一種便攜式細胞培養箱的研制*

楊 軍，趙坤耀，胡 寧，謝 琳，楊 靜

（1.重慶大學生物工程學院，重慶 400030;2.第三軍醫大學大坪醫院野戰外科研究所眼科，重慶 400042;3.重慶通信學院軍事信息工程系，重慶 400035）

0 引言

細胞培養技術是一種用于細胞生物學和分子生物學等研究的重要方法［1］。研究細胞的功能、代謝以及細胞對環境諸因素影響的反應等需要一個既能使細胞脫離復雜環境的直接影響，又能維持正常生命活動的條件。這一條件的建立離不開培養基和細胞培養箱。細胞培養的營養環境可由培養基提供［2］，而細胞培養的環境參數則可由細胞培養箱提供。

常規的細胞培養箱能精確地提供細胞培養需要的溫度、濕度、氣體環境，性能穩定、響應迅速、可靠性高，且能有效防范對培養細胞的污染。但是常規的細胞培養箱尺寸、質量都較大，很難在實驗細胞樣本的遠距離傳輸中派上用場。這就需要一種參數控制相對精確、體積小、質量輕的便攜式細胞培養箱。這種裝置還可以用于某些不經常進行細胞培養的實驗室開展臨時或者短期細胞實驗的需要。

目前市面上的便攜式細胞培養產品在溫度控制上主要有水套式加熱和氣套式加熱2種。這2種溫度控制方式實現較為簡單，但存在一個共同的缺點，即不能進行降溫。當培養樣本放置區域的溫度值高于初始設定值時，溫度值的下降只能依賴于自然冷卻，因此，溫度控制不夠精確。而且，部分產品僅實現對溫度的控制，而忽略了濕度參數的影響。

本文設計了一種實用性強的便攜式細胞培養箱。采用半導體制冷片作為加熱和降溫的主要器件，利用超聲換能器實現加濕，將培養箱體內溫度和相對濕度值控制在設定的范圍內，并得了滿意的細胞培養效果。

1 儀器設計與制作

1.1 細胞培養系統的整體設計

根據便攜式培養箱需要實現的功能，整個系統包括箱體和內部結構，箱體主要用于內外環境的隔離。系統原型中（圖1），箱體由有機玻璃粘合而成，尺寸為300 mm×250 mm×200 mm。內部結構主要由主控模塊、主要功能模塊和人際交互模塊3個部分組成，其中，主要功能模塊實現溫度和相對濕度的測量與控制。

圖1 便攜式細胞培養箱Fig 1 Portable cell incubator

1.2 傳感器檢測部分

系統中，溫度和濕度的檢測選用 Sensirion公司的SHT11溫濕度傳感器。SHT11傳感器同時產生溫度、相對濕度信號，經過內部電路放大，送到A/D轉換器進行模數轉換、校準和糾錯，再通過二線串行接口將溫度值和相對濕度值送至單片機PIC16F877A，最后利用單片機完成非線性補償和溫度補償。

1.3 溫度控制部分

溫度控制選用半導體制冷片TEC—12706。它基于熱電偶對，即把一只N型半導體和一只P型半導體連接成電偶，兩端加上直流電后，在接口處就會產生溫差和熱量的轉移。在電路上串連起若干對半導體熱電偶對就構成了一個常見的制冷熱電堆。借助熱交換器等各種傳熱手段，使熱電堆的熱端不斷散熱并保持一定的溫度，而把電熱堆的冷端放到工作環境中去吸熱降溫，這就是半導體制冷的原理［3，4］。

溫度控制部分將計算后得到的測量溫度值與初始設定的溫度值對比，再通過單片機兩路輸出端口電平值的變化，切換半導體制冷片的工作狀態。

1.4 濕度控制部分

濕度控制部分選用超聲霧化加濕器。超聲霧化加濕是利用電子高頻振蕩（振蕩頻率為1.7～2.4 MHz），通過陶瓷霧化片的高頻諧振，將液態水分子結構打散而產生水霧，不需加熱或添加任何化學試劑［5］。

系統中設置的初始濕度值為80%RH，將通過線性補償和溫度補償計算后得到的相對濕度值與80%RH相比，再通過單片機的一個端口輸出對應高低電平，控制超聲霧化加濕器工作狀態的導通或截止，為系統加濕。

1.5 人機交互部分

人機交互部分的功能是初始溫度值的設定與參數值的顯示。針對不同溫度值的需求，設置一個初始輸入設置，使系統箱體以設置的溫度值作為控制的目標值。顯示的參數值包括設置的初始值和經過補償計算得到的溫濕度值。

2 系統軟件設計

軟件設計的主要任務是進行傳感器測量值的修正和利用PID控制算法確定單片機脈寬調制（pulse width modulation，PWM）輸出的占空比。

2.1 傳感器測量值的修正

由SHT11傳感器的DATA數據總線直接輸出測得的相對濕度值數字量，需要進行線性補償和溫度補償，溫度值數字量需要進行修正［6］。

按照下面的等式可以計算得到相對濕度測量值SORH的線性補償值RHlinear

其中，C1，C2，C3為線性補償系數。測量值SORH線性補償后的溫度補償值RHtrue為

其中，T為測試濕度值時的溫度，t1和t2為溫度補償系數。由于SHT11是采用PTAY能隙材料制成的溫度敏感元件，具有很好的線性輸出。實際溫度值可由下式算得

其中，d1和d2為特定系數，d1的取值與SHT11的工作電壓有關，d2的取值則與SHT11內部A/D轉換器采用的分辨率有關。

2.2 PID控制PWM占空比

本文采用增量式PID算法控制單片機PWM輸出脈沖的占空比，調節半導體制冷片的工作狀態，實現對溫度部分的控制。PID子程序流程圖如圖2所示。

圖2 PID子程序流程圖Fig 2 Flow chart of the PID sub program

溫度的控制可以分為三段:自由變溫段、PID控制段、自然變溫段。培養箱中培養區域由初始溫度開始到80%設置溫度值為自由變溫段;±20%設置溫度范圍內為PID控制段;當溫度偏差在±1℃時，為自然變溫段。當溫度偏差值在允許的范圍內，而此時系統處于自然變溫段，半導體制冷片不工作。

3 實驗分析

在本設計中，細胞培養空間的大小為138 mm×200 mm×133 mm，半導體制冷片采用水冷方式散熱。半導體制冷片產生的熱量與超聲霧化加濕器產生的濕氣，通過風扇經過單孔板導入箱體中細胞培養區域［7］。

3.1 溫度控制實驗研究

室溫28℃，當設定溫度值為25℃時，箱體內細胞培養區域溫度隨時間的變化曲線如圖3所示。

圖3 溫度隨時間的變化曲線Fig 3 Curve of temperature change with time

培養區域的初始溫度值為28.0℃ ，經過1 min，半導體制冷片已經實現將培養區的溫度降至24.8℃。在隨后的過程里，培養區的溫度一直在25.0℃附近來回波動，偏差在±1℃以內，符合系統設計溫度控制的技術指標要求。

3.2 濕度控制實驗研究

測量60 min內系統箱體培養區域的相對濕度值隨時間的變化如圖4。

培養區域的初始相對濕度值為71%RH，5 min以內超聲霧化加濕器加濕至96%RH，并且在一段時間內維持在98%RH。從第40 min左右開始，培養區內的相對濕度值開始出現微小下降，但仍然保持在90%RH以上，符合系統設計要求。

3.3 細胞培養實驗研究

圖4 相對濕度測量結果Fig 4 Measurement result of the relative humidity

實驗采用的細胞樣本為人腎上皮細胞HEK293。將一份HEK293細胞樣本傳代為3份，分別培養在標號為A，B，C的培養瓶。把培養瓶A，B，C分別放入常規CO2細胞培養箱、自制便攜式培養箱和常溫實驗室中培養3 d。培養前后的細胞生長狀況如圖5所示。

圖5 不同環境下的細胞培養結果對比Fig 5 Comparison of cells cultivation result in different environment

經過3 d不同環境的培養，CO2細胞培養箱內細胞生長情況良好，自制便攜式細胞培養箱中細胞的生長的情況比CO2培養箱中稍差，常溫環境中的細胞瓶中只有一些死細胞，而且存在污染。

實驗結果表明:本設計的系統箱體在短期內能維持細胞的正常生長，只是由于缺乏CO2氣體環境來維持pH值，細胞的長勢要稍差一些。

4 結論

本文新設計制作的便攜式細胞培養箱采用單片機PIC16F877A作為主控器件，將溫濕度傳感器、半導體致冷片、超聲換能器等器件結合在一起，控制并顯示箱體內的溫濕度值。使用半導體致冷片作為加熱和降溫的主要器件，解決了部分便攜式培養類產品無法實現降溫的缺陷。采用霧化加濕，克服了部分產品無加濕功能的不足。與現有大多數便攜類的產品相比，新的系統成本更低，更利于攜帶與遠距離傳送實驗樣本。

但是，設計中溫度控制采用的是一般常規的控制—反饋方法，其實質是一個滯后的控制［8］，控制精度有限，今后，可考慮引入模糊控制器，以期獲得更高的控制精度和更快的響應。

［1］譚玉珍.實用細胞培養技術［M］.北京:高等教育出版社，2010.

［2］Vukasinovic J，Cullen D K，LaPlaca M C，et al.A microperfused incubator for tissue mimetic 3D cultures［J］.Biomedical Microdevices，2009，11（6）:1155 －1165.

［3］龐長林，王曉浩，周兆英，等.小型半導體制冷系統的參數辨識［J］.儀器儀表學報，2003，6（24）:605 －607.

［4］邵 安，蔡純潔，武 濤.半導體制冷溫控系統的設計［J］.儀表技術，2009（11）:29－33.

［5］馮 若.超聲手冊［M］.南京:南京大學出版社，1999.

［6］孟 臣，李 敏，李愛傳.I2C總線數字式溫濕度傳感器SHT11及其在單片機系統的應用［J］.國外電子元器件，2004（2）:50－54.

［7］張 輝.微納米測量環境控制機理及系統研究［D］.合肥:合肥工業大學，2009.

［8］彭 斐.恒溫培養箱的溫度模糊控制［J］.機電工程，2009，26（4）:84－86.