一种适用于细胞培养环境的模块化LED光源

一种适用于细胞培养环境的模块化led光源
技术领域
1.本发明涉及光医学技术领域，具体为一种适用于细胞培养环境的模块化led光源。


背景技术：

2.近年来，随着激光和led技术的进步，光医学和光遗传学迅猛发展。在光医学领域中，光生物调节疗法(photobiomodulation therapy,pbmt)和光动力疗法(photodynamic therapy,pdt)已成为近年来研究的热点。上述技术的共性需求是找出对特定细胞或细菌有最佳效果的光参数(含光的波长、光能的时空分布、闪烁频率等参数)。这就需要进行大量的离体细胞/细菌培养和不同光参数照射基础研究。
3.为满足光医学和光遗传学离体细胞/细菌实验的需求，近年来出现了一系列用于细胞培养板的可控光源技术。其共性是采用指定波长的激光或led阵列照射特定细胞培养板上的细胞培养孔，并用基于单片机(mcu)的电流/电压控制系统来控制激光或led阵列的出光光强、闪烁频率等光参数。在此基础上，根据实验目的和实验环境的需求采用无线技术、光束整形等技术适应细胞培养环境，提高光源质量。如专利cn202011476070.6提出一种用于光遗传学的细胞表型控制装置。该装置利用聚光孔实现聚光，并通过外壳结构设计使光源准确定位在细胞培养板各个细胞培养孔上。专利cn201621400559.4提出一种用于光损伤离体细胞研究的led板，其特点是采用白光冷光源led以有效避免led发热升温对细胞的影响，并在电路板上镀有2c-uv过滤光膜以模拟视网膜和晶状体对波长小于400nm光的吸收。专利cn201920299312.5提出一种用于细胞培养箱的光源。该光源采用数个独立驱动电路，每个驱动电路连接至少三个相同波长、相同功率密度和相同功率的贴片led光源并从细胞培养板底部进行照射。专利cn202022287774.0提出一种辅助高通量led光照阵列的光遗传装置；其特点是设置了由隔光材料制备的透光通道阵列，并在led和细胞培养板之间设置了滤光片以达到在收窄led光波段的同时避免相邻led对被照射细胞培养孔的光干扰，此外，该光源各路led均可独立控制，以在不同透光通道上实现不同光功率的照光条件。专利cn202220994379.2提出一种全自动光毒性照射仪。其特点是采用激光二极管阵列配合可变焦透镜系统从上方经遮光板对指定细胞培养孔进行照射，细胞培养板置于37℃水浴冷凝系统中以保障实验细胞受热均匀。上述专利的共同问题在于激光二极管和led电路板不可替换，如需更换其他波长、封装和光学性能的激光二极管或led，需要替换整套led/ld光源及其驱动电路，而光医学、光遗传学需要进行大量不同光波长的实验研究，因此采用上述技术必然要为每一种实验所涉及不同光波长制备一套对应的实验系统，从而产生无法适应灵活多变实验设计的缺陷。而为解决该问题，专利cn201010196313.0提出一种光调控细胞培养装置，该装置包括一套蓝光led(波长460nm)阵列和一套黄光led阵列(波长590nm)。两套阵列采用遥控器无线控制单片机控制。该装置设置了可抽取式的阵列银片用于固定植入的led芯片并对芯片进行供电。该装置可用于在培养箱内进行细胞培养和光照实验。阵列银片有不同规格，可用于6孔板、12孔板等不同规格的细胞培养板。然而由于led采用植入的方式和银片连接，存在led芯片位置受银片形变等影响而导致定位误差的问题，同时存在由于
led导热和银片和led接触处可能存在由氧化物导致的接触电阻而导致银片温度过高，影响细胞生存的问题。
4.由上述技术对比可以看出，目前用于细胞培养板的可控光源技术尚未很好解决在同一套光源系统上实现不同光参数激光二极管或led阵列灵活复用问题，从而不能满足光医学和光遗传学对离体细胞实验不同光照条件准确控制的需求。同时，由于激光二极管或led光热特性的限制，这些技术还存在下列影响光照条件精密控制的问题：
5.1、光均匀性问题：激光二极管和led输出光在受照射细胞培养板的分布均为高斯分布，这就造成受照射表面激光二极管和led照射中心光密度高于边缘，同时针对6孔板等较大底面积的细胞培养板，所采用的激光二极管或led阵列将会产生多个光照密集区，这样即使是在单独的细胞培养孔内，也有可能因细胞受不同剂量的光照射而产生实验误差。为解决这个问题，专利cn202220994379.2采用了光学软件特殊设计的可变焦透镜系统以对培养孔实现均匀照射，然而针对不同光参数的实验需求，同样存在需针对不同光参数设计不同的可变透镜系统的问题。而led阵列照射的主要解决方案是采用聚光透镜和隔光材料制备透光通道，其对较大底面积光均匀性控制不佳；
6.2、光能量时域变化和多通道误差问题：激光二极管和led在连续出光过程中，其出光功率会随芯片温度的变化而发生较大波动，例如，从开始出光到与光源周围环境实现热平衡和温度稳定的过程中，出光功率将会不断下降；此外，受激光二极管和led芯片本身的差异、电路寄生现象等因素影响，在相同供电条件下，各通路光学参数将产生极大不同，这种现象使得实际细胞所受光照能量与实验设计能量之间存在偏差，从而影响实验结果和结论的可靠性，造成光参数筛选失败；
7.3、激光二极管和led前向热辐射问题：由于激光二极管和led光电转换效率较低，因此其在发光的同时会持续产生热量。虽然通过采用热传导效应，利用散热器可以解决激光二极管和led本身的热积聚效应，但上述技术均未考虑解决在激光二极管、led和受照射细胞之间的前向热辐射。而这种前向热辐射将提高受照射细胞周围空气的温度，在长时间照射过程中，将通过空气向细胞培养液的热传导效果造成细胞培养液内的热积聚并最终引起细胞死亡，造成实验失败。


技术实现要素：

8.本发明的目的就在于为了解决上述至少一个技术问题而提供一种适用于细胞培养环境的模块化led光源。
9.第一方面，本发明实施例提供了一种适用于细胞培养环境的模块化led光源，包括：led阵列及光电反馈控制系统、嵌入式控制系统和光束整形控温一体化模块；其中，所述led阵列及光电反馈控制系统包括：多个可插拔的led阵列模块、多路恒流源和光电反馈控制系统；所述led阵列模块包括：led灯阵列、内阻补偿电路和恒流源接口；所述led灯阵列为经过led阵列光分布优化方法优化之后的led灯阵列，所述内阻补偿电路为与所述led灯阵列串联的电阻；所述恒流源接口为可插拔接口；所述多路恒流源通过所述恒流源接口与所述led阵列模块连接；所述光电反馈控制系统包括多路采样光电传感器和多路电流控制器；所述采样光电传感器，用于获取所述led阵列模块的出光功率；所述电流控制器，用于基于所述出光功率控制所述多路恒流源的输出电流大小；所述嵌入式控制系统，用于获取所述
led阵列模块的功率密度值；所述光束整形控温一体化模块设置于所述led阵列模块与目标细胞培养板之间，包括led前向导光板，所述led前向导光板为带有通孔阵列的长方体黑色金属板，所述通孔阵列的通孔形状和位置与所述目标细胞培养板上的培养孔对应；所述通孔阵列的通孔内设置光束整形系统；所述led前向导光板的侧面粘接散热装置。
10.进一步地，所述采样光电传感器、所述电流控制器和所述多路恒流源的数量分别与所述led阵列模块的数量相同。
11.进一步地，所述led阵列光分布优化方法包括：测量led灯阵列中的单个led灯在目标距离上的光分布；所述目标距离为所述led灯阵列与所述目标细胞培养板的底面之间的距离；基于所述光分布，拟合所述单个led灯在所述目标距离上的光斑的二维高斯分布函数；基于所述二维高斯分布函数，建立所述led灯阵列的光场叠加数学模型；基于所述光场叠加数学模型，计算在预设光场均匀度参数下所述led灯阵列的分布间距。
12.进一步地，所述led灯阵列中的led灯采用串联连接的方式接入所述多路恒流源；所述led灯阵列的电路基板采用铝基板或铜基板；所述led灯阵列的电路基板还设置散热器，所述散热器粘接于所述电路基板的反面；所述散热器包括制冷片和水冷循环系统。
13.进一步地，所述led阵列及光电反馈控制系统还包括光电检测报警电路；所述光电检测报警电路包括所述多路恒流源对应的电压报警电路和光电采样电路；所述光电采样电路，用于获取所述多路恒流源对应的led阵列模块的驱动电压变化值；所述电压报警电路，用于在所述驱动电压变化值超出预设阈值时发出报警信号。
14.进一步地，每一个所述led阵列模块对应一组细胞培养孔；一组细胞培养孔为所述目标细胞培养板上的一行细胞培养孔或一列细胞培养孔；每一组细胞培养孔包括一个空置培养孔，所述采样光电传感器设置于所述空置培养孔内。
15.进一步地，所述电流控制器包括比例积分微分电流控制器。
16.进一步地，所述led前向导光板的上表面设置细胞培养板卡槽，用于固定所述目标细胞培养板，以使所述目标细胞培养板的培养孔底部和所述通孔阵列的通孔、所述led灯阵列对应。
17.进一步地，所述led前向导光板的上表面叠加了导热膜和匀光系统；所述匀光系统包括被动式液晶匀光膜和均一导光膜。
18.进一步地，所述导热膜上连接温度传感器，用于实时测量所述目标细胞培养板的底部温度值。
19.本发明提供了一种适用于细胞培养环境的模块化led光源，能够满足不同光医学和光遗传学离体细胞实验对光能时空分布的需求，避免led工作产热、发光不稳定、光斑不均匀等问题造成的实验误差，提高光医学和光遗传学离体细胞实验的可靠性。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明实施例提供的一种适用于细胞培养环境的模块化led光源的整体示
意图；
22.图2为本发明实施例提供的一种相同光分布led光场叠加示意图；
23.图3为本发明实施例提供的一种光束整形控温一体化模块的结构剖面示意图；
24.图4为本发明实施例提供的一种适用于细胞培养环境的模块化led光源的有源部分原理示意图；
25.图5为本发明实施例提供的一种光疗杀菌参数筛选的整体实验示意图；
26.图6为本发明实施例提供的一种菌斑生物膜光干预实验的整体实验示意图；
27.图7为本发明实施例提供的一种光节律调节细胞实验的整体示意图。
28.图中：100、led阵列及光电反馈控制系统，110、led阵列模块，120、多路恒流源，130、光电反馈控制系统，140、光电检测报警电路，200、嵌入式控制系统，210、用户图形界面，220、嵌入式控制软硬件，300、光束整形控温一体化模块，310、led前向导光板，320、光束整形系统，330、散热装置，340、细胞培养板卡槽，350、导热膜，360、匀光系统，370、温度传感器，400、电源，500、目标细胞培养板。
具体实施方式
29.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、完整的描述，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。
30.实施例一
31.图1是根据本发明实施例提供的一种适用于细胞培养环境的模块化led光源的整体示意图。如图1所示，具体包括：led阵列及光电反馈控制系统100、嵌入式控制系统200和光束整形控温一体化模块300。其中，led阵列及光电反馈控制系统100包括：多个可插拔的led阵列模块110、多路恒流源120和光电反馈控制系统130。
32.具体地，led阵列模块110包括：led灯阵列、内阻补偿电路和恒流源接口。其中，led灯阵列为经过led阵列光分布优化方法优化之后的led灯阵列，内阻补偿电路为与led灯阵列串联的电阻；恒流源接口为可插拔接口；多路恒流源通过恒流源接口与led阵列模块连接。
33.可选地，led阵列模块110还包括对应多路恒流源120输出端的可插拔接口的插头。
34.具体地，led阵列光分布优化方法是指通过光分布检测和数学建模优化而获得的对特定发散角的最佳led间距的技术。图2是根据本发明实施例提供的一种相同光分布led光场叠加示意图。如图2所示，在一定的照射距离下，led所发出的光场强度分布为近似二维高斯分布，当多颗led以等间距组成阵列，相邻led光场叠加，当间距满足一定条件时，光场呈均匀分布。
35.具体地，led阵列光分布优化方法包括：
36.测量led灯阵列中的单个led灯在目标距离上的光分布；目标距离为led灯阵列与目标细胞培养板的底面之间的距离；
37.基于光分布，拟合单个led灯在目标距离上的光斑的二维高斯分布函数；
38.基于二维高斯分布函数，建立led灯阵列的光场叠加数学模型；
39.基于光场叠加数学模型，计算在预设光场均匀度参数下led灯阵列的分布间距。
40.可选地，led灯阵列中的led灯采用串联连接的方式接入多路恒流源120。在本发明实施例中，为确保实际照射时每颗led灯照射功率相同，led灯阵列采用串联连接并接入标准化的光源驱动电路的单路恒流源上。
41.在本发明实施例中，内阻补偿电路为一个串联在led灯阵列上的大功率电阻。具体地，对应不同规格细胞培养板如6孔、24孔、96孔等的led灯阵列的排布均不相同，采用内阻补偿电路后，当恒流源输出相同电流且照射距离固定时，可获得相同的输出光功率，从而实现基于波长和排布的统一化的led阵列模块110。
42.可选地，在本发明实施例中，led灯阵列的电路基板采用散热良好的铝基板或铜基板，以确保led产生的热量能及时导出。其中，led灯阵列置于铝基板或铜基板的正面。
43.可选地，led灯阵列的电路基板还设置散热器，散热器粘接于电路基板的反面；其中，散热器包括制冷片和水冷循环系统。
44.具体地，在本发明实施例中，散热器包括利用导热材料粘接放置于led灯阵列的电路板反面的散热片和可选的制冷片或水冷循环系统。当该模块化光源置于恒温细胞培养箱中时，使用风冷会影响整个细胞培养环境，因此实验时需要将预制制冷片(内置制冷剂)或水冷循环系统的水冷水排插入散热片的凹槽中，从而将led工作时产生的后向散热及时导出。
45.具体地，与led阵列模块110数量相同的多路恒流源120中，每路恒流源在输出端上设有对应led阵列模块110的可插拔的接口，可方便更换led阵列模块110，其开启、关闭和输出电流值由嵌入式控制系统200精确设定。
46.可选地，如图1所示，led阵列及光电反馈控制系统100还包括光电检测报警电路140。光电检测报警电路140包括多路恒流源对应的电压报警电路和光电采样电路。
47.具体地，光电采样电路，用于获取多路恒流源120对应的led阵列模块110的驱动电压变化值；
48.电压报警电路，用于在驱动电压变化值超出预设阈值时发出报警信号。
49.具体地，在本发明实施例中，电压报警电路实时测量恒流源所对应led阵列模块的驱动电压变化情况。由于采用恒流源供电，因此led阵列模块的内阻的变化与驱动电压的变化成正比关系。在led阵列模块工作过程中，随led工作而产生的温升以及led工作状态异常，其内阻会产生实时变化，导致驱动电压的实时变化。该驱动电压通过电压报警电路反馈至多路pid电流控制器中，通过pid反馈控制调整恒流源输出电流，使led阵列模块快速进入稳定工作状态，实现按设定光功率密度的精确输出。
50.当led阵列模块进入稳定工作状态时，驱动电压维持恒定。但当led阵列模块中个别led出现异常状态(如短路、断路或虚接时)，驱动电压将出现异常变化。该异常变化通过电压报警电路反馈至多路pid电流控制器中，并进一步反馈至嵌入式控制系统中，最终通过嵌入式控制系统反馈至用户图形界面，提示操作者用户led阵列模块异常，需要维修或更换led阵列模块。
51.具体地，光电反馈控制系统130包括多路采样光电传感器和多路电流控制器。具体地，采样光电传感器，用于获取led阵列模块110的出光功率；电流控制器，用于基于出光功率控制多路恒流源120的输出电流大小。
52.优选地，在本发明实施例中，电流控制器包括比例积分微分(pid)电流控制器。
53.可选地，在本发明实施例中，采样光电传感器、电流控制器和多路恒流源120的数量分别与led阵列模块110的数量相同。
54.可选地，在本发明实施例中，每一个led阵列模块110对应一组细胞培养孔；一组细胞培养孔为目标细胞培养板上的一行细胞培养孔或一列细胞培养孔；每一组细胞培养孔包括一个空置培养孔，采样光电传感器设置于空置培养孔内。
55.具体地，在本发明实施例中，光电反馈控制系统130由与led阵列模块110数量相同的多路采样光电传感器、对应传感器接口电路和多路电流控制器组成。在实际工作中，led受pn结温度升高等因素影响，在恒流驱动下其输出功率难以保持稳定，因此本发明实施例利用采样光电传感器对led阵列模块出光功率进行采样，并通过接口电路将光电反馈信号传导至多路电流控制器中。多路pid电流控制器根据所测光功率实时调整输出电流大小，从而精确控制led出光功率密度与实验设置功率密度一致。该系统由多路与对应led阵列模块串联的光强传感器(或传感器阵列)和对应卡具组成。对应卡具的形状尺寸与相应培养板板孔一致，可插入培养孔中接收led采样光强。
56.在实际使用中，每一路可插拔的led阵列模块110对应一行或一列细胞培养孔，将该行或该列的其中一个培养孔不放置实验细胞和试剂，而是将夹持光强传感器的夹具放入。实际使用中，也可将传感器置于led侧边以接收led光强的采样信息。光电反馈控制系统130所测led光强信息输入多路电流控制器，以实现对led驱动电流的实时控制。设备开机后，多路电流控制器接收图形界面所发送的初始电流设定命令并驱动恒流源输出设定恒流值，在实验中，电流控制器实时接收由光电反馈控制系统所发送的led光强信息，并通过反馈控制实现恒流源输出电流值的微调，从而确保led出光功率密度稳定。优选的，电流控制器采用比例积分微分算法(pid)实现对led驱动电流的实时控制。光电反馈控制系统130也可连接嵌入式控制系统200，将实时检测输出光强和光分布信息反馈给嵌入式控制系统200，由嵌入式控制系统200控制多路电流控制器调整恒流源电流输出。通过上述控制方法，确保在整个照射过程中，输出光功率密度均符合嵌入式系统设定值。
57.具体地，在本发明实施例中，嵌入式控制系统200，用于获取led阵列模块110的功率密度值。
58.具体地，如图1所示，嵌入式控制系统200包括用户图形界面210和嵌入式控制软硬件220。使用时，操作者通过用户图形界面210向嵌入式控制软硬件220发送设定各路led阵列模块110的功率密度值，再由嵌入式控制软硬件220将其转换为各路led阵列模块110的初始电流设定值。此外，嵌入式控制软硬件220还需要接收由多路电流控制器发送的模块异常工作信息并由用户图形界面210提示操作者维修或更换异常led阵列模块110。在基于嵌入式控制系统200的光电反馈控制模式下，嵌入式控制系统200还需接收实时检测输出光强和光分布信息，并计算出保持设定光功率所需电流值，控制电流控制器实时调整电流输出。
59.图3是根据本发明实施例提供的一种光束整形控温一体化模块的结构剖面示意图。如图3所示，光束整形控温一体化模块300设置于led阵列模块110与目标细胞培养板500之间，包括led前向导光板310，led前向导光板310为带有通孔阵列的长方体黑色金属板，通孔阵列的通孔形状和位置与目标细胞培养板500上的培养孔对应；通孔阵列的通孔内设置光束整形系统320；led前向导光板310的侧面粘接散热装置330。
60.其中，光束整形系统320用于实现对led光束的整形。通过led前向导光板310，可以滤除led照射在培养孔外的散射光，从而避免led的散射光对相邻细胞培养孔的干扰。
61.具体地，如图3所示，led前向导光板310的上表面设置细胞培养板卡槽340，用于固定目标细胞培养板500，以使目标细胞培养板500的培养孔底部和通孔阵列的通孔、led灯阵列对应。
62.具体地，如图3所示，led前向导光板310的上表面叠加了导热膜350和匀光系统360。优选地，导热膜350为透明导热膜，匀光系统360包括被动式液晶匀光膜和均一导光膜。在本发明实施例中，匀光系统360，可以使得led发出的光通过导热膜350后进一步匀化并照射到目标细胞培养板500底部，led工作时向目标细胞培养板500所散发的前向辐射热将通过导热膜350传导至金属板上。
63.具体地，如图3所示，导热膜350上连接温度传感器370，用于实时测量目标细胞培养板500的底部温度值。
64.可选地，散热装置330包括水冷水排和预制制冷片。具体地，led前向导光板310的侧面设置预制插槽，可插入预制制冷片。其中，预制制冷片是指内部盛装了制冷液的制冷片，平时将其置于冰箱中，使用时取出并插入散热器插槽中，通过制冷液缓慢吸热而维持较长时间的制冷效果。
65.具体地，在导热膜350上连接温度传感器370，实时测量目标细胞培养板500底部温度值。对于采用散热器的模块化led光源，温度传感器370连接嵌入式控制系统200后接入温度报警模块，当温度超过细胞培养所需阈值时即采用声光报警。对于采用水冷系统的，温度传感器370和嵌入式控制系统200均连接在温度反馈控制器上(优选的，温度反馈控制器采用比例积分微分(pid)控制器)，温度反馈控制器再连接控制通过导热材料贴在外置水冷水排中的tec制冷加热片，从而实时控制led阵列模块110散热器和光束整形控温一体化模块300侧面水冷水排中的冷却液温度。在实际使用中，通过嵌入式控制系统200设定温度反馈控制器以确保细胞培养板底部温度符合设定温度值，从而实现对恒温生物体组织温度控制机制(正常体温、偏低体温和发烧)的模拟，避免led前向热辐射可能产生的细胞损伤。
66.可选地，如图1所示，本发明实施例提供的一种适用于细胞培养环境的模块化led光源，还包括电源400，用于给上述系统供电。优选地，在密闭条件下(如厌氧罐中)，可选择采用锂电池供电，以实现通外界环境的全封闭以避免试验误差。
67.图4是根据本发明实施例提供的一种适用于细胞培养环境的模块化led光源的有源部分原理示意图。如图4所示，该模块化led光源包括两路led阵列模块，每一路led阵列模块均包括对应的恒流源(即图4所示的恒流源1、恒流源2)和采样光电传感器(即图4所示的第1采样光电传感器和第2采样光电传感器)，两路led阵列模块的控制信号由多路电流控制器发出，分别对应图4所示的第1路控制信号和第2路控制信号。
68.由以上描述可知，本发明实施例提供的一种适用于细胞培养环境的模块化led光源，能够满足不同光医学和光遗传学离体细胞实验对光能时空分布的需求，避免led工作产热、发光不稳定、光斑不均匀等问题造成的实验误差，提高光医学和光遗传学离体细胞实验的可靠性。具体地，与现有技术相比，具有如下优点：
69.(1)标准化的光源驱动电路接口和可插拔的led阵列模块，在满足光源和孔板相对位置精确定位的同时，可以灵活根据实验需求快速更换不同波长、不同密度和阵列排布的
led，从而实现不同光参数led的灵活复用；
70.(2)针对特定led阵列模块的光束整形控温一体化模块，确保led与细胞培养板板孔底部的光分布最为均匀，从而有效消除由光分布不均而造成的细胞受不同剂量光照射而产生的实验误差。同时，该模块还具有控温功能，既可避免led前向热辐射对细胞的热损伤，还可模拟恒温生物体组织温度控制机制(正常体温、偏低体温和发烧)，实现不同实验条件设置；
71.(3)针对特定led阵列模块的光强反馈控制系统，实时检测并采用反馈控制技术确保led阵列模块输出光强始终稳定在实验设定值，避免光强波动造成的实验偏差。
72.实施例二
73.实验目的是对细菌菌悬液进行光疗杀菌参数的筛选，包括光波长、光功率和照射时间。光波长设定405nm，530nm，630nm三个波长，光功率在5～50mw/cm2，照射时间1～30min。在高通量筛选中，选择96孔板进行实验。
74.图5是根据本发明实施例提供的一种光疗杀菌参数筛选的整体实验示意图。如图5所示，为避免液体蒸发对实验的影响，培养板外周板孔只做培养基/水的对照，中间10*6排列的60个孔进行光照筛选。基于96孔板孔径，每个孔均选择一个大功率贴片led进行照射。而每种灯的出射光分布不同(如530nm led表面加透镜汇聚)，因此光源中为每个模块的led配套了定制光学整形系统，从而确保其照射在细胞上的光功率密度分布符合实验设计需求。
75.基于以上需求，模块化led光源选择适配96孔板的6路led模块，每路led模块对应1行10个培养孔(为实验复孔)。这6路led模块可选配405nm，530nm，630nm三个波长，每个波长2路，进行不同功率或照射时间的筛选。对于厌氧菌，由于细菌要在厌氧罐中培养，因此光源散热选择带有预制制冷片的散热器进行制冷，减小led模块的体积，为防止由于散热较差而带来的实验偏差，本光源通过置于透明导热膜中的温度传感器实现对菌悬液温度的实时监控。
76.在厌氧罐中，实时监控的温度信号通过设定好的阈值比较电路进行比较，超出阈值则通过声光报警器进行报警。对于需在培养箱中进行长时间照射的实验，散热器可采用水冷制冷/制热，制冷管、电源线和温度检测信号线通过培养箱预留的电源孔位引出，连接在外部外设电源/嵌入式控制系统、led驱动电路和水冷机上，当温度超出设定阈值时，由嵌入式控制系统的用户图形界面进行报警。
77.实施例三
78.实验目的是对菌斑生物膜形态的细菌进行光疗杀菌参数的筛选。图6是根据本发明实施例提供的一种菌斑生物膜光干预实验的整体实验示意图。如图6所示，由于菌斑生物膜一般采用与24孔板板孔面积匹配的硝酸纤维素膜来制备，因此模块化led光源选择适配24孔板的6路led模块，每路led模块对应24孔上1列4个培养孔(为实验复孔)。每路led模块可根据实验设计选择不同波长，或设置不同光功率或者照光时间的对应每个培养孔的单灯/多灯阵列。整个装置可置入培养箱中工作，散热器采用水冷制冷/制热。制冷管、电源线和温度检测信号线连接在外部外设电源/嵌入式控制系统、led驱动电路和水冷机上，当温度超出设定阈值时，由嵌入式控制系统的用户图形界面进行报警。
79.实施例四
80.实验目的是对细胞进行长时间周期性光干预，并通过流式细胞仪或蛋白表达检测来评价干预效果。图7是根据本发明实施例提供的一种光节律调节细胞实验的整体示意图。如图7所示，由于这类检测需要大量细胞，因此选择用6孔板进行细胞培养。模块化led光源选择适配6孔板的3路led模块，每路led模块对应1列2个孔(为实验复孔)。每路led模块可根据实验设计选择不同波长，或设置不同光功率或者照光周期的对应每个培养孔的多灯阵列。整个装置置入培养箱中工作，，散热器可采用水冷制冷，制冷管和电源线通过培养箱预留的电源孔洞引出至外部外设电源/嵌入式控制系统、led驱动电路和水冷机上，当温度超出设定阈值时，由嵌入式控制系统的用户图形界面进行报警。
81.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
82.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.一种适用于细胞培养环境的模块化led光源，其特征在于，包括：led阵列及光电反馈控制系统、嵌入式控制系统和光束整形控温一体化模块；其中，所述led阵列及光电反馈控制系统包括：多个可插拔的led阵列模块、多路恒流源和光电反馈控制系统；所述led阵列模块包括：led灯阵列、内阻补偿电路和恒流源接口；所述led灯阵列为经过led阵列光分布优化方法优化之后的led灯阵列，所述内阻补偿电路为与所述led灯阵列串联的电阻；所述恒流源接口为可插拔接口；所述多路恒流源通过所述恒流源接口与所述led阵列模块连接；所述光电反馈控制系统包括多路采样光电传感器和多路电流控制器；所述采样光电传感器，用于获取所述led阵列模块的出光功率；所述电流控制器，用于基于所述出光功率控制所述多路恒流源的输出电流大小；所述嵌入式控制系统，用于获取所述led阵列模块的功率密度值；所述光束整形控温一体化模块设置于所述led阵列模块与目标细胞培养板之间，包括led前向导光板，所述led前向导光板为带有通孔阵列的长方体黑色金属板，所述通孔阵列的通孔形状和位置与所述目标细胞培养板上的培养孔对应；所述通孔阵列的通孔内设置光束整形系统；所述led前向导光板的侧面粘接散热装置。2.根据权利要求1所述的适用于细胞培养环境的模块化led光源，其特征在于：所述采样光电传感器、所述电流控制器和所述多路恒流源的数量分别与所述led阵列模块的数量相同。3.根据权利要求1所述的适用于细胞培养环境的模块化led光源，其特征在于：所述led阵列光分布优化方法包括：测量led灯阵列中的单个led灯在目标距离上的光分布；所述目标距离为所述led灯阵列与所述目标细胞培养板的底面之间的距离；基于所述光分布，拟合所述单个led灯在所述目标距离上的光斑的二维高斯分布函数；基于所述二维高斯分布函数，建立所述led灯阵列的光场叠加数学模型；基于所述光场叠加数学模型，计算在预设光场均匀度参数下所述led灯阵列的分布间距。4.根据权利要求1所述的适用于细胞培养环境的模块化led光源，其特征在于：所述led灯阵列中的led灯采用串联连接的方式接入所述多路恒流源；所述led灯阵列的电路基板采用铝基板或铜基板；所述led灯阵列的电路基板还设置散热器，所述散热器粘接于所述电路基板的反面；所述散热器包括制冷片和水冷循环系统。5.根据权利要求1所述的适用于细胞培养环境的模块化led光源，其特征在于：所述led阵列及光电反馈控制系统还包括光电检测报警电路；所述光电检测报警电路包括所述多路恒流源对应的电压报警电路和光电采样电路；所述光电采样电路，用于获取所述多路恒流源对应的led阵列模块的驱动电压变化值；所述电压报警电路，用于在所述驱动电压变化值超出预设阈值时发出报警信号。6.根据权利要求1所述的适用于细胞培养环境的模块化led光源，其特征在于：每一个所述led阵列模块对应一组细胞培养孔；一组细胞培养孔为所述目标细胞培养板上的一行细胞培养孔或一列细胞培养孔；每一组细胞培养孔包括一个空置培养孔，所述采样光电传
感器设置于所述空置培养孔内。7.根据权利要求1所述的适用于细胞培养环境的模块化led光源，其特征在于：所述电流控制器包括比例积分微分电流控制器。8.根据权利要求1所述的适用于细胞培养环境的模块化led光源，其特征在于：所述led前向导光板的上表面设置细胞培养板卡槽，用于固定所述目标细胞培养板，以使所述目标细胞培养板的培养孔底部和所述通孔阵列的通孔、所述led灯阵列对应。9.根据权利要求1所述的适用于细胞培养环境的模块化led光源，其特征在于：所述led前向导光板的上表面叠加了导热膜和匀光系统；所述匀光系统包括被动式液晶匀光膜和均一导光膜。10.根据权利要求9所述的适用于细胞培养环境的模块化led光源，其特征在于：所述导热膜上连接温度传感器，用于实时测量所述目标细胞培养板的底部温度值。

技术总结
本发明公开了一种适用于细胞培养环境的模块化LED光源，包括：LED阵列及光电反馈控制系统、嵌入式控制系统和光束整形控温一体化模块；LED阵列及光电反馈控制系统包括：多个可插拔的LED阵列模块、多路恒流源和光电反馈控制系统；LED灯阵列为经过LED阵列光分布优化方法优化之后的LED灯阵列；光束整形控温一体化模块包括LED前向导光板，LED前向导光板为带有通孔阵列的长方体黑色金属板；LED前向导光板的侧面粘接散热装置。本发明能够满足不同光医学和光遗传学离体细胞实验对光能时空分布的需求，避免LED工作产热、发光不稳定、光斑不均匀等问题造成的实验误差，提高光医学和光遗传学离体细胞实验的可靠性。离体细胞实验的可靠性。离体细胞实验的可靠性。


技术研发人员：阴慧娟 董晓曦
受保护的技术使用者：中国医学科学院生物医学工程研究所
技术研发日：2023.07.27
技术公布日：2023/10/11