電子控制箱的信號發生模塊，採用ICL8038晶片作為函數發生器，它可產生單頻正旋波、方波、三角波等波形，聲波信號功率放大模塊對其進行放大後驅動揚聲器工作；然後根據ICL8038函數發生器方波輸出端輸出信號經AT89S52單片機測頻處理並由74SL164和74SL138驅動回顯到LED上的結果，通過調節頻率旋鈕調節到需要的頻率；並根據傳聲器感受到的底置揚聲器的聲信號，經UA741放大器放大並由MAX1032模數轉換器轉換及AT89S52單片機處理後由74SL164和74SL138驅動回顯到LED上的聲強大小，調節聲強調節旋鈕使聲強達到需要的聲波強度。工作時可根據需要進行聲學參數來選擇和調整， 頻率設定精度為士 1赫茲，聲強設定精度在士0. 1分貝；電子控制箱上配設的音頻播放器接口通過音頻轉換頭可轉接各種播放器；聲波音量通常在5 130分貝範圍內可調；在變頻調節旋鈕上設有變頻器，採用無級變頻調速技術傳遞動力，反應快，轉速變化平穩，從而實現傳動系與電動機工況的最佳匹配；
本裝置所用電源是220V/50HZ的交流電源，箱體後部設有接通電源的電源線，電子控制箱上設有電源總開關。本發明進行聲波處理時，先滅菌，再將微生物樣品載體放入圓形吊盤的爪形鋼套中，通過電子控制箱的顯示控制模塊精確調製各種處理參數，讓經過調製的音頻信號經過功率放大系統驅動電動式揚聲器量化實現聲波處理過程。有益效果
1、本發明在研究可聽聲波對單細胞生物生長代謝影響的基礎上，發現可聽聲波生物學效應具有一定的窗口效應特徵，表現為一定的頻率和強度依耐性特徵，通過大量實驗數據證明，本發明一種基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置，通過選取適當的聲波刺激波形、刺激頻率和強度，可實現對靜置培養，或懸浮培養的微生物細胞等生物樣品生長速度的控制或對產物形成速率的調節，效果顯著。2、本發明一種基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置，聲強、頻率和電機轉速可精密調節，並可以顯示，微生物細胞樣品可依需要正置或倒置，能輸出1赫茲到20千赫茲範圍內的正弦波、方波、三角波等波形的可聽聲波，裝置還配有音頻播放器接口電路，可播放各種錄製格式的聲音，從而大大拓展了本裝置的聲波輸出功能；本發明裝置揚聲器所發出聲波的聲強和聲頻更接近真實值，實驗的精確度高；
3、本發明一種基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置，反應快，轉速變化平穩，操作簡單，成本低廉，易於推廣。


圖1是基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置主視圖； 圖2是基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置剖視圖3是基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置的電動機驅動和圓形吊盤裝置剖視
圖4是基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置電路模塊示意圖；圖5是基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置的聲波信號發生及功率放大模塊電路圖6是基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置的頻率測定及顯示模塊電路圖； 圖7是基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置的聲波強度測定及顯示模塊電路
圖中標號為1、電子控制箱，2、顯示面板，3、紫外燈開關，4、日光燈開關S4，5、聲強調節旋鈕，6、頻率調節旋鈕，7、電機啟停開關，8、變頻調節旋鈕，9、信號發生器開關，10、音頻播放器接口，11、觀察窗，12、腳輪，13拉門手柄，14、傳動軸，15、傳動軸承，16、傳動帶輪，17、 傳動帶，18、電動機傳動機構，19、主箱體，20、信號發生模塊，21功率放大模塊，22、顯示控制模塊，23、布藝吸音板，24，調節絲杆，25、圓形吊盤，26、傳聲器，27、爪形鋼套，28、底置電動式揚聲器，四、頂置電動式揚聲器，30、紫外燈，31、日光燈；32、電源總開關，33、波形選擇開關，34、揚聲器選擇開關，35、頻率測定模塊，36、聲強頻率測定模塊，37、MAX1032模數轉換器，38、UA741放大器。
具體實施方案本發明一種基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置，包括主箱體19、動力組件和電子控制箱1，所述的動力組件包括傳動軸14、電動機18、調節絲杆對和圓形吊盤25，傳動軸14通過傳動軸承15豎直設置在主箱體19頂部的中央，並通過傳動帶16及傳動17與電動18連接，傳動軸14穿過主箱體19的頂部伸入到主箱體19內，調節絲杆M設置在傳動軸14位於主箱體19內部的一端，並且傳動軸14與調節絲杆M同軸設置；在調節絲杆 M的底端通過螺紋連接有圓形吊盤25，主箱體19內部安裝有紫外燈30和日光燈31 ；主箱體19內壁各面均安裝有布藝吸音板23，其吸聲頻譜高，對高、中、低的噪聲均有較佳的吸聲效果，具有優異的吸聲性能，既可隔離外界聲場，又能減少內部聲波反射從而消除了裝置內部反射聲波因疊加等因素而產生的高次諧波或波形畸變，大大減少了由於其它聲波影響而帶來的實驗誤差，使微生物樣本所感受的聲強和聲頻更接近於裝置內揚聲器所發出聲波的聲強和聲頻真實值，提高了實驗的精確度；主箱體19內頂部安裝有頂置揚聲器觀，底部安裝有底置揚聲器四，可根據實驗需要選擇使用頂置揚聲器或底置揚聲器，並且具有防水功能，當進行液體深層培養時，揚聲器可伸進培養液中進行聲波刺激處理；在電子控制箱1內設有信號發生模塊20、功率放大模塊2、和顯示控制模塊22，頂置揚聲器觀和底置揚聲器 29通過功率放大模塊21與信號發生模塊20連接，信號發生模塊20通過頻率測定模塊35 與顯示控制模塊22連接，在主箱體19內還設有用於測量聲波的傳聲器沈，傳聲器沈通過聲強測定模塊36與顯示控制模塊22連接。所述的主箱體19上裝有運行觀察窗11，可觀察箱內的情況；主箱體19 一側裝有拉門手柄13 ；主箱體19底部安裝有腳輪12，使得本裝置不僅可以輕鬆搬運，還可以隨任何方向移動，大大減少了人力物力的消耗，提高了生產力；所述的調節絲杆M上設有兩個六角螺母，兩個六角螺母將圓形吊盤25夾在中間並固定在調節絲杆M上；所述的圓形吊盤 25為直徑150mm、厚2mm的圓形鋼板，在圓形鋼板圓周上均勻安裝6個爪形鋼套27 ；爪形鋼套27由兩條IOmm寬、2mm厚，IOOmm長的彈簧鋼片組合而成，彈簧鋼片十字交叉並用螺絲固定在圓形託盤25下底面，彈簧鋼片距離固定點20mm處向背離圓形託盤的方向折起形成75度角；彈簧鋼片的頂端向固定點方向彎折；當圓形託盤25正面朝上安裝為正置安裝，背面朝上安裝時為倒置安裝；正置安裝時，爪形鋼套27可固定錐形瓶等，用於細胞漸層培養時的樣品刺激處理，倒置安裝時平面的圓形託盤25可放置培養皿等，用於培養皿上的樣品刺激處理。所述的電子控制箱1上設有顯示面板2、紫外燈開關3、日光燈開關4、聲強調節旋鈕5、頻率調節旋鈕6、電機啟停開關7、變頻調節旋鈕8、信號發生器開關9和音頻播放器接口 10，其中聲強調節旋鈕5與功率放大模塊21連接，頻率調節旋鈕6與頻率測定模塊連接，變頻調節旋鈕8與電動機18連接。本發明裝置電子控制箱1的信號發生模塊，採用ICL8038晶片作為函數發生器， 它可產生單頻正旋波、方波、三角波等波形，聲波信號功率放大模塊對其進行放大後驅動揚聲器工作；然後根據ICL8038函數發生器方波輸出端輸出信號經AT89S52單片機測頻處理並由74SL164和74SL138驅動回顯到LED上的結果，通過調節頻率旋鈕調節到需要的頻率； 並根據傳聲器感受到的底置揚聲器的聲信號，經UA741放大器38放大並由MAX1032模數轉換器37轉換及AT89S52單片機處理後由74SL164和74SL138驅動回顯到LED上的聲強大小，調節聲強調節旋鈕使聲強達到需要的聲波強度。工作時可根據需要進行聲學參數來選擇和調整，頻率設定精度為士 1赫茲，聲強設定精度在士0. 1分貝；電子控制箱上配設的音頻播放器接口通過音頻轉換頭可轉接各種播放器；聲波音量通常在5 130分貝範圍內可調；在變頻調節旋鈕上設有變頻器，採用無級變頻調速技術傳遞動力，反應快，轉速變化平穩，從而實現傳動系與電動機工況的最佳匹配。本裝置所用電源是220V/50HZ的交流電源，箱體後部設有接通電源的電源線，電子控制箱上設有電源總開關。本發明進行聲波處理時，先滅菌，再將微生物樣品載體放入圓形吊盤的爪形鋼套中，通過電子控制箱的顯示控制模塊精確調製各種處理參數，讓經過調製的音頻信號經過功率放大系統驅動電動式揚聲器量化實現聲波處理過程。本發明的工作過程如下接通電源，合上電源開關32，然後按下紫外燈開關3，進行聲波刺激前的箱內滅菌；打開拉門13，即可放置樣品，如果是固體培養樣品長時間刺激， 即採用圓形吊盤25上的爪形鋼套27朝下安裝並對受試樣品進行固定，培養皿開蓋倒置準備接受處理；如果是短時間刺激固體樣品，或者對淺層培養樣品進行處理時，則爪形鋼套 27朝上安裝並對受試樣品進行固定；當樣品放置好後，關上拉門，合上信號發生、功率放大和顯示控制模塊供電電源開關9，通過波形選擇開關SAl (即圖1中的33)選擇所需波形； 由ICL8038函數發生器產生的聲波信號經過TDA7294功放電路進行放大後驅動頂置揚聲器四(即圖5中BLS1)或底置揚聲器觀(即圖5中BLS》工作。然後根據ICL8038函數發生器方波輸出端輸出信號經AT89S52單片機測頻處理並由74SL164和74SL138驅動回顯到 LED上的結果，通過調節頻率調節旋鈕6 (即圖5中的RPl)將頻率調節到需要頻率；並根據傳聲器沈(即圖7中的BM)感受到的底置揚聲器28或頂置揚聲器四(即圖5中BLSl或圖5中BLS2，也即圖7中的BLS)聲信號，經UA741放大器放大並由MAX1032模數轉換器轉換及AT89S52單片機處理後由74SL164和74SL138驅動回顯到LED上的聲強大小，調節聲強調節旋鈕5(圖5中的RP2)使聲強達到需要的聲波強度。隨後打開電機啟動開關7，利用變頻調節旋鈕8調節電機在需要的轉速，並根據樣品放置情況，通過揚聲器選擇開關34
6(即圖5中的SA》選擇底置揚聲器觀或頂置揚聲器四對樣品進行刺激處理。如果對深層液體培養的樣品進行處理時；其聲波波形、頻率和強度的調節方式及其他操作同上述，僅是將頂置揚聲器換成防水的水下揚聲器直接伸到液面下即可。還可關閉信號發生器開關9，通過音頻播放器接口 10連接播放器輸出音樂、噪聲等各種類型的聲音；另外，根據實驗需要， 圓形吊盤25可在調節絲杆M上調整位置，工作時，可開啟日光燈31，透過視窗11進行觀察主箱體內的樣品刺激情況；如此即可利用本裝置實現對生物樣品的聲波處理。刺激結束後，用變頻調節旋鈕8將電機轉速降至零，聲強調節旋鈕5和頻率調節旋鈕6將聲強和頻率調至最低，然後依次關掉電機啟停開關7，揚聲器選擇開關34，波形選擇開關33，信號發生、 功率放大和顯示控制模塊供電電源開關9;打開日光燈開關4，開啟拉門13取出樣品，關掉總電源開關32即可。以下實施例用來說明本發明一種基於可聽聲波刺激的生物細胞培養裝置的具體使用方法及達到的效果，並不對本發明有任何限制。實施例1
採用本發明一種基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置，按照上述本發明裝置工作過程進行操作，設置強度為100分貝，頻率分別為1000赫茲，5000赫茲和10000赫茲的正旋波；分別對三組LB固體培養基中培養的大腸桿菌(處理組)進行處理，刺激方式為聲波處理3h，停止lh，然後再進行處理3小時，再停止1小時，以此直到培養時間到達M小時後， 分別計數各處理組和未接受聲波刺激樣品(對照組)中的菌落形成情況，比較各處理組的相對菌落形成率情況；相對菌落率定義如下
相對菌蕊形成率=_裡雖·· χ οο% f日MHH取+對照組菌落數
結果顯示經可聽聲波處理，大腸桿菌的相對菌落形成率菌顯著高於對照組，分別到達 7 134. 5%, 121. 2% 和 122. 8%。實施例2
採用本發明一種基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置，按照上述本發明裝置工作過程進行操作，設置頻率為1000赫茲的，強度分別為90，100，110，120分貝的正旋波；分別對三組LB固體培養基中培養的大腸桿菌(處理組)進行處理，刺激方式為聲波處理3小時， 停止1小時，然後再進行處理3小時，再停止1小時，以此直到培養時間到達M小時後，分別計數各處理組和未接受聲波刺激LB固體培養基中培養的大腸桿菌(對照組)中的菌落形成情況，比較各處理組的相對菌落形成率情況；相對菌落率定義如下
相_落形赫二Illlll譯
結果顯示，頻率相同，強度不同的可聽聲波處理大腸桿菌後，大腸桿菌表現出了明顯不同的生長狀態，當強度為100分貝時，相對菌落形成率達到了 141.6%，而當聲波強度達到 110分貝時大腸桿菌的相對菌落形成率僅為81. m。實施例3
採用本發明一種基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置，按照上述本發明裝置工作過程進行操作，設置強度為100分貝，頻率分別為1000赫茲，5000赫茲，和10000赫茲的正旋波；分別對含有3%氯化鈉的LB固體培養基中培養的大腸桿菌(處理組)進行處理，刺激方式為聲波處理3小時，停止1小時，然後再進行處理3小時，再停止1小時，以此直到培養時間到達M小時後，分別計數各處理和未接受聲波刺激樣品中的菌落形成情況，並以未接受聲波刺激含有3%氯化鈉的LB固體培養基中培養的大腸桿菌作為對照組，比較各處理組的相對菌落形成率情況相對菌落率定義如下
權利要求
1.一種基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置，其特徵在於包括主箱體(19)、動力組件和電子控制箱(1)，所述的動力組件包括傳動軸(14)、電動機(18)、調節絲杆04)和圓形吊盤(25)，傳動軸(14)通過傳動軸承(15)豎直設置在主箱體(19)頂部的中央，並通過傳動帶輪(16)及傳動帶(17)與電動機(18)連接，傳動軸(14)穿過主箱體(19)的頂部伸入到主箱體(19)內，調節絲杆04)設置在傳動軸(14)位於主箱體(19)內部的一端，並且傳動軸(14)與調節絲杆04)同軸設置；在調節絲杆04)的底端通過螺紋連接有圓形吊盤(25)，主箱體(19)內部安裝有紫外燈(30)和日光燈(31)；主箱體(19)內壁各面均安裝有吸音板；主箱體(19)內頂部安裝有頂置揚聲器( )，底部安裝有底置揚聲器(四)， 在電子控制箱(1)內設有信號發生模塊(20)、功率放大模塊和顯示控制模塊(22)，頂置揚聲器08)和底置揚聲器09)通過功率放大模塊與信號發生模塊00)連接，信號發生模塊00)通過頻率測定模塊(3 與顯示控制模塊0 連接，在主箱體(19)內還設有用於測量聲波的傳聲器(沈)，傳聲器06)通過聲強測定模塊(36)與顯示控制模塊02) 連接。
2.如權利要求1所述的一種基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置，其特徵在於 所述的主箱體(19)上裝有運行觀察窗(11)，主箱體(19) 一側裝有拉門手柄(13)。
3.如權利要求1所述的一種基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置，其特徵在於 所述的調節絲杆04)上設有兩個六角螺母，兩個六角螺母將圓形吊盤0 夾在中間並固定在調節絲杆04)上。
4.如權利要求1所述的一種基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置，其特徵在於 所述的圓形吊盤05)圓周上均勻安裝有至少6個爪形鋼套07)。
5.如權利要求4所述的一種基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置，其特徵在於 所述的爪形鋼套(XT)由兩條IOmm寬、2mm厚，IOOmm長的彈簧鋼片組合而成，彈簧鋼片十字交叉並用螺絲固定在圓形託盤(25)下底面，彈簧鋼片距離固定點20mm處向背離圓形託盤的方向折起形成75度角；彈簧鋼片的頂端向固定點方向彎折。
6.如權利要求1所述的一種基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置，其特徵在於 所述的吸音板為布藝吸音板。
7.如權利要求1所述的一種基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置，其特徵在於 所述的電子控制箱(1)上設有顯示面板O)、紫外燈開關(3)、日光燈開關G)、聲強調節旋鈕(5)、頻率調節旋鈕(6)、電機啟停開關(7)、變頻調節旋鈕(8)、信號發生器開關(9)和音頻播放器接口(10)，其中聲強調節旋鈕(5)與功率放大模塊連接，頻率調節旋鈕(6) 與頻率測定模塊連接，變頻調節旋鈕(8)與電動機(18)連接。
8.如權利要求1所述的一種基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置，其特徵在於 所述的主箱體(19)底部安裝有腳輪(12)。
全文摘要
一種基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置，包括主箱體、動力組件和電子控制箱，在電子控制箱內設有信號發生模塊、功率放大模塊、和顯示控制模塊，頂置揚聲器和底置揚聲器通過功率放大模塊與信號發生模塊連接，信號發生模塊通過頻率測定模塊與顯示控制模塊連接，在主箱體內還設有用於測量聲波的傳聲器，傳聲器通過聲強測定模塊與顯示控制模塊連接。本發明一種基於可聽聲波刺激的微生物細胞培養裝置，其聲強、頻率和電機轉速可調可顯示，可通過選取適當的聲波刺激波形、刺激頻率和強度，實現對靜置培養，或懸浮培養的微生物細胞等生物樣品生長速度的控制或對產物形成速率的調節，效果顯著。
文檔編號C12M1/34GK102443539SQ20121001842
公開日2012年5月9日 申請日期2012年1月20日 優先權日2012年1月20日
發明者古紹彬, 吳影, 李市場, 李科偉, 楊彬, 王大紅 申請人:河南科技大學