一种用于生物样品的解冻控制系统及其控制方法与流程

1.本发明属于生物样品解冻技术领域，具体为一种用于生物样品的解冻控制系统及其控制方法。


背景技术：

2.冷冻保存已成为生物科学领域中常规处理细胞和组织的一项宝贵技术。在很多领域中，如生物样本库、细胞治疗、基于细胞的药物发现、辅助生殖和其他基于细胞的检测，都可以从标准化的细胞解冻中受益，以提高它们的生产力，并帮助它们完成改善人类健康的使命。
3.为了实现快速解冻，生物学家通常将冷冻样品浸入不同温度(从37℃到0℃)的水中，维持数秒到数分钟。迄今为止，快速解冻冻存生物样品的最常见和广为接受的方法是将冻存管类的容器部分浸没在37℃水浴中。然而，使用水浴解冻有明显的缺点。这些缺点包括：(1)水通过毛细作用进入管盖螺纹并被密封在维护不善的水浴中，从而使得容器内的物质被污染的可能性极高，(2)无法将水浴用作无菌过程的一部分，(3)不同的用户在确定解冻时间、最终温度和终点方面的存在很大的主观差异，以及(4)在gmp或临床环境中使用水浴的限制。
4.其中，至关重要的一个缺点是人为解冻存在过多的主观判断，无法精确控制解冻过程。且随着生物产业的发展，技术人员对自动化、可控化的要求越来越高，因此，发明一种生物样品的解冻控制系统及其控制方法对生物产业的发展具有重要的意义。


技术实现要素：

5.针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种用于生物样品的解冻控制系统及其控制方法，有效的解决了背景技术中的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于生物样品的解冻控制系统，包括上位工控机、下位机、热敏电阻、电动模块、ir温度传感器、通信模块、加热棒，所述热敏电阻用于采集金属块温度，所述加热棒用于加热，所述电动模式具有自动调节模式，所述ir温度传感器用于测量样品温度，上位工控机安装有组态软件，上位工控机通过rs485与下位机连接；下位机与热敏电阻、ir温度传感器、电动模块、加热棒连接，下位机采集热敏电阻、ir温度传感器的数据和电动模块、加热棒的工作状态并传送给上位机，上位机根据热敏电阻、ir温度传感器的数据和电动模块、加热棒的工作状态以及组态软件进行综合处理，发送指令给下位机，通过下位机对加热棒和电动模块进行控制。
7.为实现上述目的，本发明还提供如下技术方案：一种用于生物样品的解冻控制方法，包括以下步骤，系统参数初始化并采集初始数据，启动加热棒进入加热/停止加热模式，启动电动模块进入自动调节模式，启动ir红外传感器进入样品温度测量模式，通过热敏电阻检测金属块温度，启动加热棒执行加热控制程序。
8.优选的，所述控制程序包括以下步骤：参数初始化，采集热敏电阻参数并转换成实
时温度，根据工艺设定温度与实时温度差值确定值，值大于死区执行输出步骤，值不大于死区或者值输出步骤完成延时至下一个阶段；
9.同时采集电动模块的状态，将电动模块调整为开合状态；
10.初始化阶段结束后，程序进入下一控制过程，该过程包括以下步骤：将生物样品置于金属块中的样品槽中，ir温度传感器实时采集样品温度，并将该数据传达给下位机，下位机控制加热棒对金属块进行加热，加热过程中的样品温度通过ir温度传感器实时检测，并且下位机将该数据通过rs485通信接口将实时传给上位机，当温度达到程序设定的温度时，程序控制电动模块使金属块脱离生物样品，然后进入下一个周期。
11.优选的，所述加热棒的控制过程包括以下步骤：初始化阶段，采集热敏电阻参数并转换成实时温度，上传至下位机，下位机根据程序设定控制加热棒进行加热，加热至设定的初始温度时停止加热；样品解冻阶段，加热棒根据下位机的指令执行加热/停止加热命令，直至下一周期。
12.优选的，所述电动模块的控制过程包括以下步骤：初始化阶段，电动模块根据下位机程序进入开合状态；生物样品解冻阶段，上位机将操作指令传至下位机，下位机控制电动模块进入闭合状态，直至解冻过程完成，电动模块回复至开合状态，进入下一周期。
13.优选的，初始化阶段，所述加热棒的加热程序由下位机内置函数确定，将与加热棒相连的金属块加热至设定温度。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
15.通过优化的控制策略，实现了对生物样品加热过程的精准控制和实时检测，完全避免了水浴方法带来的弊端，而且实现了生物样品解冻的标准化，更可将该控制策略经sop化进入gmp和临床应用，切实解决现有技术的痛点和难点问题，对生物产业的发展具有重要意义；且在本发明实施的过程中尤其适用于干式无水生物样品与适用于温度敏感型生物样品的解冻。
附图说明
16.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
17.图1为本发明的系统结构示意图；
18.图2为本发明的电动模块和ir温度传感器工作流程图；
19.图3为本发明的热敏电阻和加热棒控制流程图。
20.图中：1，上位机；2，下位机；3，热敏电阻；4，加热棒；5，电动模块；6，ir温度传感器；7，金属块；8，样品。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.由图1-3给出，本发明公开了一种用于生物样品的解冻控制系统，上位工控机、下
位机、热敏电阻、电动模块、ir温度传感器、通信模块、加热棒，所述热敏电阻用于采集金属块温度，所述加热棒用于加热，所述电动模式具有自动调节模式，所述ir温度传感器用于测量样品温度，上位工控机安装有组态软件，上位工控机通过rs485与下位机连接；下位机与热敏电阻、ir温度传感器、电动模块、加热棒连接，下位机采集热敏电阻、ir温度传感器的数据和电动模块、加热棒的工作状态并传送给上位机，上位机根据热敏电阻、ir温度传感器的数据和电动模块、加热棒的工作状态以及组态软件进行综合处理，发送指令给下位机，通过下位机对加热棒和电动模块进行控制。
23.一种用于生物样品的解冻控制方法，包括以下步骤，系统参数初始化并采集初始数据，启动加热棒进入加热/停止加热模式，启动电动模块进入自动调节模式，启动ir红外传感器进入样品温度测量模式，通过热敏电阻检测金属块温度，启动加热棒执行加热控制程序。
24.所述控制程序包括以下步骤：参数初始化，采集热敏电阻参数并转换成实时温度，根据工艺设定温度与实时温度差值确定值，值大于死区执行输出步骤，值不大于死区或者值输出步骤完成延时至下一个阶段；
25.同时采集电动模块的状态，将电动模块调整为开合状态；
26.初始化阶段结束后，程序进入下一控制过程，该过程包括以下步骤：将生物样品置于金属块中的样品槽中，ir温度传感器实时采集样品温度，并将该数据传达给下位机，下位机控制加热棒对金属块进行加热，加热过程中的样品温度通过ir温度传感器实时检测，并且下位机将该数据通过rs485通信接口将实时传给上位机，当温度达到程序设定的温度时，程序控制电动模块使金属块脱离生物样品，然后进入下一个周期。
27.所述加热棒的控制过程包括以下步骤：初始化阶段，采集热敏电阻参数并转换成实时温度，上传至下位机，下位机根据程序设定控制加热棒进行加热，加热至设定的初始温度时停止加热；样品解冻阶段，加热棒根据下位机的指令执行加热/停止加热命令，直至下一周期。
28.所述电动模块的控制过程包括以下步骤：初始化阶段，电动模块根据下位机程序进入开合状态；生物样品解冻阶段，上位机将操作指令传至下位机，下位机控制电动模块进入闭合状态，直至解冻过程完成，电动模块回复至开合状态，进入下一周期。
29.初始化阶段，所述加热棒的加热程序由下位机内置函数确定，将与加热棒相连的金属块加热至预设温度。
30.系统包括已安装组态软件的上位工控机1通过rs485与下位机2相连接，下位机2通过热敏电阻3采集金属块7的温度，反馈给下位机2，下位机2热敏电阻3的参数运行程序发出指令启动或停止加热棒4的工作；同时，下位机2将指令传给电电动模块5，通过电动模块5控制金属块7的开合或关闭；在金属块7中放入生物样品8后，上位机1将指令通过下位机2传给电动模块5和ir温度传感器6，电动模块5控制金属块7关闭,ir温度传感器6实时检测样品8的温度，并将温度参数通过下位机2经rs485传输给上位机1，上位机控制程序实时显示样品8的温度曲线，当样品8的温度达到程序预设的温度值后，上位机1将指令通过下位机2传给电动模块5和ir温度传感器6，电动模块5控制金属块7开合，ir温度传感器6停止记录数据；此过程中，热敏电阻3和加热棒4接受下位机2的指令，按照程序一直工作，直至进入下一周期。
31.上位工控机1对系统进行全面监控，在运行的组态软件中实时显示，包括时间、温度、电动模块状态等，并且在组态软件中进行实时记录样品解冻曲线，并对样品编号进行记录，以便于后期的查询分析。
32.下位机通过rs485与上位机连接，同时下位机与热敏电阻、电动模块、ir温度传感器、加热棒均连接。
33.热敏电阻为ntc型电阻。
34.电动模块通过直流无刷电机驱动。
35.ir温度传感器为adc型红外传感器。
36.加热棒为电阻型加热棒。
37.本发明运行中，下位机通过热敏电阻检测的温度来调节加热棒的工作与否，通过上位机的指令来控制电动模块所处的工位。根据工艺要求，ir红外传感器实时采集被解冻生物样品的温度信号，并通过下位机上传至上位机，从而实时判断样品的解冻情况，达到精准控制解冻进程的目的。
38.程序包括样品解冻曲线控制程序、热敏电阻加热控制程序、电动模块控制程序。所述程序即步骤或者按规定顺序执行的步骤的组合。
39.本发明所述金属块设置有2个热敏电阻和2根加热棒。
40.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案还包括控制方法，包括以下步骤：系统参数初始化并通过热敏电阻采集金属块数据，启动加热棒，启动加热棒控制程序，启动电动模块控制程序，启动样品解冻曲线控制程序。
41.加热棒的控制过程包括以下步骤：初始化阶段，采集热敏电阻参数并转换成实时温度，上传至下位机，下位机根据程序设定控制加热棒进行加热，加热至设定的初始温度时停止加热；样品解冻阶段，加热棒根据下位机的指令执行加热/停止加热命令，直至下一周期。
42.电动模块的控制过程包括以下步骤：初始化阶段，电动模块根据下位机程序进入开合状态；生物样品解冻阶段，上位机将操作指令传至下位机，下位机控制电动模块进入闭合状态，直至解冻过程完成，电动模块回复至开合状态，进入下一周期。
43.初始化阶段，加热棒的加热程序由下位机内置函数确定，将与加热棒相连的金属块加热至预设温度；所述电动模块处于开合状态。
44.本发明的初始化阶段所用时间设定为180-300s，单个样品解冻周期根据上位机程序设定，约为150-180s.
45.本发明所述电动模块的输出力为5-30n。
46.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
47.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换
和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。