一种基于LED阵列的离体细胞光动力作用效果比照仪

摘要

本发明涉及一种基于LED阵列的离体细胞光动力作用效果比照仪，属生物医学类仪器。该比照仪由箱体、LED阵列光源灯板组、光衰减片阵列托板组、细胞培养板固定槽、细胞培养板和电路部分构成，其中箱体左右内侧面上设有凹槽；LED阵列光源灯板组由多个LED阵列灯板组成；光衰减片阵列托板组由多个托板组成，每个托板上设置有光衰减片片托；细胞培养板位于光衰减片阵列托板正下方，细胞培养板下方设置有定位的突起固定框，细胞培养板上还设置有空心圆柱状凹型基孔；所述的电路部分设置于比照仪箱体底座的电路盒内，设置有温度控制仪、通电定时装置和工作开关。本发明可增大光照面积，简化操作程序，降低光源成本，可应用于离体细胞光动力作用效果研究。

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种基于LED阵列的离体细胞光动力作用效果比照仪，具体说涉及一种可用于光动力疗法(Photodynamic Therapy，PDT)中，利用LED阵列光源对离体活细胞照射进行光动力作用效果比照的仪器，属生物医学类仪器。

技术背景

PDT是一种联合利用光、光敏剂和氧分子，通过光动力反应选择性地治疗肿瘤，以及年龄相关性黄斑变性和鲜红斑痣等良性疾病的新疗法。长期以来，光源作为开展细胞PDT实验研究的一个重要组成部分，通常采用的是输出不同波长的激光器。以六孔的细胞培养板为例，六孔板的尺寸为123×83mm²，在离体细胞实验研究中，通常的做法是采用激光扩束系统对激光进行准直扩束，以保证所有细胞都能接受到均匀激光的辐照。由于受到激光扩束面积的限制，扩束光斑根本无法覆盖123×83mm²的照射面积。如果要对细胞培养板上六个孔的细胞进行实验对照研究时，则必须对激光器输出的细小光束进行准直扩束，之后对单孔进行逐一照射。同时，激光扩束需要设计专门的光学系统，使用时还存在光路调整等操作步骤。这不仅给实验带来诸多不便，而且在进行对照实验研究时，难以保证各个孔中的细胞在接受激光辐照时具有完全相同的生长环境。

随着LED生产制造技术的不断成熟，LED作为照射光源的优势不断凸显。LED具有寿命长、稳定性高、亮度高和发光波长覆盖范围广灯优点，同时价格低廉。因此，利用LED光源替代传统光源，不仅能够保证光照质量，而且还能极大地降低照射成本，从而有效地提高了其应用于照射或照明等领域的性价比。

发明内容

针对传统的离体细胞光动力效果研究，用激光作为照射光源有扩束面积受限、操作不便等不足，本发明的目的就是提供一种以LED阵列作为光源，设计出用于离体细胞光动力作用效果比照的仪器。通过该比照仪可有效地增大光照面积，大大简化操作程序，降低了光源成本。

为实现本发明的目的采用的技术方案是：离体细胞光动力作用效果比照仪主要由箱体、LED阵列光源灯板组、光衰减片阵列托板组、细胞培养板固定槽、细胞培养板和电路部分构成。箱体为一内外双层壁的空心立方体结构，正侧面设有一扇单边开的门；箱体左右内侧面上设有两对平行左右等高的凹槽；箱体的背板内侧面与第一对凹槽中线等高处设有一个电源插座；箱体的底座设有电路盒。

LED阵列光源灯板组由多个大小相等、LED发光波长不同但照度均匀的矩形板状结构的LED阵列灯板组成，每个LED阵列灯板上安装有固定波长、发光面朝下、分布均匀的LED阵列，LED阵列灯板的左右两侧边正好嵌入第一对凹槽中，同时LED阵列灯板的后侧边设有一个电源插头，当LED阵列灯板嵌入第一对凹槽中时，电源插头也正好插入设置在箱体的背板内侧面电源插座上，以保证插座上的电源对LED阵列灯板上的LED供电。

光衰减片阵列托板组由多个托板组成，每个托板上设置有大小相等、分布均匀的光衰减片片托，片托为上下两个空心同心圆构成，上空心圆的直径稍大于光衰减片直径，下空心圆直径小于光衰减片直径；托板依据片托的数量分为6孔板、12孔板、24孔板、48孔板、96孔板和384孔板；托板左右两侧边正好嵌入第二对凹槽中。在开展细胞PDT光剂量对照实验研究时可根据光强的需要，在片托上放置不同的光衰减片，以改变细胞培养板上不同基孔细胞所接收的光照功率密度。

细胞培养板位于光衰减片阵列托板正下方。细胞培养板对应的下方设置有平面方向的用于细胞培养板定位的突起固定框，细胞培养板底面正好嵌合其中。通过直接将细胞培养板放入细胞培养板固定框，就可以实现细胞培养板的更换与定位。

细胞培养板上设置有大小相等、分布均匀的空心圆柱状凹型基孔。细胞培养板按基孔的数量分为6孔板、12孔板、24孔板、48孔板、96孔板和384孔板。依照孔数对应的原则，使用时细胞培养板的6孔板与光衰减片阵列托板的6孔板对应配套使用，以此类推，进而保证每个片托的中心位置与细胞培养板的每个基孔的中心位置呈上下中轴对应。

设置于比照仪箱体底座的电路盒内，设置有温度控制仪、通电定时装置和工作开关。比照仪用于离体细胞培养时，通过温度控制仪可使细胞培养室内温度恒定于37℃，以利于细胞培养。通电定时装置为一定时装置，根据实验要求，照射时间可以在1分钟至600分钟之间进行调整。外接电源进入比照仪后，以并联的方式，通过导线分别与设置在箱体的背板内侧面电源插座、温度控制仪、通电定时装置和工作开关相连。

本发明的有益效果是，用LED阵列光源代替了激光器作为开展细胞PDT实验研究的光源，有效地扩展了光照面积，将整个实验系统集成化，大大降低了照射光源的成本和离体细胞PDT实验操作的繁琐程度，并提高对照实验的准确度。

附图说明

以下将结合附图对发明作进一步的详细描述。

图1是本发明未加入灯板、光衰减片放置板和细胞培养板时的箱体立体结构示意图。

图2是本发明所述的比照仪正视图。

图3是LED阵列光源灯板光源面的LED分布示意图。

图4是LED阵列光源灯板电路面的电路分布图。

图5是在未加光衰减片时光衰减片阵列托板纵向截面剖视图。

图6是细胞培养板与用于细胞培养板定位的突起固定框纵向截面剖视图。

图7是LED阵列光源灯板与箱体插槽及电源插口对接图。

图8是本发明完整的电路系统连接示意图。

图9是在未加光衰减片时到达细胞培养板的光强分布。

图10是在放置10％、20％、30％、40％和50％五个光衰减片时到达细胞培养板的光强分布。

图1中，1为比照仪箱体门，其上设有玻璃观察窗，2为光衰减片阵列托板插槽，3为LED阵列光源灯板插槽，4为LED阵列光源灯板电源插口，5为箱体，6为箱体玻璃观察窗，7为定时器液晶显示面板，8为定时器控制按钮，9为温度控制器液晶显示面板，10为细胞培养板固定槽，11为温度控制器控制按钮，12为总电源开关。

图2中，1为比照仪箱体门，其上设有玻璃观察窗，2为光衰减片阵列托板插槽，3为LED阵列光源灯板插槽，5为箱体，6为箱体玻璃观察窗，7为定时器液晶显示面板，8为定时器控制按钮，9为温度控制器液晶显示面板，10为细胞培养板固定槽，11为温度控制器控制按钮，12为总电源开关，13为LED阵列光源灯板，15为光衰减片放置板，16为细胞培养板。

图3中，13为LED阵列光源灯板，14为LED灯。

图4中，13为LED阵列光源灯板电源插头。，17为LED灯电连接电路，18为LED阵列光源灯板

图5中，13为LED阵列光源灯板，19为光衰减片阵列托板上设置的大小相等、分布均匀的光衰减片片托。

图6中，10为细胞培养板固定槽，16为细胞培养板。

图7中，3为LED阵列光源灯板插槽，4为LED阵列光源灯板电源插口，13为LED阵列光源灯板，18为LED阵列光源灯板电源插头。

图8中，4为LED阵列光源灯板电源插口，12为总电源开关，20为温度控制器，21为电线，22为总电源插头，23为定时器。

图9中，左图的纵坐标表示纵向位置坐标，横坐标表示横向位置坐标，图中中部深色部分表示光强度值，不同的灰度代表不同的光强度。右图是针对左图中十字交叉线沿水平及垂直方向的光强分布。

图10中，左图的纵坐标表示纵向位置坐标，横坐标表示横向位置坐标，图中中部深色部分表示光强度值，不同的灰度代表不同的光强度。右图是针对左图中十字交叉线沿水平及垂直方向的光强分布。

具体实施方式

实施例1

按照图1～图8部分的所述，构造基于LED阵列的离体细胞光动力作用效果比照仪，其中：箱体〔5〕的长、宽、高分别为300mm、220mm、550mm；定时器〔23〕采用科德TW-L12电子式定时器；温度控制器〔20〕采用WK-8000型多功能温度控制器，温度可控范围为-50℃到150℃；细胞培养板〔16〕采用基孔的数量为24(4×6分布)的细胞培养板〔16〕，放置于细胞培养板〔16〕中基孔内的细胞为鼻咽癌细胞C666-1，细胞经与光敏剂(福大赛因)共孵育3小时后开展PDT作用效果比照实验研究；光衰减片阵列托板〔15〕采用片托〔19〕数量为24孔板，配以透过率分别为10％、20％、30％和40％的4组每组各6片的光衰减片；选取与福大赛因最佳吸收波长相匹配的主峰波长为660nm的LED阵列光源灯板〔13〕，LED阵列光源灯板〔13〕一面在115.83×77.22mm²的范围内，均匀分布70个主峰波长为660nm的LED灯〔14〕，LED灯〔14〕之间的相互距离为12.87mm，在LED阵列光源灯板〔13〕的另一面，是将LED灯〔14〕连接在一起的电连接电路〔17〕，电连接电路〔17〕主要由LED灯的驱动电路和LED灯串并联的连接电路组成，可以保证每个灯在额定电流350mA下工作，只要将LED灯板电源插头〔18〕插入箱体〔1〕的LED阵列光源灯板〔13〕电源插口〔4〕，就可以为整个灯板的每个LED灯〔14〕进行供电。细胞培养板〔16〕与LED阵列光源灯板发光面垂直距离100mm的位置，可满足细胞培养板〔16〕在该处123×83mm²的面积范围内的光强不均匀度≤±1％，符合PDT研究的光照要求。

将总电源插头〔22〕插上电源，按下总电源开关〔12〕，系统开始供电。从图8我们可以知道，温度控制器〔20〕直接接入总电源线，而LED灯板电源插口〔4〕前端还接有一个定时器〔23〕，假使当前时间是10:00，通过定时器控制按钮〔8〕将定时器〔23〕的通电时间设为10:05，断电时间设为10:35，进行30分钟的光照射。通过温度控制器控制按钮〔11〕将温度控制器〔20〕的温度设定在37℃。关上箱体门〔1〕，我们可以透过箱体玻璃观察窗〔6〕观察温度控制器液晶显示面板〔9〕和定时器液晶显示面板〔7〕的读数。比照仪将会在10:05时候通电使LED阵列光源灯板〔13〕中的LED灯〔14〕发光，LED灯〔14〕开始对细胞液进行照射，10:35时自动断电，LED阵列光源灯板〔13〕中的LED灯〔14〕停止发光，实验结束。我们可以打开箱体门〔1〕，拔出光衰减片放置板〔15〕后，就可以取出细胞培养板〔16〕，用显微镜分别观察24个孔中细胞在不同光照条件下的存活情况，从而进行PDT作用效果的定量比较。

实施例2

定时器〔23〕、温度控制器〔20〕采用实施例1的产品；细胞培养板〔16〕采用基孔的数量为6(2×3分布)的细胞培养板〔16〕，放置于细胞培养板〔16〕中基孔内的细胞为鼻咽癌细胞CNE1，细胞经与光敏剂(喜泊分)共孵育24小时后开展PDT作用效果比照实验研究；光衰减片阵列托板〔15〕采用片托〔19〕数量为6孔板，配以透过率分别为10％、20％、30％、40％和50％的光衰减片；选取与喜泊分最佳吸收波长相匹配的主峰波长为627nm的LED阵列光源灯板〔13〕，LED阵列光源灯板〔13〕一面在117×91mm²的范围内，均匀分布63个主峰波长为627nm的LED灯〔14〕，LED灯〔14〕之间的相互距离为13mm，在LED阵列光源灯板〔13〕的另一面，是将LED灯〔14〕连接在一起的电连接电路〔17〕，电连接电路〔17〕主要由LED灯的驱动电路和LED灯串并联的连接电路组成，可以保证每个灯在额定电流350mA下工作，只要将LED灯板电源插头〔18〕插入箱体〔1〕的LED阵列光源灯板〔13〕电源插口〔4〕，就可以为整个灯板的每个LED灯〔14〕进行供电。细胞培养板〔16〕与LED阵列光源灯板发光面垂直距离100mm的位置，可满足细胞培养板〔16〕在该处123×83mm²的面积范围内的光强不均匀度≤±1％，符合PDT研究的光照要求。

操作过程同实施例1。

实施例3

定时器〔23〕、温度控制器〔20〕采用实施例1的产品；细胞培养板〔16〕采用基孔的数量为96的细胞培养板〔16〕，放置于细胞培养板〔16〕中基孔内的细胞为白血病细胞HL60，细胞经与光敏剂(玫瑰红)共孵育4小时后开展光动力作用效果比照实验研究；光衰减片阵列托板〔15〕采用片托〔19〕数量为96(6×16分布)孔板，配以透过率分别为10％、20％、30％、40％和50％的6组每组各16片的光衰减片；选取与玫瑰红最佳吸收波长相匹配的主峰波长为530nm的LED阵列光源灯板〔13〕，LED阵列光源灯板〔13〕一面在120×80mm²的范围内，均匀分布96个主峰波长为530nm的LED灯〔14〕，LED灯〔14〕之间的相互距离为10mm，在LED阵列光源灯板〔13〕的另一面，是将LED灯〔14〕连接在一起的电连接电路〔17〕，电连接电路〔17〕主要由LED灯的驱动电路和LED灯串并联的连接电路组成，可以保证每个灯在额定电流350mA下工作，只要将LED灯板电源插头〔18〕插入箱体〔1〕的LED阵列光源灯板〔13〕电源插口〔4〕，就可以为整个灯板的每个LED灯〔14〕进行供电。细胞培养板〔16〕与LED阵列光源灯板发光面垂直距离100mm的位置，可满足细胞培养板〔16〕在该处123×83mm²的面积范围内的光强不均匀度≤±1％，符合PDT研究的光照要求。