关于摇床的在线监测电路设计

曹　恒，李建杰，王　婷，吴　晓，刘　丽

(1.上海理工大学 上海市现代光学重点实验室，上海 200093；2.上海科源电子科技有限公司，上海 201101)



关于摇床的在线监测电路设计

曹恒1，李建杰1，王婷1，吴晓2，刘丽2

(1.上海理工大学 上海市现代光学重点实验室，上海 200093；2.上海科源电子科技有限公司，上海 201101)

生物摇床是一种实验室常见的微生物、细菌与细胞培养仪器。传统摇床仅能为被培养物质提供良好的培养环境，却无法获知其实时生长状况。为此，文中在浊度法的基础上设计了一种在线吸光度检测电路。该电路由LED控制电路、光电转换电路、放大电路与A/D采样电路4个模块组成，引入该电路系统的摇床能在生物培养的同时实现实时生物浓度检测。通过搭建相关实验平台，对该电路检测的准确性及稳定性做了系统验证。实验结果表明，设计的培养监测电路的吸光度检测误差控制在3%以内，能准确地反应出当前被培养物质的吸光度值，即该电路能实现生物摇床的在线监测培养。

培养监测电路；吸光度；生物摇床

生物摇床具有不锈钢万用道具、数显控温、无级调速和良好的热循环功能，是一种多用途的生化器，广泛应用于对温度和振荡频率有较高要求的细菌培养、发酵、杂交、生物化学反应以及酶和组织研究等方面。随着生物科学的不断发展，对于摇床的功能特性提出了更高的要求。在研究现有摇床后发现，玻璃摇瓶或锥形瓶类的微生物反应器在每次实验前后均需清洗和消毒，既浪费人力，又易造成交叉污染。而一次性塑料制品反应器也会由于不易处理而产生大量塑料垃圾[1]。

鉴于此，参照他人关于不同形状与类型的柔性反应器的尝试[2-4]，文献[5]提出了一种新型的一次性柔性生物反应器，这种生物反应器不但克服了上述反应器的缺点，且在微生物培养效率和氧气传输速率上也有显著的提高。此外，黄山中新生物科技、济南鑫贝西、苏州培英等公司则针对当前摇床技术做出了长足的改进，显著改善了摇床的振荡性能、温度特性及可操作性。

这些改进措施使得摇床的性能有所提升，可是这些改进大多基于其原有架构，功能性的改变较少。传统意义上的摇床只能用于微生物的培养，而培养状态监测方面则需要通过另外的途径实现。多数做法是将已培养好的微生物溶液取出并置于酶标仪上测量，从而获得当前的微生物生长状况。一方面，环境因素的改变、人为操作不科学可能导致该文观测到的微生物生长状况与其实际生长状况并不一致，从而产生误判断；其次，该做法很繁琐不利于多次操作。因此，在传统摇床的基础上设计添加了吸光度检测电路，该电路能够实现在培养微生物的过程中实时检测摇床内培养液的吸光度值，进而监视微生物的生长状况。

1　生物检测原理

吸光度(Absorbance),又称为光密度(Optical Density, OD), 是指光线通过溶液或某一物质前的入射光的强度I0与该光线通过溶液或物质之后的透射光强度I1的对数比值(即lg(I0/I1))。根据朗博-比尔定律，吸光度可表示为

OD=lg(I0/I1)=εbc

(1)

其中，OD为吸光度；I0为入射光强度；I1为出射光强度；ε为物质的吸光系数；b为光程；c为物质浓度[6]。

由此可知物质的吸光度与其浓度成正比，其吸光度的变化趋势与浓度变化趋势是一致的。因此可通过观测物质的吸光度来了解物质的浓度变化趋势。鉴于此，为摇床添加吸光度检测电路，用于检测培养液的吸光度值，以便实时监测被培养细胞或微生物的生长状况。

2　吸光度检测单元的电路设计

基于吸光度检测原理设计了用于实现摇床实时培养监测的电路模块。该电路由LED控制电路、光电转换电路、放大电路与A/D采样电路4个模块组成。

LED控制电路如图1所示，该电路用于产生吸光度检测当中所需的入射光。通过对连接LED_Ctrl的微处理器GPIO口的置高和拉低来控制三极管Q1的导通与截止，进而控制发光二极管D1的亮与灭。电位器VR1通过调节流经LED两端的电流来控制LED的亮度，由此来调节入射光光强的大小。R1为限流电阻，控制三极管基极电流的大小。R2为下拉电阻，在信号不确定时将三极管基极电压拉低。

图1　LED控制电路图

如图2所示，光电转换电路模块用于光信号转换成电信号[7-8]。其中，光电二极管D2工作于光伏模式下，将光信号转换成电流信号[9]。运算放大器U1和反馈电阻器R4用来实现电流-电压转换。相位补偿电容C2用来消除自激振荡，R3和C1构成滤波电路用来消除电源噪声。

图2　光电转换电路

运算放大器U4在这里对经由光电转换电路输出的电压作进一步放大[10]，A/D转换器U5对经由U4输出的电压进行采集并将采集到的模拟电压信号转化成数字信号后通过SPI总线接口传输到STM32微控制器。微控制器再通过RS-485协议[11]将处理后的数据发给上位机，最终在LCD上显示，具体电路模块如图3所示。

图3　放大电路与AD采样电路

3　在线培养监测可靠性实验及结果分析

为验证设计电路模块能否满足摇床在生物培养的同时实现实时培养监测，设计了如下两个实验对吸光度检测电路测量吸光度的准确性、可靠性进行验证：

(1)分别将OD标准板置于摇床托盘的8个区域(area0～7)内，运行吸光度检测电路并记录数据。理论上来说除了第1行的8个孔为透光孔以外，96孔OD标准板每1行的OD值均相同，其2～12行的OD值分别为3、0.3、0.57、1.1、2、3、3、0、0、0、0。检测得到的数据如图4和图5所示。

图4　第3行(左)与第4行(右)对应的 值

图5　第5行(左)与第6行(右)对应的 值

其中,X轴表示标准板对应行的孔位，1～8则对应该行的8个孔位，Y轴表示被检测物质的吸光度值，REF value则表示孔位对应的标准值。这里选取了标准板中4行具有不同OD值的孔位的检测值与其对应的OD标准值做对比，从图4与图5中该文可看出实际测得的OD值与标准值虽然有所偏差，但均在2%以内，由此可说明该文中所设计的吸光度检测电路是可信的，能够准确的测量出被培养物质的OD值；

(2)由于摇床在培养微生物或细菌溶液时大多工作在37 ℃，并且伴有振荡摇匀，因此该文也设计了实验来验证摇床正常工作时吸光度检测电路能否正常工作。将摇床温度设为37 ℃，在不同转速下对浓度一定的氯化钴溶液进行吸光度检测10次，记录其实验数据如图6所示。

图6　不同振荡环境下检测到的值

从图6可看出，在不同转速状态下所测得的OD值相比其的平均值0.720 6而言偏差较小，均在 3%以内。即在多次测量的过程中并没有因为机械振荡而造成位置偏移从而导致吸光度测量数据失准。综合上述研究结果可以说明，该吸光度检测电路表现良好，能够在摇床进行培养的过程中准确的测量出溶液的OD值，从而实现生物培养的在线监测。

4　结束语

鉴于传统摇床不能直接获取培养物的实时生长状况，该文在浊度法的基础上设计了一套吸光度检测电路，用于实现生物摇床的在线吸光度检测。此外，搭建了相应实验平台验证了该吸光度检测电路测量的准确性及其在线测量的可行性。运用该吸光度检测电路检测OD标准板时发现实际检测得到的OD值与标准值误差在2%以内，能较好地反应出被检测物质的吸光度值。而在摇床常用工作状态下运用该吸光度检测电路检测得到的OD值的偏差也在3%以内，说明其在摇床正常运行过程中并未因机械振荡而造成位置偏移，从而使得吸光度检测失准。因此，该文能在进行微生物培养的同时准确获得该微生物的实时生长状况，对于及时确定微生物生长变化规律以及深入研究其代谢调控具有重要意义。

[1]Cynthia Sanville Millard,Lucy Stols,Pearl Quartey, et al. A less laborious approach to the high-throughput production of recombinant proteins in escherichia coli using 2-liter plastic bottles[J].Protein Expression and Purification,2003,29(2):311-320.

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[3]Isao Kato,Hideo Tanaka.Development of a novel box-shaped shake flask with efficient gas exchange capacity[J].Journal of Fermentation and Bioengineering,1998,85(4):404-409.

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[6]Mehrube Mehrubeoglu,Mingyang Teng, M Savage,et al. Hyperspectral imaging and analysis of mixed algae species in liquid media[C].Xi’an: IEEE International Conference on Imaging Systems and Techniques,2012.

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[8]李常青,梅欣丽,明奇.微弱光信号检测电路的实现[J]. 应用光学,2010,31(5):724-727.

[9]李晓坤.精密光电检测电路设计方案[J].电子产品世界,2003(23):37-39.

[10] 刘立钧.运放单电源放大电路设计方法[J].电子科技,2006(10):73-75,78.

[11] 刘禹辰,张仁杰,刘虎,等.STM32与上位机Modbus协议的通信方法[J].电子科技,2015,28(10):27-30.

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

上海市教育委员会青年教师基金资助项目(ZZslg15015)

曹恒(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：生物摇床的研究与改进。李建杰(1971-)，男，讲师。研究方向：光电设计。

TN710

A

1007-7820(2016)08-007-04