一種培養容器中培養基質量在線監控系統及方法與流程
2024-03-27 22:29:05
本發明涉及生物細胞培養基質量在線監控領域，特別是用於在密閉環境內的基於顏色分析的一種培養基質量在線監控系統及方法。
背景技術：
在生物醫療領域，細胞培養是一項非常基礎且核心的技術流程。通過細胞培養，可以極大的複製擴增樣本數量，經過分離之後，可以將擴增出的細胞用於原本少量樣品無法完成的多種用途。
在細胞培養的過程中，為保證細胞的合理生長，需要添加細胞所需的營養成分等多種物質。為保證細胞培養的質量，需要監控培養基在培養過程中的變化。傳統的培養基培養為人工監控，由培養人員肉眼觀察，根據培養基顏色的改變來判斷培養基內部組分的改變，進而判斷培養基的質量狀況。肉眼判斷的方式比較粗，通常做法是：將需要檢測的培養容器從培養環境(例如培養箱)中取出；通過目測、比色卡等手段，肉眼觀察培養基的質量和細胞生長環境，並作出判斷；根據所觀測情況的判斷對培養容器中的培養基做下一步到處理，或將培養容器放回培養環境繼續培養或進行下一步操作。
然而，由於不同培養過程中培養基的退化速度不同，需對培養基進行不斷觀測和檢查，導致經常需要工作人員在非正常工作時間進行檢測，造成極大的不便和負擔。並且，培養基顏色檢測由人眼完成，即使在藉助比色卡等工具的情況下，其檢測結果也因人而異，較難進行量化比較，導致檢測結果誤差大，培養質量低。在個體細胞或局部區域的培養領域，通常也是基於顯微攝影的實時培養過程的人工監控，產生同樣的檢測問題。
技術實現要素：
為解決現有技術的問題，本發明的目的在於提供一種培養基質量在線監控系統及方法，通過光源照射密閉的培養容器，利用顏色傳感器對培養容器內的培養基的顏色信息進行分析，以實現細胞培養過程中培養基質量情況的實時監測和監控。
為達到上述目的，本發明採用以下技術方案實現：
一種培養容器中培養基質量在線監控系統，包括光源、傳感器、控制系統；其中，所述光源和所述傳感器分別與所述控制系統連接；
所述光源提供入射光對培養基進行照射；
所述傳感器對照射培養基之後的出射光進行採集，得到出射光信號；由於入射光通常為白光，白光帶有全部顏色信息，經過對培養基照射之後，白光會被培養基吸收一部分，因而出射光為被培養基吸收後的部分反射光和散射光，其為攜帶有顏色特徵(光譜信息)的顏色光，通過對該顏色光進行分析，可以得到培養基此時的顏色。
所述控制系統包括模數轉換模塊和信號處理模塊，其中，所述模數轉換模塊被配置為將所述出射光信號轉換成數位訊號，所述信號處理模塊被配置為將所述數位訊號轉換為顏色信號，來確定培養基的顏色信息。
優選的，所述光源包括密閉光源容器和設置於所述密閉光源容器內的發光元件，所述發光元件通過光源連接線與所述控制系統連接，所述光源連接線外部有防水連接器。
優選的，所述發光元件為白熾燈、螢光燈、半導體二極體發光器、雷射器、超輻射二極體中的至少一種。
優選的，所述光源通過透射或反射對培養基進行照射。
優選的，所述傳感器包括密閉傳感器容器和設置於所述密閉傳感器容器內的顏色傳感器元件，所述顏色傳感器元件通過傳感器連接線與所述控制系統連接，所述密閉傳感器容器至少一側為透明，所述傳感器連接線外部具有防水連接器。
優選的，所述顏色傳感器元件為CCD、CMOS、光電二極體、雪崩式二極體、光敏電阻、光電倍增管中的至少一種。
優選的，所述信號處理模塊還包括對所述顏色信號進行平均或積分或平滑處理。
本發明還提供一種通過根據權利要求之一的在線監控系統監測培養容器中培養基質量的方法。
本發明利用傳感器對出射光採集，藉助控制系統對出射光進行分析，得出培養基的實時顏色信息。如此，在指定一段培養時間內，根據培養基監控的精度需求，可以將一段時間預設多個時間點進行離散地獲取培養基顏色信息，也可以在指定時間段內連續地獲取培養基的顏色信息，每一個時間點的培養基顏色獲取都包含照射-採集-分析的過程。如此，將得到培養基的顏色信息的變化趨勢，再將得到的一段時間內的顏色信息與初始採集所得值和系統標定的標準值進行對比，決定將要對培養基採取的進一步操作。
本發明的有益效果是：
1.自動化的監測有效減輕人力負擔；
2.通過減少反覆取出培養容器進行檢測的環節，減少了對培養基的反覆擾動，提高了培養環境的穩定性；
3.使用對顏色敏感的傳感器元件和算法自動監控培養基質量，將監控結果數位化，提高了監控精度，保證了監控過程的可靠性，降低了監控誤差；
4.降低了培養成本。
附圖說明
圖1為本發明監控裝置示意圖；
圖2為本發明監控裝置立體示意圖；
圖3為光源示意圖；
圖4為傳感器示意圖；
圖5為光源和傳感器設置在異側示意圖；
圖6為光源和傳感器設置在同側示意圖；
圖7為可移動監控系統示意圖；
圖8為本發明監控方法流程圖；
圖9為本發明監控方法處理流程圖。
具體實施方式：
為了使本發明的創作特徵、技術手段與達成目的易於明白理解，以下結合具體實施例進一步闡述本發明。
參看圖1-2，一種培養容器11中培養基質量在線監控系統，包括光源13a/13b/13c、傳感器12a/12b/12c、控制系統2；其中，所述光源和所述傳感器分別與所述控制系統進行總線連接；所述光源13a/13b/13c提供入射光對培養基11a進行照射，培養基11a顏色會隨其內部組分變化而變化，所述傳感器對照射培養基之後的出射光進行採集，得到出射光信號；由於入射光通常為白光，白光帶有全部顏色信息，經過對培養基照射之後，白光會被培養基吸收一部分，因而出射光為被培養基吸收後的部分反射光和散射光，其為攜帶有顏色特徵(光譜信息)的顏色光，通過對該顏色光進行分析，可以得到培養基此時的顏色。所述控制系統2包括模數轉換模塊和信號處理模塊，其中，所述模數轉換模塊被配置為將所述出射光信號轉換成數位訊號，所述信號處理模塊被配置為將所述數位訊號轉換為顏色信號，來確定培養基的顏色信息。所述光源13a/13b/13c包括密閉光源容器和設置於所述密閉光源容器內的發光元件，所述發光元件通過光源連接線與所述控制系統連接，所述光源連接線外部有防水連接器。所述發光元件為白熾燈、螢光燈、半導體二極體發光器、雷射器、超輻射二極體中的至少一種。
參看圖3，所述光源通過透射或反射對培養基進行照射。13a、13b、13c為系統所使用光源，光源可安裝至底部、側面或上部。光源21包含含有至少一面透明表面22組成的氣密整體，發光元件24安裝於透明表面22內側，其與控制系統的連線通過防水連接器23實現。
參看圖4，所述傳感器31包括密閉傳感器容器和設置於所述密閉傳感器容器內的顏色傳感器元件，所述顏色傳感器元件34安裝於透明表面32內側並通過傳感器連接線與所述控制系統連接，所述密閉傳感器容器至少一側為透明，所述傳感器連接線外部具有防水連接器33。傳感器可為單一元件，亦可為單一原件陣列組成。所述顏色傳感器元件為CCD、CMOS、光電二極體、雪崩式二極體、光敏電阻、光電倍增管中的至少一種。
對於單個培養容器，由於其內部可能存在培養基質量分布不均勻，且單個傳感器所能採集的培養基顏色信息覆蓋區域有限，故可對單一培養容器設置陣列的多個傳感器，對單一培養容器的不同區域進行監控。對於單一培養容器中的多區域顏色獲取情況，將保留每一區域的顏色信息，並根據系統的不同監控精度需求，採用平均值或極值(最大值或最小值)對系統信息進行監控和報警。光源13和傳感器12的位置設置可以根據需要設置在異側或同側，如圖5-6所示。圖5中所示，光源13和傳感器12設置在培養容器的上下兩側，光源13發出入射光線141，穿過培養基11之後從另一端射出為出射光142，並由傳感器12接收，本發明還包括將光源13和傳感器12設置在培養容器的左右兩側，在此不贅述。如圖6所示，光源13和傳感器12設置在培養容器的同一側，可以是培養基六個面的任意一側。入射光141通過反射後，出射光142由傳感器12接收。
所述培養基質量在線監控系統可移動地設置在所述培養裝置中。如圖7所示。由於培養容器體積較小，培養箱通常體積較大，對於單個培養箱16中的多個培養容器11，可採用兩種方式進行監控系統陣列，即1)為每一個需進行監控的容器設置一套監控系統進行一對一的顏色監控，或2)使用機械臂移動監控系統，對同一培養箱中多個培養容器進行監控。圖中，有孔支架18用於支撐培養容器11，有孔支架18可以與Z軸方向支架172固定連接，也可以懸掛在培養箱上部，有孔支架18上設置孔，避免監控系統中傳感器、光源被支架18遮擋。支架171用於支撐監控系統，支架171與Z軸方向支架172固定連接。機械臂可根據需要將監控系統沿支架171移動，使監控系統位於待檢測的培養容器下方的有孔支架18的相應位置，光源發出的光通過有孔支架18的孔照射培養容器，出射光穿過有孔支架18的孔進入傳感器。有孔支架18也可以設置多層，以支撐多層培養容器，機械臂可根據需要將監控系統放置在培養容器下方的有孔支架18的下方進行檢測。更為簡單的結構，不設置支架171，直接由機械臂移動並支撐監控系統至有孔支架18的下方，對相應培養容器進行檢測。
培養裝置中可以設置多組控制系統，其面對的監控系統具有可同時與多組控制(採樣)系統進行通信的接口和處理能力，且每組控制(採樣)系統與監控系統的連線(通信通道)獨立，從而在通信中實現互不幹擾，在數據處理過程中，通過算法設置，將為每套控制(採樣)設置獨立的數據處理功能，在數據處理過程中實現互不幹擾。
當培養容器僅有一側透明時，需光源及傳感器設置在同一側，這種情況，入射光為帶有全部顏色信息的白光，出射光為攜帶有特徵顏色光被培養基吸收後的部分反射光和散射光。當培養容器為全透明時，傳感器可設置在培養容器任一側，如設置在底部，光源根據照明需求可設置在底部/頂部/側面中的一個或多個位置，這種情況，當光源在底部時，入射光為帶有全部顏色信息的白光，出射光為攜帶有特徵顏色光被培養基吸收後的部分反射光和散射光，光源的照射與探測器的檢測可同步進行,也可光源照射先於探測器的檢測。
所述信號處理模塊還包括對所述顏色信號進行平均或積分或平滑處理。
本發明另一實施例提供一種培養基培養裝置，包括至少一個培養容器，和對所述培養容器中的培養基進行質量在線監控系統，其中，所述監控系統包括光源、傳感器、控制系統；其中，所述光源和所述傳感器分別與所述控制系統連接；所述光源提供入射光對培養基進行照射；所述傳感器對照射培養基之後的出射光進行採集，得到出射光信號；所述控制系統包括模數轉換模塊和信號處理模塊，其中，所述模數轉換模塊被配置為將所述出射光信號轉換成數位訊號，所述信號處理模塊被配置為將所述數位訊號轉換為顏色信號，來確定培養基的顏色信息。在本發明所述培養裝置中可以放置若干個培養容器來培養培養基，同時，由質量在線監控系統監控若干培養容器。所述培養容器為密閉環境，其內的溫度、溼度和氣體組分可按需定量控制。控制系統和計算系統根據實際系統設計需求，可放置在培養箱內培養容器外，即培養箱與培養容器之間的空間；或培養箱外，對控制系統的輸出信號和報警信號進行監控的系統放置於培養箱外，通過連線與培養箱內部組件進行連接。
所述培養裝置中設有至少一個以上的分隔空間。為了便於放入培養箱，用於培養基培養的培養容器的尺寸(長寬高分別)通常不超過200mm。
如圖8-9所示。本發明還提供一種通過根據權利要求之一的在線監控系統監測培養容器中培養基質量的方法。如圖8，本發明方法藉助光源發出的光線，光線穿透透明界面進入培養基，培養基對光線進行選擇性吸收之後，再由傳感器接收經過培養基吸收後剩餘的光線，對該出射光和入射光進行分析，從而得出培養基的狀態。如圖9所示，具體處理和分析流程為：在控制系統接收外部控制輸入之後，控制系統啟動控制測量數據，控制系統向光源發出指令以驅動光源開啟，控制系統向顏色傳感器發出指令驅動傳感器感應/接收/接受檢測到的光線的顏色信號，傳感器將該信號傳導至控制系統，控制系統對顏色信號的數量即對光線顏色採樣的次數進行判斷，判斷的依據可以依據最開始的外部控制輸入的數據，如果達到外部輸入的次數要求，則結束採樣，控制系統發出指令關閉光源並對採集的數據進行處理後反饋最終數值。如果達不到外部輸入的次數要求，則繼續向顏色傳感器發出指令要求傳感器繼續感應/接收/接受檢測到的光線顏色信號。
本發明利用傳感器對出射光採集，藉助控制系統對出射光進行分析，得出培養基的實時顏色信息。如此，在指定一段培養時間內，根據培養基監控的精度需求，可以將一段時間預設多個時間點進行離散地獲取培養基顏色信息，也可以在指定時間段內連續地獲取培養基的顏色信息，每一個時間點的培養基顏色獲取都包含照射-採集-分析的過程。如此，將得到培養基的顏色信息的變化趨勢，再將得到的一段時間內的顏色信息與初始採集所得值和系統標定的標準值進行對比，決定將要對培養基採取的進一步操作。系統標定的標準值，例如可以是標定在某個顏色值範圍之內為良好、正常、失效。
採用直接將顏色信號採集後轉換為數位訊號進行輸出的數位化的顏色傳感器進行傳感採集。如下列舉顏色採樣及分析實施例。
實施例：
入射光為白光時，如採用RGB每顏色通道為8bit深度，則可將白光顏色信號定標為(256，256，256)；
當所採用培養基指示劑特徵的成分合格顏色為紅色時，成分失效顏色為無色時。此時，成分合格時，溶液對除紅光波長外其他波長的光吸收比例遠高於對紅光的吸收比例，故溶液呈紅色；成分失效時，對所有顏色的光接近均勻比例吸收，因而將不呈現特定顏色。
當使用合格培養基時，光源所發出白光(RGB 256:256:256)照射穿透培養基後，吸收剩餘的光顯示為紅色(例，RGB 200:50:50),由於光源系統、環境光照等多種原因，會在測量值中引入噪聲，即所得測量值在實際值(RGB 200:50:50)附近波動(例如：210:60:60–190:45:45)對此，採取多次採樣後數據處理的方式，獲取單個時間點上的採樣真實值，對於多次採樣的數據處理方式例如可以是：採用簡單平均——即將N次採樣值求和後除以N，獲得平均值；採用進一步的數字濾波，對特定頻率(例如市電頻率50Hz/60Hz)的噪聲進行濾除。
當培養基失效後；培養基指示劑失去選擇吸收特性，此時的培養基對所有光譜的光均勻吸收，即光源所發出白光(RGB 256:256:256)照射穿透培養基後，吸收剩餘的光顯示為無色(例，RGB 60:60:60),同樣的，將此數據經過多次採樣並處理的方法，獲取單一時間點上的真實顏色信號。並經過如上所述的數據處理，以得出培養基的狀態，並為下一步決策提供參考。
本發明裝置及方法適用於顏色會隨其內部組分變化而變化的培養基，培養基為被檢測對象，對培養基的描述並非對本發明裝置及發法的限定。
以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等同物界定。