專利名稱：細胞功能活性在線檢測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種細胞功能活性檢測裝置，尤其涉及快速的在線細胞功能活性檢測裝置。
背景技術：
在生物醫學工程領域，生物反應器是細胞培養的重要裝置，許多細胞培養和實驗的工作需要在生物反應器中進行。通常，細胞功能活性的檢測裝置采用分光光度計。分光光度計的構造是由鎢燈(紫外的用氘燈)光源，級聯的透鏡，光闌，分光裝置(棱鏡或者光柵)，比色池，光電接受、以及后續的分析處理顯示部分和恒溫裝置組成。但是這種裝置用于生物反應器中的細胞功能活性的檢測有諸多的不便首先，分光光度計結構復雜，尤其是光路結構復雜，體積大，調試麻煩；其次，檢測時，必須終止生物反應器的運行；再次，對生物反應器內的細胞的功能活性的檢測的原則是不影響細胞的正常運行，快速定性的得到結果，要求測量間隔短。現有的裝置都不能滿足要求。
在使用生物反應器進行細胞培養研究時，經常需要及時地、定性地了解被培養肝細胞的功能和活性，可以通過檢測培養液中白蛋白和尿素含量的方法實現。按照常規做法是把生物反應器內提取的細胞培養液送到專門的化驗室利用分光光度計進行分析。雖然這樣可以得到精確的結果，但時效性差已經不能及時地反映當時的情況。
實用新型內容為了解決現有的檢測裝置不適合對生物反應器內的細胞進行功能活性的在線、定性、快速檢測的問題，本實用新型提供了一種單色光源的細胞功能活性檢測裝置。該檢測裝置不僅能達到分光光度計的精度要求，而且能方便地與生物反應器系統相連接，通過檢測培養液中白蛋白和尿素含量的方法對被培養細胞的功能活性進行連續的快速檢測。
本實用新型解決其技術問題所采用的方案是本實用新型包括光電檢測集成部件、比色皿、蠕動泵、試劑瓶和電控系統。
光電檢測集成部件由超亮發光二極管、比色皿插槽和集成光電傳感器組成。超亮發光二極管和集成光電傳感器分別置于比色皿插槽的兩端，超亮發光二極管的光路與光電傳感器的中心對正并且垂直。當超亮發光二極管發出的光線穿過比色皿及其內部存放的液體后，到達光電傳感器并把光的強弱轉換成相應的電壓信號。
蠕動泵置于生物反應器和比色皿之間以及試劑瓶和比色皿之間。在生物反應器和比色皿之間用內徑0.2毫米的醫用橡膠軟管連接，并將軟管嵌入到蠕動泵頭的管槽內，以滿足取樣的需要；在試劑瓶和比色皿之間用內徑1-2毫米的醫用橡膠軟管連接，并將軟管嵌入到蠕動泵頭的管槽內，以滿足添加試劑需要。置于機箱左后部的蠕動泵在單片機的控制下工作時，泵頭主動輪的旋轉使泵頭上安裝的滾輪周而復始地壓緊和放松泵頭管槽內的醫用橡膠軟管，使管內產生負壓，使培養液和試劑按照需求送入到安放在光電檢測集成部件中心部位的比色皿中。
電控系統包括AVR單片機模塊MEGA16，液晶觸摸屏，通道控制開關模塊MAX313，串行通訊控制芯片MAX232，電控系統連接器HDR2×14和系統電源HF30W-T。其中AVR單片機模塊完成該裝置進行檢測時的動作控制，把從光電檢測集成部件得到的電壓信號轉換成數字信號并進行處理。液晶觸摸屏是顯示測試結果和操作者把控制指令輸入裝置的設備。通道控制開關模塊的作用是在AVR單片機模塊的控制下打開或關閉相應的通道以實現AVR單片機模塊與該裝置內其他部件的數據交換。電控系統連接器是多端接線端子，它是裝置內電控系統與機械部件及光電檢測集成部件相連接的通道。系統電源選用市售多路直流穩壓電源，作為整個電控系統進行工作的電源。
在電控系統內AVR單片機模塊是控制的核心，單片機的RS232引腳與串行通訊控制芯片相連，串行通訊控制芯片分別與電控系統連接器的“接收數據”引腳和“發送數據”引腳相連。通過這兩個引腳再加上一根直流電源公共地線后與上位計算機通過RS232接口進行通訊，交換數據。
AVR單片機模塊的PB4、PB5和PB6引腳分別與控制電路接口的“液晶屏”引腳和“觸摸屏”引腳相連接，并通過此處與液晶觸摸屏相連接，使操作者的指令輸入到AVR單片機模塊內，并把經計算處理后的數據在液晶屏上顯示出來。AVR單片機模塊的PD7、PD6、PD3和PD2與通道控制開關模塊相連接，對從電控系統連接器引腳與AVR單片機模塊之間傳送的信號進行控制。其中AVR單片機模塊的PA0和PB1引腳經過通道控制開關模塊313[6]和313[3]連接到電控系統連接器的“紅色”和“黃綠色”引腳。并由“紅色”引腳連接到安放在白蛋白通道光電檢測集成部件上的紅色超亮發光二極管，以實現對這個器件控制。同理，由“黃綠色”引腳連接到安放在尿素通道光電檢測集成部件上的黃綠色超亮發光二極管，以實現對這個器件的控制。AVR單片機模塊的PB0和PC0引腳經過經通道控制開關模塊313[9]和313[16]連接到電控系統連接器的“尿素通道”和“白蛋白通道”引腳。并由“尿素通道”引腳連接到安放在尿素通道光電檢測集成部件上的尿素通道集成光電傳感器。以便把接收到的電壓信號傳送到AVR單片機模塊內進行處理。同理，由“白蛋白通道”引腳連接到安放在白蛋白通道光電檢測集成部件上的白蛋白通道集成光電傳感器。以便把接收到的電壓信號傳送到AVR單片機模塊內進行處理。AVR單片機模塊的PD4和PD5引腳經過通道控制開關模塊PP1和PP2連接到控制電路接口的“試劑泵”和“培養液泵”引腳。并由“試劑泵”引腳連接到裝置內的提取試劑的蠕動泵的控制端，以實現AVR單片機模塊對提取試劑蠕動泵的控制。同理，由“培養液泵”引腳連接到裝置內的提取培養液的蠕動泵的控制端，以實現AVR單片機模塊對提取培養液蠕動泵的控制。
上述光電檢測集成部件、比色皿、蠕動泵、試劑瓶和電控系統被安放在一一個長方形的機箱內，箱體內的右前部放置內裝有光電檢測集成部件的避光暗箱。在光電檢測集成部件中心部位為放置比色皿的插槽。機箱內的右后部放置用于取樣和添加試劑的蠕動泵和試劑瓶。機箱內的左部放置該裝置的電控系統，其中液晶觸摸屏嵌在機箱的左部頂層，其下方的機箱內放置單片機和系統電源。
進行測量時把比色皿插入到比色皿插槽內。比色皿內的培養液與試劑發生化學反應后導致顏色產生變化，當特定波長的超亮發光二極管發出的光線穿過比色皿被集成光電傳感器接收后以電壓的形式表達出培養液內物質濃度的變化。此電壓信號被送入單片機。經過轉換計算最后在液晶觸摸屏上顯示出此時生物反應器內被培養細胞的狀態。
本實用新型設計了兩套工作原理相同的光電比色檢測集成部件，以滿足檢測培養液中白蛋白和尿素的含量所用的試劑和檢測光源波長不同的需要。
本實用新型可以用手動或其它移液裝置代替蠕動泵進行工作。
當使用電壓控制變光二極管作為測量光源時可以僅用一套光電檢測集成部件，分時插入不同的比色皿以達到分別檢測培養液中的白蛋白和尿素的目的。
本實用新型有益的效果1、以雙色超亮發光二極管做冷光源，代替通用分光光度計上的鎢燈氘燈和復雜的分光系統，以光電集成傳感器(內置電流電壓放大器)代替通用光度計上的硅光電池或者光電倍增管。使儀器結構簡化，并且減小了儀器的體積和重量，實現了儀器的微型化。使其能夠與生物反應器系統方便地連接。
2、整個裝置的設計圍繞白蛋白和尿素兩個檢測指標，分析指標具有代表性，能夠定性的反映細胞的功能活性的規律。
3、在線定性快速檢測細胞功能活性的同時，不影響細胞的正常培養。
圖1為本實用新型具體實施方式
光電檢測集成部件、比色皿、蠕動泵、試劑瓶的連接關系示意圖，圖中200生物反應器內培養液；201提取培養液蠕動泵；202連接培養液與測尿素比色皿之間的醫用橡膠軟管；203連接培養液與測白蛋白比色皿之間的醫用橡膠軟管；204測白蛋白比色皿；205連接測白蛋白試劑與比色皿之間的醫用橡膠軟管；206提取試劑蠕動泵；207連接測尿素試劑與比色皿之間的醫用橡膠軟管；208測尿素比色皿；209測尿素試劑瓶；210測白蛋白試劑瓶；211測白蛋白光電檢測集成部件；212測尿素光電檢測集成部件；213電控系統；214提取培養液蠕動泵控制線；215提取試劑蠕動泵控制線；216測白蛋白光電檢測集成部件控制線；217測尿素光電檢測集成部件控制線；圖2是本實用新型的電控系統連接器與光電檢測集成部件、系統電源、液晶觸摸屏的連接關系示意圖。圖中301黃綠色超亮發光二極管、312紅色超亮發光二極管；204測白蛋白比色皿；208測尿素比色皿；303、310集成光電傳感器；306液晶觸摸屏；404電控系統連接器；308系統電源；圖3是本實用新型的電控系統內部電路連接示意圖。圖中401串行通訊控制芯片；402AVR單片機模塊；403通道控制開關模塊；404電控系統連接器；圖4是本實用新型的機箱內各部件安放位置俯視圖，圖中101液晶觸摸屏安放位置；102培養液蠕動泵安放位置；103試劑蠕動泵安放位置；104測白蛋白試劑瓶安放位置；105測尿素試劑瓶安放位置；106黃綠色超亮發光二極管安裝位置；107測尿素比色皿插槽安放位置；108尿素通道集成光電傳感器安裝位置；109紅色超亮發光二極管安裝位置；110測白蛋白比色皿插槽安放位置；111白蛋白通道集成光電傳感器安裝位置；112避光暗箱安裝位置。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步說明。本實用新型包括光電檢測集成部件、比色皿、蠕動泵、試劑瓶和電控系統。
光電檢測集成部件包括測白蛋白光電檢測集成部件211和測尿素光電檢測集成部件212。測白蛋白光電檢測集成部件211由紅色超亮發光二極管312、測白蛋白比色皿204和集成光電傳感器310組成。測尿素光電檢測集成部件212由黃綠色超亮發光二極管301、測尿素比色皿208和集成光電傳感器303組成。
超亮發光二極管312、301和集成光電傳感器310、303分別置于比色皿插槽的兩端，超亮發光二極管312、301的光路與光電傳感器310、303的中心對正并且垂直。兩個超亮發光二極管312、301分別置于煮黑的鋁質套管中，降低光在測量室中的散射。并可以在套管中前后移動來調整焦距，以使可能多的透射光被光電傳感器310、303接收。
提取培養液蠕動泵201置于生物反應器和測白蛋白比色皿204以及生物反應器和測尿素比色皿208之間；在生物反應器培養液200和測尿素比色皿208之間用內徑0.2毫米的醫用橡膠軟管202連接；生物反應器培養液200與測白蛋白比色皿204之間用醫用橡膠軟管203連接。軟管202、203嵌入到蠕動泵201泵頭的管槽內。提取培養液蠕動泵控制線214將該蠕動泵與本實用新型的電控系統213連接，使它在AVR單片機模塊402的控制下進行工作。
提取試劑蠕動泵206安置于測尿素試劑瓶209與測尿素比色皿208之間以及測白蛋白試劑瓶210與測白蛋白比色皿204之間；測尿素試劑瓶209與測尿素比色皿208之間用醫用橡膠軟管207連接，測白蛋白試劑瓶210與測白蛋白比色皿204之間用醫用橡膠軟管205連接；軟管207、205嵌入到蠕動泵206泵頭的管槽內。提取試劑蠕動泵控制線215將該蠕動泵與本實用新型的電控系統213連接，使它在AVR單片機模塊402的控制下進行工作。
蠕動泵201、206在AVR單片機模塊402的控制下工作時，泵頭主動輪的旋轉使泵頭上安裝的滾輪周而復始地壓緊和放松泵頭管槽內的醫用橡膠軟管，使管內產生負壓，使培養液和試劑按照需求送入到比色皿204、208中。
電控系統213包括串行通訊控制芯片401；AVR單片機模塊402；通道控制開關模塊403；電控系統連接器404；液晶觸摸屏306；和系統電源308。測白蛋白光電檢測集成部件控制線216和測尿素光電檢測集成部件控制線217分別表示本實用新型的電控系統與這兩個測量通道相聯系的兩組信號線。
電控系統213與光電檢測集成部件211和212，系統電源308、液晶觸摸屏306的連接是通過電控系統連接器404實現的。
如圖2所示，測白蛋白光電檢測集成部件211中的紅色超亮發光二極管312和集成光電傳感器310分別連接到電控系統連接器404的“紅色”和“白蛋白通道”引腳。測尿素光電檢測集成部件212中的黃綠色超亮發光二極管301和集成光電傳感器303分別連接到電控系統連接器404的“黃綠色”和“尿素通道”引腳。當超亮發光二極管發出的光線穿過比色皿及其內部存放的液體后，到達集成光電傳感器并把光的強弱轉換成相應的電壓信號由AVR單片機模塊402進行處理。
電控系統213的內部連接如圖3所示。串行通訊控制芯片401的發送端AVR-TXD與AVR單片機模塊402的發送端AVR-TXD相連，它的接收端AVR-RXD和AVR單片機模塊402的接收端AVR-TXD相連。串行通訊控制芯片401的端口RXD、TXD分別和電控系統連接器404的“接收數據”引腳和“發送數據”引腳相連。其作用是為本裝置與上位計算機的數據交換預留通訊接口。
圖3中的AVR單片機模塊402是電控系統的核心器件。它的PB6、PB[5..4]分別作為觸摸屏的數據輸入端口、液晶顯示器的雙向數據傳輸端口。PD[7.6.3.2]作為通道控制開關模塊403的選通開關。PA0和PB1引腳經通道控制開關模塊403的313[6]和313[3]連接到電控系統連接器404的“紅色”和“黃綠色”引腳。PB0和PC0引腳經過經通道控制開關模塊403的313[9]和313[16]連接到電控系統連接器404的“尿素通道”和“白蛋白通道”引腳。PD4和PD5引腳經過通道控制開關模塊403的PP1和PP2連接到電控系統連接器404的“試劑泵”和“培養液泵”引腳。
圖4所示為本實用新型各部件在機箱內的安放位置。在機箱左半部的頂層是嵌入液晶觸摸屏101安放位置。其正下方機箱內的位置安放電控系統213和系統電源308。機箱內右前部的位置安放避光暗箱112，在該避光暗箱內安放兩套光電檢測集成部件。黃綠色超亮發光二極管安裝位置為106；測尿素比色皿插槽安放位置107和尿素通道集成光電傳感器安裝位置108。紅色超亮發光二極管安裝位置為109；測白蛋白比色皿插槽安放位置110和白蛋白通道集成光電傳感器安裝位置111。在機箱內右后部是用于取樣的培養液蠕動泵安放位置102；添加試劑蠕動泵安放位置103；測白蛋白試劑瓶安放位置104和測尿素試劑瓶安放位置105。
本實用新型工作原理及工作過程如下開始檢測之前把生物反應器內的培養液200和試劑瓶209、210內的試劑通過蠕動泵201、206分別注入到比色皿插槽內的比色皿208和204之中。當蠕動泵201、206在單片機的控制下工作時，泵頭主動輪的旋轉使泵頭上安裝的滾輪周而復始地壓緊和放松泵頭管槽內的醫用橡膠軟管202、203、205、207，使管內產生負壓，培養液200和試劑送入到比色皿208和204中。
紅色超亮發光二極管312和集成光電傳感器310分別置于測白蛋白比色皿204的兩端，紅色超亮發光二極管312的光路與光電傳感器310的中心對正并且垂直。進行測量時把測白蛋白比色皿204插入到比色皿插槽110內。由于比色皿內的培養液與試劑發生化學反應后導致顏色產生變化，所以當特定波長的紅色超亮發光二極管312發出的光線穿過比色皿204被集成光電傳感器310接收后可以電壓的形式表達出培養液內白蛋白濃度的變化。
同理，黃綠色超亮發光二極管301和集成光電傳感器303分別置于測尿素比色皿208的兩端，黃綠色超亮發光二極管301的光路與光電傳感器303的中心對正并且垂直。進行測量時把測尿素比色皿204插入到比色皿插槽107內。由于比色皿內的培養液與試劑發生化學反應后導致顏色產生變化，所以當特定波長的黃綠色超亮發光二極管301發出的光線穿過比色皿208被集成光電傳感器303接收后就可以電壓的形式表達出培養液內尿素濃度的變化。
這些電壓信號通過電控系統連接器404被送入AVR單片機模塊402。經過轉換處理最后在液晶觸摸屏306上定性地顯示出此時生物反應器內被培養細胞的功能活性狀態。
權利要求1.一種細胞功能活性在線檢測裝置，其特征是包括電檢測集成部件、比色皿、蠕動泵、試劑瓶和電控系統[213]；光電檢測集成部件包括測白蛋白光電檢測集成部件[211]和測尿素光電檢測集成部件[212]；測白蛋白光電檢測集成部件[211]由紅色超亮發光二極管[312]、測白蛋白比色皿[204]和集成光電傳感器[310]組成；測尿素光電檢測集成部件[212]由黃綠色超亮發光二極管[301]、測尿素比色皿[208]和集成光電傳感器[303]組成；電控系統[213]包括串行通訊控制芯片401、AVR單片機模塊402、通道控制開關模塊403、電控系統連接器404、液晶觸摸屏306和系統電源308；測白蛋白光電檢測集成部件[211]中的紅色超亮發光二極管[312]和集成光電傳感器[310]分別連接到電控系統連接器[404]的“紅色”和“白蛋白通道”引腳；測尿素光電檢測集成部件[212]中的黃綠色超亮發光二極管[301]和集成光電傳感器[303]分別連接到電控系統連接器[404]的“黃綠色”和“尿素通道”引腳；串行通訊控制芯片[401]的發送端AVR-TXD與AVR單片機模塊的發送端AVR-TXD相連，它的接收端AVR-RXD和AVR單片機模塊的接收端AVR-TXD相連；串行通訊控制芯片[401]的端口RXD、TXD分別和電控系統連接器[404]的“接收數據”引腳和“發送數據”引腳相連；AVR單片機模塊[402]的PB6、PB[5..4]分別為觸摸屏的數據輸入端口、液晶顯示器的雙向數據傳輸端口；PD[7.6.3.2]作為通道控制開關模塊[403]的選通信號；PA0和PB1引腳經通道控制開關模塊[403]的313[6]和313[3]連接到電控系統連接器[404]的“紅色”和“黃綠色”引腳；PB0和PC0引腳經過經通道控制開關模塊[403]的313[9]和313[16]連接到電控系統連接器[404]的“尿素通道”和“白蛋白通道”引腳；PD4和PD5引腳經過通道控制開關模塊[403]的PP1和PP2連接到電控系統連接器[404]的“試劑泵”和“培養液泵”引腳；提取培養液蠕動泵[201]置于生物反應器和測白蛋白比色皿[204]之間以及生物反應器和測尿素比色皿[208]之間；在生物反應器培養液[200]和測尿素比色皿[208]之間用內徑0.2毫米的醫用橡膠軟管[202]連接；生物反應器培養液[200]與測白蛋白比色皿[204]之間用醫用橡膠軟管[203]連接；軟管[202]、[203]嵌入到蠕動泵[201]泵頭的管槽內；提取試劑蠕動泵[206]安置于測尿素試劑瓶[209]與測尿素比色皿[208]之間以及測白蛋白試劑瓶[210]與測白蛋白比色皿[204]之間；測尿素試劑瓶[209]與測尿素比色皿[208]之間用醫用橡膠軟管[207]連接，測白蛋白試劑瓶[210]與測白蛋白比色皿[204]之間用醫用橡膠軟管[205]連接；軟管[207]、[205]嵌入到蠕動泵[206]泵頭的管槽內。
2.根據權利要求1所述的細胞功能在線檢測裝置，其特征是所述的超亮發光二極管[312]、[301]和集成光電傳感器[310]、[303]分別置于比色皿插槽的兩端，超亮發光二極管[312]、[301]的光路與光電傳感器[310]、[303]的中心對正并且垂直。
3.根據權利要求1所述的細胞功能在線檢測裝置，其特征是所述的蠕動泵可用手動或其它移液裝置代替。
4.根據權利要求1所述的細胞功能活性在線快速檢測裝置，其特征是使用電壓控制變光二極管作為測量光源時可僅用一套光電檢測集成部件，分時插入不同的比色皿分別檢測培養液中的白蛋白和尿素。
專利摘要一種細胞功能活性在線檢測裝置，包括超亮發光二極管，集成光電傳感器，比色皿、蠕動泵、試劑瓶和電控系統。超亮發光二極管發出的光線穿過比色皿及其內部存放的液體，到達集成光電傳感器并把光信號轉換成電壓信號。蠕動泵置于生物反應器和比色皿之間以及試劑瓶和比色皿之間，在生物反應器和比色皿之間用內徑0.2毫米的醫用橡膠軟管連接，并將軟管嵌入到蠕動泵頭的管槽內，蠕動泵在單片機的控制下工作時，泵頭主動輪的旋轉使泵頭上安裝的滾輪周而復始地壓緊和放松醫用橡膠軟管，使管內產生負壓，培養液和試劑便送入到安放在光電檢測集成部件中心部位的比色皿中，當集成光電傳感器接受到穿過比色皿的特定波長的測量光后即可轉換成對應的物質濃度。
文檔編號G01N21/27GK2762137SQ20042012103
公開日2006年3月1日 申請日期2004年12月30日 優先權日2004年12月30日
發明者李明, 項紅生, 楊巍, 樓晗芬 申請人:中國科學院電工研究所