半自動微生物培養基保溫分裝裝置研究

王皓宇， 王　斌， 劉運波， 李東睿， 蔡　塵， 汪　紅， 王　甜

(四川大學 生命科學學院, 四川 成都　610065)

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半自動微生物培養基保溫分裝裝置研究

王皓宇， 王斌， 劉運波， 李東睿， 蔡塵， 汪紅， 王甜

(四川大學 生命科學學院, 四川 成都610065)

開發了一種半自動微生物培養基保溫分裝裝置,該裝置通過控制原創的非接觸高速電磁閥門的定時開合來控制液體近似定量的流出,實現培養基的無菌半自動分裝。該裝置設計有溫控系統來防止固體培養基分裝前的凝固。該裝置結構簡單、效率高、安全可靠,降低了微生物實驗操作中污染的可能性，并減小了誤差,為微生物實驗的開展帶來了很大便利。

微生物； 分裝裝置； 培養基； 電磁閥門

科學家對微生物的研究奠定了生物科學的重要基石[1]。微生物培養基是微生物研究過程中最為基礎的實驗材料,微生物的分離、培養、研究及保藏都需要培養基的支持。為了方便操作及研究,往往會在培養基中加入瓊脂以便使其成為固體。瓊脂的最低凝固點為40℃,最高熔點為90℃,配制培養基時需要加熱至較高的溫度使液體沸騰才能使瓊脂熔化并與培養基成為均一的液體,更多的時候需要達到121℃以實現滅菌。然后根據需求,趁熱將熔融的培養基分裝到試管或培養皿中等其凝固后使用[2]。

在微生物實驗教學中,需要往試管中分裝培養基,在分裝過程中,可能面臨裝置翻倒、燙傷,或培養基凝固等問題,而且培養基的分裝體積可能會出現較大誤差，培養基也可能被污染而影響后續實驗。本文在考察已有的微生物培養基分裝裝置及大量有潛力實現培養基分裝的裝置[3-12]后發現,這些裝置針對的是大規模生產的需要，或用于分裝性質與微生物培養基有很大差別的液體,雖然可以勉強用于微生物培養基,但很難避免上述風險。因此,本文研制了一種半自動的微生物培養基的分裝裝置。該裝置結構可靠、易于清理,有效減少了實驗風險,降低了實驗難度,更能滿足微生物培養基分裝時的多樣化要求,同時很大程度上消除了人工操作帶來的誤差,特別是能實現培養基的無菌分裝，使得實驗能夠更加高效、順利地進行。

1　總體設計思路

為了便于控制和定量分裝,需要快速、高頻開合的電磁閥門;為達到無菌要求,該閥門不可與流體直接接觸。為了實現平均分裝體積,使用電子器件精準控制閥門的開合時間。為了保證通用性,本裝置可直接固定于鐵架臺上。本裝置需附有溫控構件,能夠將培養基的溫度維持在50 ℃左右以防凝固。

2　硬件設計

2.1電磁閥門結構設計

該分裝裝置的核心是電磁閥門。熔融的培養基溫度在50 ℃左右,溫度低于40 ℃時加有瓊脂的培養基將會凝固。實驗中需要連續多次分裝,每次僅數毫升至數十毫升。經調研,目前使用的培養基分裝微型電磁閥門滿足不了本實驗的要求。因此,本文設計了一種原創的電磁閥門。用止水夾控制乳膠管的開閉是常用的培養基分裝方法,雖然該結構操作較為麻煩,但不與流體直接接觸且易于清潔。

研制的電磁閥門的結構示意圖見圖1。閥門主體結構為一長方形鋁框[13],框內安裝一個推拉式電磁鐵和一個端部為三角形的壓頭,壓頭的一端與可動鐵芯連接,另一端與2根貫通鋁框的導向軸相連,乳膠管位于鋁框與壓頭之間(見圖2)；導向軸上安裝復位彈簧,通過調整螺母的位置可調整復位彈簧彈力。推拉式電磁鐵斷電時,在復位彈簧彈力的作用下,壓頭緊壓乳膠管,閥門關閉；通電時,可動鐵芯向推拉式電磁鐵移動,壓頭后退,松開乳膠管,閥門開啟。本閥門的響應速度很快,且可以連續多次通、斷電。乳膠管的內徑為8 mm,液體流出迅速,實驗操作可以較快地進行。本閥門的側面裝有通用鐵架臺固定件,可固定于絕大多數型號的鐵架臺上。

圖1　電磁閥門結構示意圖

圖2　電磁閥門通電時結構示意圖

2.2電磁閥門電控系統設計

為了較平均地控制培養基的流出量,需要設計一套電控系統。根據每次僅需數毫升至數十毫升培養基的要求,通過電控系統將閥門的啟閉時間設置在0～10 s間,分度值為0.1 s,能達到平均分裝的目的。該電控系統的工作流程:(1)設置閥門開啟時間；(2)開啟閥門,培養基開始流出,到達預設時間后自動關閉；(3)重復(2)流程,實現連續操作。圖3為電磁閥門斷電時結構示意圖，通電時的結構示意圖見圖2。

圖3　電磁閥門斷電時結構示意圖

該系統基于單片機開發,本裝置還設有手動模式,通過觸發一個微動開關實現人工控制閥門的開閉,可滿足一些特殊情況的要求。

2.3溫度控制系統設計

培養基需要維持在50 ℃左右以防凝固，故本裝置附有溫度控制系統(工作流程見圖4),溫控元件為商業化產品,附有不銹鋼防水溫度探頭以及電磁繼電器。考慮到通用性及清潔問題,繼續沿用玻璃漏斗來盛裝培養基。使用一個與玻璃漏斗傾角相同但外徑比玻璃漏斗稍大的塑料漏斗,其內部敷設加熱膜,將玻璃漏斗置于塑料漏斗中。將加熱膜連接在電磁繼電器上,并將溫度探頭置于培養基中,靠電磁繼電器通斷來維持培養基的熔融溫度，防止培養基凝固。

圖4　溫度控制系統工作流程

2.4電源系統設計

推拉式電磁鐵的工作電流為8 A,加熱膜工作電流為2 A。本裝置選用商業化15 A直流電源來提供電力。裝置中所有元件的工作電壓均為直流12 V電壓。電路總體結構框圖見圖5。

圖5　電路總體結構框圖

3　實驗操作

3.1分裝效果

驗證效果時使用內徑為8 mm乳膠管,流量較大。對于試管,僅用0.2 s即可充入4 mL左右培養基；1 s即可填充直徑為9 cm左右的培養皿,工作效率很高。若希望達到更高的精度,則可以通過限制壓頭的行程來控制乳膠管的開度,或在膠管前端加裝1 mL移液槍槍頭來限制流量。圖6為微生物培養基分裝裝置實物照片。

圖6　微生物培養基分裝裝置實物照片

3.2無菌操作

本裝置的閥門部分與培養基沒有直接接觸。為了實現培養基的無菌分裝，只需將帶有軟管的漏斗滅菌，把裝置其余部分置于超凈臺中并通過紫外線消毒，最后在超凈臺中將漏斗放入錐形外殼并把軟管穿過閥門即可。將滅菌后的培養基倒入漏斗中，便可開始無菌分裝工作。無菌分裝特別適合于培養皿，操作人員可以規避被燙傷的風險，分裝得到培養皿中的培養基厚度均一，分裝效率高，不易被污染，該裝置特別適用于微生物實驗。

4　結語

該手動操作和自動操作兩用微生物培養基保溫分裝裝置可實現微生物實驗中固液培養基的準確分裝,溫度控制系統能防止固體培養基凝固,大大提高了實驗安全性及實驗效率,有效降低了實驗誤差。該分裝裝置原理簡單,結構可靠,成本相對低廉,易于操作,也可用于其他需定量控溫液體的分裝,在微生物學實驗教學中,均有良好的使用效果。該裝置在液體的少量快速連續分裝方面亦有一定的拓展空間及應用價值。

References)

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[13] 成大先.機械設計手冊 第一卷[M].北京:化學工業出版社,2006:3-189.

Research and development on a semi-automatic device used for dispense microbial culture medium

Wang Haoyu, Wang Bin, Liu Yunbo, Li Dongrui, Cai Chen, Wang Hong, Wang Tian

(College of Life Sciences, Sichuan University,Chengdu 610065,China)

This paper develops a semi-automatic device to dispense microbial culture medium. The device achieves semi-automatic dispensing by using the original non-contact, high-speed,timed opening electromagnetic valve regulating the approximate quantitative effluent liquid. Meanwhile,the device has the temperature control system to guarantee a molten state of the solid medium. The device structure is simple, safe, efficient and reliable. Reducing the probability of the pollution and error range during the experiment,it has brought great convenience for the development of microbiology experiments.

micobe; dispense; culture medium; electromagnetic valve

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.025

2016-04-25

國家自然基金委四川大學生物學基地人才培養支撐條件(J1210013)；四川大學“大學生創新訓練計劃”項目(201510610186)；國家專利“手自兩用型微生物培養基保溫分裝裝置”(CN105670906A)

王皓宇(1995—)，男，新疆克拉瑪依，本科生

王甜(1981—)，女(布依族)，貴州興義，碩士，實驗師，研究方向為生物學實驗教學.E-mail：wangtian0311@scu.edu.cn

Q93-33

A

1002-4956(2016)10-0099-03