曹　恒，李建杰，王　婷，吳　曉，劉　麗

(1.上海理工大學 上海市現(xiàn)代光學重點實驗室，上海 200093；2.上海科源電子科技有限公司，上海 201101)

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關于搖床的在線監(jiān)測電路設計

曹恒1，李建杰1，王婷1，吳曉2，劉麗2

(1.上海理工大學 上海市現(xiàn)代光學重點實驗室，上海 200093；2.上?？圃措娮涌萍加邢薰?，上海 201101)

生物搖床是一種實驗室常見的微生物、細菌與細胞培養(yǎng)儀器。傳統(tǒng)搖床僅能為被培養(yǎng)物質(zhì)提供良好的培養(yǎng)環(huán)境，卻無法獲知其實時生長狀況。為此，文中在濁度法的基礎上設計了一種在線吸光度檢測電路。該電路由LED控制電路、光電轉(zhuǎn)換電路、放大電路與A/D采樣電路4個模塊組成，引入該電路系統(tǒng)的搖床能在生物培養(yǎng)的同時實現(xiàn)實時生物濃度檢測。通過搭建相關實驗平臺，對該電路檢測的準確性及穩(wěn)定性做了系統(tǒng)驗證。實驗結果表明，設計的培養(yǎng)監(jiān)測電路的吸光度檢測誤差控制在3%以內(nèi)，能準確地反應出當前被培養(yǎng)物質(zhì)的吸光度值，即該電路能實現(xiàn)生物搖床的在線監(jiān)測培養(yǎng)。

培養(yǎng)監(jiān)測電路；吸光度；生物搖床

生物搖床具有不銹鋼萬用道具、數(shù)顯控溫、無級調(diào)速和良好的熱循環(huán)功能，是一種多用途的生化器，廣泛應用于對溫度和振蕩頻率有較高要求的細菌培養(yǎng)、發(fā)酵、雜交、生物化學反應以及酶和組織研究等方面。隨著生物科學的不斷發(fā)展，對于搖床的功能特性提出了更高的要求。在研究現(xiàn)有搖床后發(fā)現(xiàn)，玻璃搖瓶或錐形瓶類的微生物反應器在每次實驗前后均需清洗和消毒，既浪費人力，又易造成交叉污染。而一次性塑料制品反應器也會由于不易處理而產(chǎn)生大量塑料垃圾[1]。

鑒于此，參照他人關于不同形狀與類型的柔性反應器的嘗試[2-4]，文獻[5]提出了一種新型的一次性柔性生物反應器，這種生物反應器不但克服了上述反應器的缺點，且在微生物培養(yǎng)效率和氧氣傳輸速率上也有顯著的提高。此外，黃山中新生物科技、濟南鑫貝西、蘇州培英等公司則針對當前搖床技術做出了長足的改進，顯著改善了搖床的振蕩性能、溫度特性及可操作性。

這些改進措施使得搖床的性能有所提升，可是這些改進大多基于其原有架構，功能性的改變較少。傳統(tǒng)意義上的搖床只能用于微生物的培養(yǎng)，而培養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測方面則需要通過另外的途徑實現(xiàn)。多數(shù)做法是將已培養(yǎng)好的微生物溶液取出并置于酶標儀上測量，從而獲得當前的微生物生長狀況。一方面，環(huán)境因素的改變、人為操作不科學可能導致該文觀測到的微生物生長狀況與其實際生長狀況并不一致，從而產(chǎn)生誤判斷；其次，該做法很繁瑣不利于多次操作。因此，在傳統(tǒng)搖床的基礎上設計添加了吸光度檢測電路，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)在培養(yǎng)微生物的過程中實時檢測搖床內(nèi)培養(yǎng)液的吸光度值，進而監(jiān)視微生物的生長狀況。

1　生物檢測原理

吸光度(Absorbance),又稱為光密度(Optical Density, OD), 是指光線通過溶液或某一物質(zhì)前的入射光的強度I0與該光線通過溶液或物質(zhì)之后的透射光強度I1的對數(shù)比值(即lg(I0/I1))。根據(jù)朗博-比爾定律，吸光度可表示為

OD=lg(I0/I1)=εbc

(1)

其中，OD為吸光度；I0為入射光強度；I1為出射光強度；ε為物質(zhì)的吸光系數(shù)；b為光程；c為物質(zhì)濃度[6]。

由此可知物質(zhì)的吸光度與其濃度成正比，其吸光度的變化趨勢與濃度變化趨勢是一致的。因此可通過觀測物質(zhì)的吸光度來了解物質(zhì)的濃度變化趨勢。鑒于此，為搖床添加吸光度檢測電路，用于檢測培養(yǎng)液的吸光度值，以便實時監(jiān)測被培養(yǎng)細胞或微生物的生長狀況。

2　吸光度檢測單元的電路設計

基于吸光度檢測原理設計了用于實現(xiàn)搖床實時培養(yǎng)監(jiān)測的電路模塊。該電路由LED控制電路、光電轉(zhuǎn)換電路、放大電路與A/D采樣電路4個模塊組成。

LED控制電路如圖1所示，該電路用于產(chǎn)生吸光度檢測當中所需的入射光。通過對連接LED_Ctrl的微處理器GPIO口的置高和拉低來控制三極管Q1的導通與截止，進而控制發(fā)光二極管D1的亮與滅。電位器VR1通過調(diào)節(jié)流經(jīng)LED兩端的電流來控制LED的亮度，由此來調(diào)節(jié)入射光光強的大小。R1為限流電阻，控制三極管基極電流的大小。R2為下拉電阻，在信號不確定時將三極管基極電壓拉低。

圖1　LED控制電路圖

如圖2所示，光電轉(zhuǎn)換電路模塊用于光信號轉(zhuǎn)換成電信號[7-8]。其中，光電二極管D2工作于光伏模式下，將光信號轉(zhuǎn)換成電流信號[9]。運算放大器U1和反饋電阻器R4用來實現(xiàn)電流-電壓轉(zhuǎn)換。相位補償電容C2用來消除自激振蕩，R3和C1構成濾波電路用來消除電源噪聲。

圖2　光電轉(zhuǎn)換電路

運算放大器U4在這里對經(jīng)由光電轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓作進一步放大[10]，A/D轉(zhuǎn)換器U5對經(jīng)由U4輸出的電壓進行采集并將采集到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號后通過SPI總線接口傳輸?shù)絊TM32微控制器。微控制器再通過RS-485協(xié)議[11]將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)給上位機，最終在LCD上顯示，具體電路模塊如圖3所示。

圖3　放大電路與AD采樣電路

3　在線培養(yǎng)監(jiān)測可靠性實驗及結果分析

為驗證設計電路模塊能否滿足搖床在生物培養(yǎng)的同時實現(xiàn)實時培養(yǎng)監(jiān)測，設計了如下兩個實驗對吸光度檢測電路測量吸光度的準確性、可靠性進行驗證：

(1)分別將OD標準板置于搖床托盤的8個區(qū)域(area0～7)內(nèi)，運行吸光度檢測電路并記錄數(shù)據(jù)。理論上來說除了第1行的8個孔為透光孔以外，96孔OD標準板每1行的OD值均相同，其2～12行的OD值分別為3、0.3、0.57、1.1、2、3、3、0、0、0、0。檢測得到的數(shù)據(jù)如圖4和圖5所示。

圖4　第3行(左)與第4行(右)對應的 值

圖5　第5行(左)與第6行(右)對應的 值

其中,X軸表示標準板對應行的孔位，1～8則對應該行的8個孔位，Y軸表示被檢測物質(zhì)的吸光度值，REF value則表示孔位對應的標準值。這里選取了標準板中4行具有不同OD值的孔位的檢測值與其對應的OD標準值做對比，從圖4與圖5中該文可看出實際測得的OD值與標準值雖然有所偏差，但均在2%以內(nèi)，由此可說明該文中所設計的吸光度檢測電路是可信的，能夠準確的測量出被培養(yǎng)物質(zhì)的OD值；

(2)由于搖床在培養(yǎng)微生物或細菌溶液時大多工作在37 ℃，并且伴有振蕩搖勻，因此該文也設計了實驗來驗證搖床正常工作時吸光度檢測電路能否正常工作。將搖床溫度設為37 ℃，在不同轉(zhuǎn)速下對濃度一定的氯化鈷溶液進行吸光度檢測10次，記錄其實驗數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6　不同振蕩環(huán)境下檢測到的值

從圖6可看出，在不同轉(zhuǎn)速狀態(tài)下所測得的OD值相比其的平均值0.720 6而言偏差較小，均在 3%以內(nèi)。即在多次測量的過程中并沒有因為機械振蕩而造成位置偏移從而導致吸光度測量數(shù)據(jù)失準。綜合上述研究結果可以說明，該吸光度檢測電路表現(xiàn)良好，能夠在搖床進行培養(yǎng)的過程中準確的測量出溶液的OD值，從而實現(xiàn)生物培養(yǎng)的在線監(jiān)測。

4　結束語

鑒于傳統(tǒng)搖床不能直接獲取培養(yǎng)物的實時生長狀況，該文在濁度法的基礎上設計了一套吸光度檢測電路，用于實現(xiàn)生物搖床的在線吸光度檢測。此外，搭建了相應實驗平臺驗證了該吸光度檢測電路測量的準確性及其在線測量的可行性。運用該吸光度檢測電路檢測OD標準板時發(fā)現(xiàn)實際檢測得到的OD值與標準值誤差在2%以內(nèi)，能較好地反應出被檢測物質(zhì)的吸光度值。而在搖床常用工作狀態(tài)下運用該吸光度檢測電路檢測得到的OD值的偏差也在3%以內(nèi)，說明其在搖床正常運行過程中并未因機械振蕩而造成位置偏移，從而使得吸光度檢測失準。因此，該文能在進行微生物培養(yǎng)的同時準確獲得該微生物的實時生長狀況，對于及時確定微生物生長變化規(guī)律以及深入研究其代謝調(diào)控具有重要意義。

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Design of the Online Growth Monitoring Circuit for Shaking Incubators

CAO Heng1, LI Jianjie1, WANG Ting1, WU Xiao2, LIU Li2

(1.Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2.Shanghai Cohere Electronics Technology Co., Ltd, Shanghai 201101, China)

Biological shaking incubator is a common laboratory instrument often used to cultivate microorganisms, bacteria and cells. Traditional incubators fail to provide real-time information on material growth. A circuit of online optical density detection based on turbidity method is designed. The circuit, consisting of the LED controlling circuit, the photoelectric conversion circuit, the amplifier and the A/D sample circuit, realizes the real optical density detection during cultivation. Relative platform has been set up to verify the accuracy and stability of the optical density detection circuit. The error between the optical density value detected by optical density detection circuit and the average one in different states is shown to be less than 3%, indicating that the circuit reflects the optical density value of the cultured materials in real time accurately.

circuit of cultivation monitor; optical density; biological shaking incubator

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.003

2015-12-06

上海市教育委員會青年教師基金資助項目(ZZslg15015)

曹恒(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：生物搖床的研究與改進。李建杰(1971-)，男，講師。研究方向：光電設計。

TN710

A

1007-7820(2016)08-007-04