[发明专利]微流控细胞培养用二氧化碳浓度控制方法与装置

说明书

本发明公开一种微流控细胞培养用二氧化碳浓度控制方法与装置，能生成用于微流控细胞培养实验的二氧化碳浓度环境，第一活塞控制纯二氧化碳储气瓶中的气体经第一阀门单向流入气体混合室，第二活塞控制外部和气体混合室之间的气体经第二阀门双向流动，第一活塞和第二活塞的结构相同，细胞培养室通过循环通气管道和气体混合室联通；将需要补充的纯二氧化碳体积做权值分解，确定四个单位充气量，计算出每个单位充气量对应的加药次数，依次充入纯二氧化碳，控制第二活塞中的活塞励磁线圈通电，将空气充入或者排出气体混合室；将整个气体混合以及气体的使用在一个密闭空间中进行，将该浓度的二氧化碳直接用于微流控细胞培养，提高细胞培养的成功率。

技术领域

本发明涉及微流控细胞培养领域，特别是一种微流控细胞培养用二氧化碳浓度的控制方法和装置，能生成可用于微流控细胞培养实验的二氧化碳浓度环境。

背景技术

细胞培养作为医疗、制药、生物研究等领域中的重要技术，无论是什么细胞类型在细胞培养过程中要求都很高，需要模拟形成一个类似细胞在生物体内的生长环境，要求有稳定的温度、稳定的二氧化碳水平、恒定的酸碱度和较高的相对饱和湿度等条件。其中二氧化碳浓度水平的控制是较难的，因为细胞在培养过程中伴随有二氧化碳的产生或消耗，另外在培养过程中存在人为的打开关闭培养箱，这就造成二氧化碳需要一个动态的调节控制以至浓度始终处于一个稳定的水平。

现有的气体浓度控制装置大多是开放式的，即气体的混合是在一个流通的区域内，最后产生的是源源不断的恒浓度气体流。这种方法在产生“即产即用”的场合是适用的，例如产生用于呼吸的氧气、用于恒定浓度燃烧用的气体等。但是像细胞培养这样需要密闭空间的情况就不适用了，不断的气体流失会产生大量的浪费，而且在密闭空间内控制气体的浓度需要同时考虑气体浓度和空间内气压两个指标。在气体连续控制的过程中，随着加入密闭空间中的气体压强越来越大，导致空气或者二氧化碳的充入速度越来越慢。另外，现有装置使用的是阀门和流量计的配合来充入定量的气体，控制过程中存在较大的惯性作用，会导致控制结果中产生较大的超调和稳态误差。

现有的密闭空间二氧化碳浓度控制方法有化学制造法和二氧化碳培养箱中采用的快慢速双重充气法。化学制造法通过控制化学反应物的剂量产生一定量的二氧化碳，从而能达到精确的量的控制；但是这种方法的实现装置复杂，使用起来很不方便。快慢速双重充气法采用快慢两种充气速度结合，使CO2箱内的CO2浓度在开关门之后能快速恢复。在CO2箱工作过程中，由储气瓶对工作室内进行补气，以保持稳定的CO2浓度值；但是该方法使用流量计和阀门组合的方式来实现充气量的控制，由于阀门开关的延时问题导致控制精度不高，另外增加了装置的成本。

发明内容

本发明的目的是针对现有细胞培养用二氧化碳浓度控制技术存在的问题，提出一种微流控细胞培养用二氧化碳浓度控制方法与装置，在密闭空间内产生特定浓度的二氧化碳，在同一装置内实现气体的产生与使用，准确、快速、低成本地控制二氧化碳浓度。

本发明微流控细胞培养用二氧化碳浓度控制装置采用如下技术方案：包括细胞培养室，纯二氧化碳储气瓶经减压阀、第一阀门连通气体混合室，第一活塞连接第一阀门且控制纯二氧化碳储气瓶中的气体经第一阀门单向流入气体混合室；外部空气经第二阀门连通气体混合室，第二活塞连接第二阀门且控制外部和气体混合室之间的气体经第二阀门双向流动；第一活塞和第二活塞的结构相同且由MCU控制系统控制工作；细胞培养室通过循环通气管道和气体混合室联通，循环通气管道上串接排气扇，排气扇经控制线连接MCU控制系统；气体混合室内部装有连接于MCU控制系统的气体压强传感器和二氧化碳传感器；第一活塞或第二活塞的外部都是一个密闭的活塞套筒，内部有活塞上腔和活塞下腔，活塞下腔底部通过活塞出气口连接第一阀门或第二阀门；活塞下腔中从上至下同轴心地设有相连接的永磁铁、连杆和充气活塞头，充气活塞头与活塞下腔的内壁之间密封且滑动连接；活塞上腔内设有电动推杆，电动推杆输出轴底部同轴固定连接位于永磁铁的正上方的活塞励磁线圈；电动推杆和活塞励磁线圈均与MCU控制系统相接；