多通道光路装置及微生物高通量培养和检测装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及实验室微生物研究领域，公开了一种多通道光路装置及微生物高通量培养和检测装置，包括高通量检测微生物样品浓度的多通道光路装置、改进的振摇装置以及适用于多通道光路装置或自动化装置的复合微孔板。该检测装置使用分光器和前向散射光路结合的方式来错时检测微孔板上每个孔内样品的浓度，避免了普通多通道检测探头同时对多个样品检测时相邻孔信号相互干扰的缺点。所述光路的工作由分光器、红外光发射电路和红外光接收电路的协调控制构成，红外光发射电路采用专用的恒流源芯片控制，既能保证红外发光二极管的使用安全和使用寿命，同时也能保证发射的红外光功率稳定。

【技术实现步骤摘要】
多通道光路装置及微生物高通量培养和检测装置
本技术属于实验室微生物研究领域，涉及一种能多通道光路装置及微生物高通量培养和检测装置，包括高通量检测微生物样品浓度的多通道光路装置、改进的振摇装置以及适用于多通道光路装置或自动化装置的复合微孔板。背景生物技术产品中除了占比最大的生物制药外，在工业市场上，精细化学品和生物燃料也占据了重要的地位。越来越多的工业应用和产品都涉及或源于生物催化反应。这些新兴产品大多数都是在微生物或细胞培养发酵中产生。此外，基因工程中涌现的各种新的研究工具被用来操纵细胞以产生新的生物分子。定向进化、系统生物学和合成生物学领域为自下而上设计新颖并具有更高生产效率的生物过程铺平了道路。在微生物或细胞中设计新的代谢途径使得更有竞争力的生物过程能取代或改进化学生产过程。化学和制药行业受到市场竞争的压力，各个公司都在以尽可能快的速度开发新产品，以缩短产品上市时间，而且新制药的专利有效期也限迫使这些公司在市场早期推出新产品以获取更大的市场回报。加快开发这些生物过程的速度需要非常快速、高效的工具，新的研究工具也成为促进生物过程研发的必要条件。生物技术的这些要求催生了高通量筛选(HTS)技术的出现。专利技术于1951年的微孔板(或微量滴定板，MTPs)最开始主要用于满足制药，化学和基础研究中高通量的需求。通过在同一面积上集中更多样品孔，微孔板的通量不断增加，从6、12、24、48、96、384、1536演变为3456个孔。现在微孔板已经成为药物发现高通量实验的标准工具之一。由于其具有使用成本低，操作简单，通量高，能和大多数自动化设备兼容的特点，在过去的十多年，各种微孔板(24-384孔)在培养微生物中的应用也越来越普遍，和三角瓶一样，如今微孔板在科研和工业生物过程开发中已经成为了最常用的生物反应器。微孔板中进行微生物培养的明显缺点是其有限的最大氧转移能力(OTRmax)。因此，微孔板用于微生物培养和保存初期主要限于建立大肠杆菌和酵母的克隆文库。由于大肠杆菌和大多数酵母可以在厌氧或低氧条件下生长，所以氧气供应不足通常对培养效果没有太大影响。然而，需氧菌培养过程中，在微孔板中就会出现生长不良的情况。如果高通量筛选(HTS)或菌株开发过程目的在筛选用于需氧发酵的生产菌株，则必须为筛选的微生物提供足够的溶氧。否则，筛选菌株会失败，即便筛选成功，后期在氧气供应充足的发酵罐中扩大培养以获得更多的产物时也可能会无效。近年来，随着对动态微孔板的生物工程参数表征方面进行的深入研究，发现影响微孔内气液氧传递速度的决定因素在于是否能在孔内壁上形成面积足够大的液膜。随着微孔横切面积的减小，表面张力会对微孔板中流体的流动施加越来越大的抵抗力，加上毛细管力的叠加，更阻碍了分子的自由扩散和强制流动。从而不能形成较大面积的液膜，进而导致在比较大的振幅和常见振摇频率下气液氧传递速度很低。所以，要达到同样的气液氧传递效果，在相同振摇半径的条件下，对于96、384和1536孔板，相比于传统的三角瓶或培养瓶则需要更高的振摇速度。专利技术人发现在高速圆周振摇条件下，液体在48孔微孔板的圆弧形壁上形成薄膜时，传质系数(kL)能高达0.8m/h，明显优于96孔板或三角瓶。因此，48孔板可以作为微生物培养和表达研究的有力工具，兼具96孔板高通量和传统振摇三角瓶较高的气液氧传递速度的优点。实现培养容器的圆周振摇的现有技术中，在实验室中常用的是水平圆周摇床培养箱，该具有(1)三点摇动系统，其由三个轴承组成，三个轴承在振摇台下方的三角形中，其中一个轴由电机驱动，或者(2)中央驱动器，结合四边形支撑振摇平台。在这两种情况下，内部配重直接放置在摇床平台下方，使得在振摇过程中转轴在水平面方向上达到完全或部分平衡，避免箱体剧烈晃动。由于传统的多数摇床培养箱或微孔板振摇器的驱动装置都位于紧挨振摇平台正下方的位置，没有给移动探头来回移动的空间，因此这种驱动系统或配重的存在，在振摇平台下方没有太大的空间可予以利用。而且大多只有一个轴由电机驱动，其它轴跟随振摇平台被动转动。当使用常见的振摇频率运行时，机械部分受到多余的压力而易磨损，特别是在较高的转速下，这种磨损会缩短振摇装置的使用寿命。微生物高通量培养时，如果需要实时监测它们的生长情况或提供特殊的培养条件(如提供均匀的光照)，需要将装置和/或照明装置放置在平台下方，普通摇床则不具备足够的空间。因此，现有的圆周振摇装置只能适应微生物高通量培养的需求，无法同时实现实时测量微生物的浓度的需求。此外，在实时测量微生物的浓度的现有技术中，常见的研究方法是使用酶标仪或类似酶标仪原理的微孔板检测仪。该方法通过测量普通微孔板内透射光和前向散射光强度来检测光密度，光密度和样品浓度在一定范围内成比例变化。但是由于普通酶标仪的振摇方式基本上是低速的线性振摇，振摇强度温和、频率低，只能达到简单混合样品的目的，并不能使孔内达到较高的气液氧传递速度。而且普通微孔板由上盖和孔板组成，使用微孔板培养微生物时，如果盖紧上盖，不能使孔内微生物得到充足的氧气，会影响好氧微生物生长效果；如果不盖紧上盖，孔内的液体会蒸发，而且外侧孔和内侧孔的液体蒸发速度和氧气交换速度不一样，导致培养结果存在明显的边缘效应。虽然使用疏水透气膜覆盖微孔板可以防止液体蒸发，同时保证气体交换，但现有的疏水透气膜透光率差，将影响光路穿过待测样品，从而影响检测效果。中国专利申请201080009279，专利技术名称“分析生物样品的设备”公开了一种使用前向和后向散射光法测量微孔板中菌悬液浓度的技术，该专利技术适用于微孔板中菌悬液浓度的定性测量，从而实现快速和高通量检测样品中是否存在细菌，并完成分型或抗菌检验。由于该专利技术存在和酶标仪类似的缺点，因此该专利技术只能用于培养物的定性检测，即用于医药诊断用途，并不适合好氧微生物的高质量培养。中国专利技术专利申请201310246480、“非接触式多通道在线检测发酵液的摇床装置及测试方法”公开了利用分光光度计原理实现多通道实时检测培养菌液的装置，该装置通过检测透射特制三角瓶液柱的光密度来实现多个培养容器实时检测微生物的生长情况。然而，该方法需要在每个培养容器两侧设置激光发射器和接收器，并且培养容器明显不同于微孔板的培养环境，无法实现高通量微孔板培养和实时检测的目的。中国专利申请201510551900、专利技术名称“一种用于摇瓶培养的非侵入式生物量在线检测装置”，该装置采用后向散射光测量技术实现摇瓶培养菌液浓度的在线检测，可在不中断培养设备的情况下，对摇瓶内菌悬液的浓度进行检测。但是当样品浓度浓度较小或培养容器较小时，易受到容器壁反射光的干扰，只适合容积较大的三角瓶，不适合用于微孔板的检测，而且如果每一个容器都需加装一个检测装置，这对于微孔板来说，即增加了设备成本、增大了系统误差、在实施上也有很大难度。中国专利申请201610341529、专利技术名称“一种用于微生物高通量培养及其大浓度范围实时检测的自动化仪器”，该装置采用透射和后向散射光路，构成一个双检测器的复合光路，结合转盘转动来达到单个检测探头检测多个样品的目的。但该装置很难将检测通量扩展到一百个以上，而且改装置适用的培养容器是单个的玻璃瓶，对于检测通量超过一百个的实验，操作起来远不如微孔板方便。本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高通量检测微生物样品浓度的多通道光路装置，该装置包括：发光二极管(1)和与其连通的光纤(2)，与光纤(2)连通的分光器(3)，与分光器(3)连通的多通道光纤(4)，以及浓度检测探头(23)，其中，浓度检测探头(23)包括作为上臂的光纤固定座(5)和作为下臂的光电二极管固定座(8)，光纤固定座(5)连通上述多通道光纤(4)，光电二极管固定座(8)设有与多通道光纤(4)的光路对应的多通道光电二极管(9)，并且上臂和下臂分别对应设置在微孔板的垂直上、下方，彼此之间通过垂直与上下臂的连接件连接，从而形成水平方向的U形开口的浓度检测探头；发光二极管(1)发出固定波长的光耦合进光纤(2)，经过分光器(3)后可以将光分配到指定的多通道光纤(4)，从光纤(4)通道发射的多条光路垂直透过微孔板(6)的多个微孔中的液体培养基(7)中的样品，并通过浓度检测探头(23)检测透过样品的和被样品散射的前向散射光，并将光信号转化成电信号，再经电路将电信号转化成数字信号，整个过程即形成浓度检测光路，从而完成高通量微生物样品浓度的检测。

【技术特征摘要】
1.一种高通量检测微生物样品浓度的多通道光路装置，该装置包括：发光二极管(1)和与其连通的光纤(2)，与光纤(2)连通的分光器(3)，与分光器(3)连通的多通道光纤(4)，以及浓度检测探头(23)，其中，浓度检测探头(23)包括作为上臂的光纤固定座(5)和作为下臂的光电二极管固定座(8)，光纤固定座(5)连通上述多通道光纤(4)，光电二极管固定座(8)设有与多通道光纤(4)的光路对应的多通道光电二极管(9)，并且上臂和下臂分别对应设置在微孔板的垂直上、下方，彼此之间通过垂直与上下臂的连接件连接，从而形成水平方向的U形开口的浓度检测探头；发光二极管(1)发出固定波长的光耦合进光纤(2)，经过分光器(3)后可以将光分配到指定的多通道光纤(4)，从光纤(4)通道发射的多条光路垂直透过微孔板(6)的多个微孔中的液体培养基(7)中的样品，并通过浓度检测探头(23)检测透过样品的和被样品散射的前向散射光，并将光信号转化成电信号，再经电路将电信号转化成数字信号，整个过程即形成浓度检测光路，从而完成高通量微生物样品浓度的检测。2.权利要求1的装置，其中该检测探头(23)的上下臂分别固定8-16个通道的光纤(4)和光电二极管(9)，优选是12个通道的光纤(4)和光电二极管(9)。3.权利要求1或2的装置，其中该检测探头(23)的上下臂间隔距离为20-50mm，其中优选是40mm；所述发光二极管(1)为峰值波长范围在600-1400nm的发光二极管，优选为850nm。4.一种微生物高通量培养和浓度实时检测的自动化装置，包括上部的前述权利要求1至3所述的多通道光路装置，中部的承载多个微孔板的振摇平台，下部的微孔板振摇装置，以及设在底部的检测探头移动装置，其中，(1)振摇平台(18)设在浓度检测探头的U形开口之间，浓度检测探头可在振摇平台上的多个微孔板上方水平移动；(2)与振摇平台(18)固定连接的微孔板振摇装置，包括底部的电机(28)，设在电机(28)上方的轴承固定板(12)，轴承固定板(12)上不对称设置三个偏心轴(17)，各个偏心轴(17)中段通过同步带(11)彼此相连，偏心轴(17)上段与振摇平台(18)固定连接，同步带(11)缠绕固定板上的电机转轴(14)上，当电机(28)驱动电机转轴(14)旋转时，转轴(14)带动同步带驱动多个偏心轴(17)自转，从而带动上方振摇平台(18)高速圆周振摇，最终带动微孔板(6)高速圆周振摇；...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋佩琪，吴维，万俊，齐一伯，
申请(专利权)人：长沙爱扬医药科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43