PDF《膜片钳吉欧封接的电极内微压力控制系统》

32 No.

10 2004 年10 月J.Huazhong Univ. of Sci. &

Tech. (Nature Science Edition) Oct.

2004 ? 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 胰腺β细胞的封接 ,结果显示其吉欧封接过程方 便、 快捷 ,并取得良好的效果.

1 系统设计 a. 气动系统压力相关参数计算. 电极内气压 控制原理如图1所示. 假设蠕动泵端输入的气体 图1气压控制原理图 压力为 p1 ,气动传感元件(传感器) 处的气体压力 为p2 ,已知管道的长度 L ,软管的内半径 r. 压缩 气体在气动系统中流动速度较低 (通常在

30 m/ s 以内) ,压力和温度变化较小 ,因而气体的密度可 近似看成常数[3 ,4 ] . 对于某个管道系统 ,当压缩空 气通过某管道两个不同截面 Ⅰ 和Ⅱ时,考虑到气 体的粘性影响 ,其能量损失若用压力损失Σ Δp 表示,则按能量方程式 (或称伯努利方程式) [4 ] 可以 写成 p1 +ρu

2 1/

2 = p2 +ρ u

2 2/

2 +Σ Δp , (1) 式中 , u1 和u2 为管道两不同截面 Ⅰ和 Ⅱ上空气 平均流速;

p1 和p2 为管道两不同截面 Ⅰ 和Ⅱ上空气静压力;

ρ为空气密度;

ρ u

2 1/

2 和ρ u

2 2/

2 为管 道两不同截面 Ⅰ 和Ⅱ上空气动压力. 根据体积流 量公式 Q = uA , (2) 得流速 u = Q/ A = Q/ (πr2 ) , (3) 式中 , A 为管道截面积. 把式(3) 代入式(1) 有p1 + ρ Q1

2 2π

2 r

4 1 = p2 + ρ Q

2 2 2π

2 r

4 2 +Σ Δp. (4) 根据式(2) ~ (4) ,在闭环状态下气路达到稳 定状态时 ,算出电极内的压差. b. PI 控制器. 调节器采用比例积分 PI 控制 器 ,比例积分调节作用能消除静差并能起滞后调 节作用[5 ] . 这是因它的输出不仅与偏差的大小有 关 ,而且与偏差存在的时间有关. 在气路控制过程 中 ,气体的流通有一定的延时 ,因此 ,采用比例积 分控制器调节. 本系统中 ,设定值为 V

0 ,传感器输出并经差 动放大信号后为测量值 V

1 ,偏差ΔV = V

0 - V

1 , ΔV 作为 PI 控制器输入信号. 在控制过程中 ,当ΔV >

0 时,为正偏差 , 输出反向调节 , 蠕动泵加 压;

ΔV <

0 时,为负偏差 , 输出正向调节 , 蠕动泵 减压;

当ΔV =

0 时 ,输出为零 ,蠕动泵停止转动. c. 系统方框图和电路设计. 图2为系统框 图 ,其工作原理如下 :通过输入设定值 ,在控制过 程中 ,压力传感器检测出的电极内气体压力值并 将其转变成电压信号[6 ] , 经过差动放大后 , 得到 测量值 c ;

测量值和设定值 r 的差 , 作为 PI 控制 器的输入信号 ,用控制系统输出信号来控制气动 执行机构(蠕动泵) ,调节气体的输入输出量 ,当系 统达到平衡时 ,偏差为零 ,电极内气体压力值达到 设定要求. 图2系统方框图 根据压力控制系统动态特性模型 ,可设计出 相应的传感器输出差动放大、 设定值、 比例放大、 积分以及蠕动泵电机驱动等电路.

2 应用实例 Dispase Ⅱ为Roche 公司产品 , 胎牛血清、 BSA 为Gibco 产品 ,其他试剂均为 Sigma 产品. 标准KRBB ( Krebs Ringer Bicarbonate Buffer) 生理 溶液、 标准细胞外液、 电极内液、 细胞培养液为添 加有

10 %(体积比) 灭活胎牛血清的 DMEM 培养 液 (低糖型) . 大鼠胰腺β细胞的原代培养方法见 文献[7 ]. 仪器采 用PP2830 电极拉制仪(Nari........