УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГРАВИТАЦИОННОЙ ФОТОБИОЛОГИИ Российский патент 2022 года по МПК A01G7/04 A01G31/02 

Изобретение относится к области разработки научной аппаратуры для гравитационной фотобиологии, основанной на культивировании растений, грибов, водорослей, животных, микроорганизмов, модельных клеточных и бесклеточных биохимических систем с использованием источников фотонных потоков в диапазоне от 220 до 1000 нм с учетом воздействия на процессы роста и развития вектора гравитации g.

Новые источники света, основанные на светодиодах (Light Emitting Diodes - LED) начали широко применяться в научных и производственных целях для выращивания и обработки растений, а также других биологических объектов в конце ХХ в. На основе светодиодов были разработаны специальные устройства, представляющие из себя источники света, которые позволяли получать принципиально новые, ранее технически недостижимые спектральные композиции для выращивания растений и других фототрофов, а также животных и грибных объектов (патенты US 6921182 B2, US 9137874 B2, WO 03037068 A1).

Светодиоды начали широко использоваться как источники света в различных инкубаторах, разработанных ранее в области сельского хозяйства и используемых для проращивания семян, выращивания растений и для обработки других биологических объектов. Следует отметить, что сельскохозяйственные инкубаторы для растительного материала, как правило, наряду с источниками света оборудованы воздуховодами, вентиляторами для выполнения специфических производственных задач: «Установка для проращивания семян» с вентилятором для газообмена (патент на полезную модель РФ№ 57077U1), «Устройство для выращивания семян» с воздуховодом для газообмена (патент на полезную модель РФ № 67395U1), «Устройство для выращивания растений» с вентилятором для газообмена надземной части растений (патент на изобретение РФ № 2062027C1), «Устройство выделения воздуха для выращивания растений», оборудованный вентилятором для газообмена и отвода воздуха (патент на изобретение 2654813C2). Указанные устройства позволяют достигать поставленных целей в области сельскохозяйственного производства, но не могут обеспечить условий, которые необходимы при проведении научных экспериментов, а именно равномерные световые и температурные условия для каждого биологического образца. Обеспечение газообмена при помощи вентиляторов в указанном оборудовании автоматически не означает, что параметры воздушного потока одинаковы в области каждого биологического объекта, находящегося внутри инкубатора. Например, внутри «Устройства для выращивания растений» с вентилятором для газообмена надземной части растений (патент на изобретение РФ№ 2062027 C1) листовая масса, создает препятствия на пути воздушного потока, который не может быть равномерным при таких условиях расположения объектов внутри инкубатора. Технически условия равномерного воздушного потока и термостатирования биологических объектов при помощи потока воздуха в приведенных устройствах не заданы, такая цель при их разработке не ставилась. При помощи вентиляторов была решена проблема газообмена биологических тканей, и это не связано с возможностью возникновения одинаковых температурных условий для биологических объектов только потому, что для них созданы условия газообмена.

Светодиодные источники освещения начали массово использоваться для оборудования термостатируемых шкафов для выращивания растений и других фототрофных организмов, массово поставляемых на рынок фирмами-производителями научного оборудования, например LED Plant Growth Chambers фирмы Geneva Scientific, США (https://www.geneva-scientific.com/product-category/environmental-chambers/led-plant-growth-chambers/). Выпускаемые в настоящее время стандартные световые инкубаторы, могут быть использованы для проведения фотобиологических экспериментов в научной лабораторной практике. Вместе с тем данная аппаратура не обеспечивает всех необходимых условий для проведения экспериментов в области гравитационной фотобиологии, для изучения фотортропизма биологических объектов с учетом воздействия на рост и развитие развития вектора гравитации g, являющимся для растений мощным векторным фактором, который конкурирует со световым потоком при ориентации клеточных делений и осей роста побегов и других органов растений. Данные приборы относятся к классу стационарного лабораторного оборудования, не предназначенному для частого перемещения, неприспособленному для лабораторной гравитационной фотобиологии, и не нацеленному на данные исследования, в которых массо-габаритные и монтажные параметры устройств имеют критическое значение, когда инкубатор (контейнер) в наземных экспериментах может быть установлен на горизонтальной поверхности на боковой стенке, когда его положение в ходе эксперимента может быть изменено под любым углом по отношению к вектору силы тяжести g или когда инкубатор может эксплуатироваться на клиностатах, даже если взять самые компактные инкубаторы из тех, которые поставляются на рынок.

В течение последних двух десятилетий активно развивались исследования в области гравитационной и космической биологии, актуальность которых значительно возросла в последние годы в связи с подготовкой научной аппаратуры для космических программ на Луне и Марсе, а также в связи с разработкой космических оранжерейных установок. Светодиоды, излучающие при длинах волн 660 нм и 470 нм легли в основу при разработке космической оранжереи (Zyablova N.V., Berkovich Yu.A., Erokhin A.N., Skripnikov A.Yu. 2010. The gravitropic and phototropic responses of wheat grown in a space greenhouse prototype with hemispherical planting surface. Advances in Space Research, V 46, Issue 10, 2010, PP 1273-1279). Было разработано устройство для выращивания растений, которое предлагается использовать в качестве салатной оранжереи в космических полетах (патент на полезную модель РФ№171917 U1). Данное устройство оборудовано светодиодами в качестве источника световой энергии для фотосинтеза растений и вентилятором для обеспечения газообмена внутри контейнера. К недостаткам данного оборудования, как научной аппаратуры для гравитационной фотобиологии, следует отнести отсутствие обеспечения равномерного светового потока для каждого растения как биологического объекта и отсутствие обеспечения равномерного воздушного потока от вентилятора для каждого биологического объекта с целью выравнивания температурных условий. Внутри данного устройства специально поддерживается градиент температур, при этом вентилятор выполняет свою функцию перемешивания газовой среды с целью конденсации водяного пара (патент на полезную модель РФ №171917 U1).

Светодиодные источники света начали активно применяться при производстве высокотехнологичной и научной аппаратуры для фотобиологии и гравитационной биологии растений, животных, грибов и водорослей. Совершенствование светодиодных устройств для инкубации биологических объектов продолжалось в направлении разработки компактного оборудования, принципиально отличающегося по массо-габаритным и монтажным параметрам от стационарных термостатируемых шкафов, оборудованных источниками света.

С этой целью был разработан компактный контейнер закрытого типа, предназначенный для размещения внутри стандартных лабораторных термостатов и холодильников и оборудованный светодиодами, излучающими в красной (660 нм) и синей (440 нм) областях спектра электромагнитного излучения, названный «Устройство для обработки растительного материала» (Treatment apparatus for plant matter), международная заявка WO 2008065352. Следует отметить, что данное устройство не оборудовано автономной системой термостатирования, и терморегуляция данного устройства пассивно обеспечивается за счет установки устройства внутрь термостатов и холодильников, при этом выравнивание температурных условий для разных биологических объектов не предусмотрено.

Для проведения научных космических и гравитационных фотобиологических исследований были разработаны специальные компактные камеры с такими объектами, как прорастающие семена растений Arabidopsis, культуры мхов, грибов и микроорганизмов. В качестве базовых образцов научного оборудования для фотобиологических, гравитационных и космических исследований и в качестве аналогов, в том числе наиболее близкого, для настоящего изобретения следует привести следующую аппаратуру, которая оборудована светодиодами и активно эксплуатируется с момента разработки по настоящее время в космической и гравитационной биологии:

1) кассетный модульный инкубатор EMCS (European Modular Cultivation System) для проростков Arabidopsis (Correll M.J., Edelmann R.E., Hangarter R.P., Mullen J.L., Kiss J.Z. 2005. Ground-based studies of tropisms in hardware developed for the European Modular Cultivation System (EMCS) Adv Space Res 36: 1203-1210; Millar K.D.L., Kumar P., Correl M.J., Mullen J.L., Hangarter R.P., Edelmann R.E., Kiss J.Z. 2010. A novel phototropic response to red light is revealedin microgravity. New Phytologist. V. 186. P. 648-656; M.A. Valbuena, A. Manzano,· J.P. Vandenbrink, V. Pereda-Loth, E.Carnero-Diaz, R.E. Edelmann, J.Z. Kiss, · R. Herranz, F.J. Medina. 2018. The combined effects of real or simulated microgravity and red-light photoactivation on plant root meristematic cells. Planta. V. 248, P. 691-704). Указанное устройство EMCS представляет собой прямоугольный контейнер размером приблизительно 2х2х10 см, cнабженный системой подачи жидкой питательной среды на слой фильтровальной бумаги Whatman, покрытой полимерным эфирно-целлюлозной мембраной с расположенным на ней тонким слоем 1% гуаровой камеди для закрепления 14 семян растений Arabidopsis, семян по размерам не превышающим 0.5 мм в непроросшем состоянии. Контейнер оборудован двумя наборами светодиодов, размещенными на боковых стенках устройства: вдоль длинной стенки и вдоль торцевой (более короткой) стенки контейнера. Устройство EMCS сверху герметично закрыто стеклянной крышкой для наблюдений и для фотографирования биологических объектов, по периметру которой расположен нагревательный элемент для нагрева стекла с целью удаления влаги, которая может накапливаться на поверхности стекла в результате конденсации паров воды, которая является главным компонентом питательной среды, поступающей в слой фильтровальной бумаги. Контейнеры EMCS по пять штук упаковываются в боксы EC (Experimental Conteiners). Каждый из боксов EC оборудован двумя вентиляторами для охлаждения всего бокса с пятью устройствами EMCS. Устройство EMCS имеет следующие важные недостатки:

а) неравномерность термостатирования устройств EMCS и отдельных биологических объектов, которые в них находятся, при работе вентиляторов в объеме (отсеке), который является соседним, примыкающим к контейнеру EC. Кроме того, термостатирование каждого из 14 биологических объектов, находящихся в одном контейнере EMCS, нарушается тем, что светодиоды, расположенные с торцевой части каждого устройства EMCS, выделяют тепло неравномерно, вдоль главной оси устройства и нарушают температурные условия для каждого из 14 объектов (семян, проростков растений), расположенных вдоль этой главной оси, когда ближайшие к источнику света объекты нагреваются от него сильнее, чем более удаленные от него;

б) неравномерность обработки биологических объектов световым излучением от светодиодов, расположенных на торцевой части устройства EMCS, в этих условиях световое излучение имеет градиентное, неодинаковое по квантовым потокам распределение для каждого биологического объекта, размещенного в устройстве EMCS, ближайшие к светодиодам проростки получают большую дозу излучения, а удаленные от них - меньшую.

2) Устройство для фиксации растительного материала (Беркович Ю.А., Медов В.М., Мухоян М.З., Никитин В.Б., Скрипников А.Ю. Патент RU 2555590C2, 2015), которое было успешно апробировано на космических аппаратах (биоспутниках) Бион М1 и Фотон М4, а также в ходе наземных контрольных экспериментов. Указанное устройство для фиксации растительного материала представляет собой контейнер, в котором находятся несколько светоизолированных друг от друга камер, скомпонованных в многоэтажную конструкцию. Каждая камера снабжена своей емкостью с субстратом для выращивания растений, источником света своей длины волны и своей видеокамерой. Источник света на кронштейне - радиаторе и видеокамера смонтированы на стенках камеры под прямым углом друг к другу. Растущие растения освещаются источником света через прозрачную боковую стенку емкости, а наблюдение видеокамерой ведется через другую перпендикулярную ей боковую стенку. Общие для всех камер источник электропитания и блок контроля и управления смонтированы на одной плате и закреплены внутри контейнера. Устройство для фиксации растительного материала не имеет системы термостатирования, не оборудовано вентиляторами. Поэтому недостатком данного устройства является техническая невозможность обеспечения одинаковых температурных условий для каждого из вариантов биологических образцов.

3) Компактный контейнер PDFU, рассчитанный на одну чашку Петри и оборудованный светодиодом. Указанный аналог является прототипом. Контейнер PDFU представляет собой прямоугольный контейнер размером 1”x3.3”x3.3” (2.7х9х9 см), изготовленный из черного полимерного материала, предназначенный для размещения одной стандартной чашки Петри диаметром 6 см, на которую накладывается металлическая крышка с резиновыми прокладками для герметизации. Крышка имеет отверстия с клапанами для подачи внутрь емкости регуляторов клеточной активности или химических фиксаторов. Контейнер PDFU является темной камерой, выполненной из черного полимерного материала. Это полностью закрытый контейнер, за исключением одного отверстия: на боковой стенке контейнера PDFU размещен светодиод, который через круглое отверстие в боковой стенке диаметром 2-4 мм, закрытое стеклом, пропускает световое излучение на объект, находящийся в центральной зоне чашки Петри внутри контейнера. Недостатком световой обработки биологического материала в контейнере PDFU является неравномерность световых потоков для различных зон на чашке Петри вокруг центральной области размером 4 мм. Во многих случаях биологические объекты, активно развиваются и растут, распространяясь по поверхности питательной среды в чашке Петри, занимая периферические, соседние с центральной зоной чашки Петри, в которых световой поток существенно ниже, чем в центральной зоне. Таким образом биологический материал в ходе роста и развития клеточных структур неравномерно обрабатывается световым излучением. Контейнер PDFU не является автономной технической единицей. Контейнеры PDFU по 6 штук монтируются в прямоугольные контейнеры-канистры BRIC, которые, в свою очередь по 8 штук укладываются в прямоугольный контейнер-лоток (tray), снабженный вентилятором, для обеспечения термостатирования (поддержания стабильных температурных условий - temperature control) для всех 48 контейнеров PDFU, находящихся внутри контейнера-лотка. Следует отметить, что система термостатирования конструктивно не обеспечивает равномерный поток воздуха (газовой среды) внутри контейнера-лотка так как вентилятор закреплен на боковой, торцевой стенке контейнера-лотка и лишь обеспечивает охлаждение боковой стенки большого контейнера-лотка, содержащего 48 компактных контейнеров PDFU (Kern V.D., Sack F.D., White N.J., Anderson K., Wells W., Martin C. 1999. Spaceflight hardware allowing unilateral irradiation and chemical fixation in petri dishes. Adv Space Res 24: 775-778; Kern V.D., Schwuchow J.M., Reed D.W., Nadeau J.A., Lucas J., Skripnikov A., Sack F.D. 2005. Gravitropic moss cells default to spiral growth on the clinostat and in microgravity during spaceflight. Planta. V. 201, P. 149-157).

Несмотря на существенные недостатки устройств: прототипа настоящего изобретения PDFU и его аналогов EMCS и Устройства для фиксации растительного материала в настоящее время не существует альтернативы указанному оборудованию в тех случаях, когда возникает необходимость проведения фотобиологических (в первую очередь фототропических) и гравитационных научных экспериментов с макроскопическими (имеющими размеры 1 мм - 1 см) биологическими объектами растительной, животной, грибной природы. Вместе с тем данная научная проблематика в последние годы приобрела повышенную актуальность в связи с развитием направлений по разработке космических оранжерейных комплексов и проведением пилотных, модельных экспериментов в области изучения фототропизма растений и других организмов и воздействия на фоторегуляторные процессы вектора силы тяжести g. Для проведения научных исследований в области гравитационной фотобиологии необходима разработка нового контейнера, которая решает техническую проблему, связанную с главными недостатками экспериментальных контейнеров: прототипа настоящего изобретения PDFU и его аналогов EMCS, Устройства для фиксации растительного материала.

Техническая проблема, которая возникает при эксплуатации прототипа PDFU и аналогов EMCS, Устройства для фиксации растительного материала заключается в том, что для биологического материала не может быть выполнено техническое условие по поддержанию одинаковых температурных условий для разных инкубируемых в устройстве образцов. Так PDFU и EMCS оборудованы лишь системой охлаждения с помощью вентиляторов одной из стенок контейнеров-боксов, содержащих 48 PDFU или 14 EMCS, что не обеспечивает корректного термостатирования биологических образцов. А Устройство для фиксации растительного материала не оборудовано автономной системой термостатирования. При этом в PDFU, EMCS и Устройстве для фиксации растительного материала в непосредственной близости с биологическими объектами находятся активно выделяющие тепло компоненты данных устройств, включающих светодиоды, электронные панели, электрические схемы и детали. Существующие устройства не обеспечивают температурных условий для проведения экспериментов в области гравитационной фотобиологии. Техническая проблема также связана с неравномерностью световых потоков, под воздействием которых находятся отдельные биологические объекты в устройствах PDFU, EMCS, Устройство для фиксации растительного материала. Кроме того, к недостаткам прототипа и аналогов, формирующим техническую проблему, следует отнести сложность технической операции по снаряжению устройств перед экспериментом и распаковки, извлечения биологического материала после окончания эксперимента, недоступность, невозможность извлечения биологического материала в ходе эксперимента, невозможность изменить параметры источников света в ходе эксперимента (длина волны, квантовый поток, плоскость поляризации). Достигаемый технический результат это равномерность температурных условий и световых потоков для разных инкубируемых в устройстве образцов, оперативный доступ к биологическим материалам в ходе подготовки и проведения экспериментов, в том числе с изменением направления воздействия вектора гравитации g, возможность настройки параметров освещения.

Для решения технической проблемы и достижения заявленного технического результата предлагается устройство для гравитационной фотобиологии, корпус которого выполнен в виде контейнера с крышкой, содержащий систему воздухоснабжения, светодиоды, электронные компоненты. Система воздухоснабжения состоит из вентилятора, канала для забора воздушной среды и канал отвода воздушной среды, светодиоды и электронные компоненты расположены на съемной крышке.

Корпус выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда. Стенки контейнера, дно и крышка выполнены из черного вспененного полихлорвинила или из листового алюминия, черненого по внутренним поверхностям боковых стенок, дна и крышки. Стенки корпуса имеют отверстия, сообщенные с каналом забора воздушной среды и канала отвода воздушной среды. Дно контейнера оборудовано средствами крепления культуральных сосудов с биологическим материалом. Корпус выполнен с возможностью установки на основание, на любую из боковых стенок и на крышку.

Вентилятор закреплен на стенке контейнера, имеющей отверстие, с внешней стороны контейнера.

Крышка контейнера оборудована монохромными светодиодами с длиной волны излучения от 200 до 1000 нм и/или светодиодами, излучающими в нескольких волновых диапазонах в интервале от 200 до 1000 нм. Светодиоды могут быть оборудованы поляризационными фильтрами. Светодиоды расположены равномерно по всей поверхности крышки.

Устройство снабжено набором крышек с разным набором светодиодов.

Электронные компоненты представляют собой источники питания, резисторы, контроллеры, видеокамеры, модули памяти.

Новизна заявленного устройства, связанная с циркуляцией газовой среды (воздуха) внутри рабочего объема устройства за счет работы вентилятора, дает технологические преимущества предложенного в настоящем изобретении устройства по сравнению с аналогами PDFU, EMCS и Устройством для фиксации растительного материала, и отличает заявляемое устройство от аналогов и прототипа выравниванием температурных и световых условий инкубации для каждого отдельного биологического образца. Равномерное распределение светодиодов по внутренней поверхности крышки создает условия для выровненной по квантовому потоку обработки всех биологических объектов, находящихся в контейнере.

Сущность заявленного изобретения раскрывается фиг. 1, на которой представлено устройство для гравитационной фотобиологии в разрезе (а), вид с торца (б) и сверху (в), где

1 - контейнер;

2 - крышка;

3 - система воздухоснабжения;

4 - светодиоды;

5 - вентилятор;

6 - канал для забора воздушной среды;

7 - канал отвода воздушной среды;

8 - отверстие в корпусе (торцевой стенке), сообщенное с каналом для забора воздушной среды;

9 - отверстие в корпусе (торцевой стенке), сообщенное с каналом для отвода воздушной среды;

10 - культуральные сосуды с биологическим материалом;

11 - внутренняя перегородка;

12 - внутренняя перегородка;

13 - торцевая стенка;

14 - отверстие у внутренней перегородки, расположенное у ее нижней части;

15 - отверстие у внутренней перегородки, расположенное у ее верхней части;

16 - внутренняя перегородка;

17 - отверстие у внутренней перегородки, расположенное у ее верхней части.

Устройство для гравитационной фотобиологии имеет корпус, который выполнен в виде контейнера (1) с крышкой (2) и имеет форму прямоугольного параллелепипеда. При этом стены контейнера (1) выполнены из черного вспененного полихлорвинила (4 мм), для расположения внутри него чашек Петри и других стандартных культуральных сосудов и их закрепления на дне контейнера. Например, размер контейнера может не превышать 50х10х10 см, при этом толщина стенок, выполненных из черного вспененного полихлорвинила, может не превышать 4 мм. Корпус контейнера (1) выполнен с возможностью установки на основание, на любую из боковых стенок, торцевых стенок и на крышку (2).

Устройство содержит систему воздухоснабжения (3), светодиоды (4), вместе с другим электронными компонентами установленные на крышке (2). Направление воздушного потока обозначено жирными ненумерованными стрелками.

Система воздухоснабжения (3) состоит из вентилятора (5), канала забора воздушной среды (6) и канал отвода воздушной среды (7). Стенки корпуса имеют отверстия (8) и (9), сообщенные соответственно с каналом забора воздушной среды и каналом отвода воздушной среды. Дно контейнера (1) оборудовано средствами крепления (на рисунке не показано) культуральных сосудов с биологическим материалом (10).

Канал забора воздушной среды (6) образован отверстием (8) в торцевой стенке контейнера (1) и двумя внутренними перегородками (11) и (12), установленными параллельно торцевой стенке (13) контейнера на расстоянии друг от друга, каждая из внутренних перегородок (11) и (12) имеет отверстие, при этом у перегородки (11) отверстие (14) расположено в нижней её части, у перегородки (12) отверстие (15) расположено в верхней её части.

Канал отвода воздушной среды (6) образован торцевой стенкой контейнера с отверстием (9) и внутренней перегородкой (16), установленной параллельно указанной торцевой стенке, при этом внутренняя перегородка (16) имеет отверстие (17) в верхней ее части.

Система воздухоснабжения в виде вентилятора, который обеспечивает равномерный поток воздуха во внутреннем объеме устройства, канала для забора газовой среды (воздуха) и канала отвода газовой среды (воздуха). Поток воздушной среды, поступающий от вентилятора, обеспечивает выравнивание температурных условий для всех образцов, находящихся в устройстве под воздействием светового излучения, что важно для биологии любых объектов исследования.

С целью создания равномерного потока газовой среды внутри контейнера, на одной из торцевых стенок напротив отверстия установлен вентилятор, нагнетающий воздушную среду внутрь контейнера (фиг. 1). Внутри контейнера напротив вентилятора на расстоянии от торцевой стенки с отверстием, параллельно торцевой стенке установлена первая внутренняя перегородка.

Указанная перегородка прикреплена к боковым стенкам контейнера и перегораживает просвет контейнера не полностью, не доходя до дна контейнера, образуя щелевидное отверстие для поступления внутрь контейнера воздушной среды, нагнетаемой вентилятором. На расстоянии от первой внутренней перегородки, на дно контейнера установлена вторая внутренняя перегородка, которая не полностью закрывает просвет контейнера в верхней части, оставляет отверстие для прохождения потока воздушной среды, на некотором расстоянии от крышки.

Таким образом, две перегородки на пути газовой среды образуют коленчатый светоизолирующий воздуховод, который обеспечивает формирование равномерного потока газовой среды внутри контейнера, и в тоже время выполняет светоизолирующую функцию, не позволяя проникать внутрь контейнера световому излучению, которое может присутствовать во внешней среде, окружающей контейнер.

Аналогичным образом организована светоизоляция в системе газоотвода на торцевой стенке контейнера, расположенной на противоположной стороне контейнера по отношению к торцевой стенке с круглым отверстием и вентилятором. В нижней части воздухоотводящей торцевой стенки контейнера имеется прямоугольное отверстие, которое по ширине совпадающее с размером просвета контейнера с внутренней стороны. Напротив воздухоотводящей торцевой стенки, на расстоянии от нее установлена вертикальная перегородка, не полностью перекрывающая просвет контейнера, оставляя сверху под крышкой отверстие. Таким образом, система газоотвода, состоящая из отверстия в нижней части торцевой стенки и перегородки внутри контейнера, отступающей от крышки, создает условия для поддержания равномерного потока газовой среды внутри контейнера и в тоже время является светоизолирующим каналом, не пропускающим в контейнер световое излучение из окружающей контейнер внешней среды.

Светодиоды (3) могут быть оборудованы поляризационными фильтрами (на фиг. 1 не показано).

Внутри контейнера имеются светодиоды, закрепленные на крышке равномерно по всей ее внутренней поверхности

Равномерное распределение светодиодов по внутренней поверхности крышки обеспечивает одинаковый латеральный (односторонний) световой поток для каждого биологического образца. Крышка контейнера с определенным набором светодиодов выполнена в нескольких вариантах и легко заменяется либо перед началом эксперимента, либо в ходе эксперимента. Фиксация крышки на контейнере производится путем накладывания крышки на контейнер сдвигом вдоль его оси, так чтобы она была зафиксирована при помощи четырех пазов, находящихся в верхних углах контейнера. Культуральные флаконы с биологическим материалом фиксируются на дне контейнера при помощи прижимного механизма. Крышка со светодиодами может быть оборудована миниатюрными видеокамерами для видеорегистрации биологических объектов. На светодиодах, закрепленных на крышке контейнера, могут быть закреплены поляризационные фильтры, размещенные на оптическом пути от светодиодов до биологических объектов.

Устройство для гравитационной фотобиологии работает следующим образом.

Перед началом эксперимента культуральные сосуды с биологическим материалом фиксируются на дне контейнера с помощью прижимного механизма, подбирается крышка с необходимым для целей эксперимента набором светодиодов, крышка со светодиодами накладывается на контейнер и сдвигается вдоль его оси так, чтобы фиксирующие пластины на четырех углах крышки вошли в фиксирующие пазы, расположенные на верхних углах контейнера. После этого запускаются программы управления светодиодами, включается вентилятор. Контейнер устанавливается на горизонтальной поверхности лабораторного стола в термостатируемом помещении. При необходимости изменения направления воздействия вектора гравитации g на биологические объекты, контейнер при помощи специальной подставки или штатива можно установить на столе под любым углом от 0 до 90 градусов по отношению вектору силы тяжести g или закрепить на клиностате при помощи штатных фиксирующих механизмов, которыми оборудован клиностат. В ходе эксперимента возможно осуществить инспекцию (наблюдение за биологическим материалом внутри контейнера), изъятие части культуральных флаконов, а также замена светового режима для биологических объектов путем замены одной крышки на другую в зависимости от требований эксперимента по набору светодиодов в соответствии с длинами волн и квантовыми потоками.

Разработанное устройство предназначено для изучения фоторегуляции процессов в биосистемах, включая растительные, грибные, животные и микробиологические объекты, выращиваемые в чашках Петри или других сосудах при воздействии вектора гравитации. Изобретение заменяет использование стандартных инкубаторов в виде крупногабаритных шкафов и темных комнат, оборудованных источниками освещения, контролируемого по квантовым потокам и спектральному составу. Предложенное в изобретении Устройство для гравитационной фотобиологии является более совершенным и предпочтительным оборудованием по сравнению с устройствами-аналогами EMCS, Устройство для фиксации растительного материала и прототипом PDFU, так как имеет существенные технические преимущества, связанные с поддержанием одинаковых температурных и световых условий для каждого биологического образца. В предложенном в настоящей заявке изобретении по сравнению с аналогами и прототипом разработан новый тип светового инкубатора для фотобиологических и фотобиохимических исследований, который позволяет в стандартных лабораторных условиях проводить масштабные эксперименты по гравитационной фотобиологии и успешно заменяет приведенные выше аналоги разработанной аппаратуры и позволяет проводить инкубацию исследуемых биологических объектов при поддержании температурных и световых (по направленности, квантовому потоку, плоскости поляризации) условий для каждого образца.

Технический результат, который позволяет получить настоящее изобретение, заключается достижении выравнивания температурных условий и световых потоков при инкубации образцов биологического материала в заявленной устройстве для гравитационной фотобиологии, возможность изменять ориентацию устройства по отношению к вектору гравитации g, упрощение конструкции, обеспечивающей простоту снаряжения контейнера и оперативного доступа к биологическому материалу в ходе его эксплуатации при проведении эксперимента.

Технический результат данного изобретения достигается за счет оборудования контейнера системой воздухоснабжения, состоящей из вентилятора, закрепленного напротив отверстия в торцевой стенке контейнера, с его внешней стороны; канала для забора воздушной среды и канал отвода воздушной среды.

Канал для забора воздушной среды образован внутренними перегородками, расположенными параллельно торцевой стенке контейнера, при этом высота внутренних перегородок подобрана так, чтобы не перекрывать полностью просвет и обеспечить проход воздушной среды, при этом одна из внутренних перегородок не перекрывает просвет в нижней части контейнера, вторая в его верхней части.

Расположение вентилятора на боковой стенке контейнера и организация газового потока внутри контейнера при помощи перегородок и воздуховодов создает условия для равномерного потока газовой среды внутри контейнера и поддержания одинаковых температурных условий для биологических образцов, находящихся в культуральных сосудах, которые закреплены на нижней стороне контейнера вдоль его главной оси. Равномерное распределение светодиодов по внутренней поверхности крышки обеспечивает одинаковый латеральный (односторонний) световой поток для каждого биологического образца.

Существенным техническим преимуществом заявленного устройства для гравитационной фотобиологии является обеспечение максимально облегченного доступа к биологическому материалу, что достигается простым снятием крышки устройства, на которой закреплены светодиоды. Периодический доступ к биологическому материалу является неотъемлемой частью большинства биологических экспериментов, в которых проводится мониторинг, контроль биологического материала, отбор и замена образцов, и это условие обеспечено в заявленном устройстве.

Важным техническим преимуществом устройства является максимально упрощенная техническая операция по замене набора светодиодов. Для выполнения данной операции необходимо заменить крышку устройства вместе с закрепленными на ней светодиодными осветителями на другую крышку. С целью выполнения экспериментов с разными источниками света устройство комплектуется набором крышек, на которых закреплены светодиоды в разных наборах.

Малые массо-габаритные параметры устройства позволяют его отнести категории переносных настольных приборов, позволяют изменять ориентацию устройства по отношению к вектору гравитации g, а именно, проводить инкубацию биологического материала при установке устройства на любую из шести поверхностей (граней) устройства, которое по форме представляет собой прямоугольный параллелепипед. Таким образом, устройство обеспечивает выполнение критического условия изменения направления действия векторов гравитации и светового излучения на биологические образцы при проведении гравитационных фотобиологических экспериментов. Малоразмерные, компактные габариты устройства позволяют менять положение экспериментальных объектов по отношению к вектору гравитации g как в стационарных (статических) вариантах экспериментов, так на клиностатах, с непрерывным изменением положения устройства с закрепленными в нем культуральными сосудами относительно вектора g. Устройство для гравитационной фотобиологии может быть предложено в качестве бортового оборудования для эксплуатации на биоспутниках, а также на пилотируемых космических аппаратах, в которых научный экипаж может использовать технические преимущества устройства, связанные малогабаритностью и простотой снаряжения, а в контрольных наземных экспериментах эксплуатироваться как в стационарных вариантах, так и на клиностатах.

Изобретение относится к области гравитационной фотобиологии. Устройство содержит корпус, который выполнен в виде контейнера с крышкой, содержащий систему воздухоснабжения, светодиоды и электронные компоненты. Система воздухоснабжения состоит из вентилятора, канала забора воздушной среды и канала отвода воздушной среды вентилятора, который закреплен на внешней стенке контейнера. Стенки корпуса имеют отверстия, сообщенные соответственно с каналом забора и отвода воздушной среды, дно контейнера оборудовано средствами крепления культуральных сосудов с биологическим материалом. Канал забора воздушной среды образован отверстием в торцевой стенке контейнера и двумя внутренними перегородками, установленными параллельно торцевой стенке контейнера на расстоянии друг от друга. Каждая из внутренних перегородок имеет отверстие. Канал отвода воздушной среды образован торцевой стенкой контейнера с отверстием и внутренней перегородкой, установленной параллельно указанной торцевой стенке. Внутренняя перегородка имеет отверстие в верхней ее части, светодиоды и электронные компоненты расположены на съемной крышке, а светодиоды расположены равномерно по всей поверхности крышки. Устройство обеспечивает выравнивание температурных условий и световых потоков при инкубации образцов биологического материала, возможность изменять ориентацию устройства по отношению к вектору гравитации g, упрощение конструкции, обеспечивающей простоту снаряжения контейнера и оперативного доступа к биологическому материалу в ходе его эксплуатации при проведении эксперимента. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для гравитационной фотобиологии, корпус которого выполнен в виде контейнера с крышкой, содержащее систему воздухоснабжения, светодиоды и электронные компоненты, отличающееся тем, что система воздухоснабжения состоит из вентилятора, канала забора воздушной среды и канала отвода воздушной среды вентилятора, который закреплен на внешней стенке контейнера, стенки корпуса имеют отверстия, сообщенные соответственно с каналом забора и отвода воздушной среды, дно контейнера оборудовано средствами крепления культуральных сосудов с биологическим материалом, канал забора воздушной среды образован отверстием в торцевой стенке контейнера и двумя внутренними перегородками, установленными параллельно торцевой стенке контейнера на расстоянии друг от друга, каждая из внутренних перегородок имеет отверстие, канал отвода воздушной среды образован торцевой стенкой контейнера с отверстием и внутренней перегородкой, установленной параллельно указанной торцевой стенке, при этом внутренняя перегородка имеет отверстие в верхней ее части, светодиоды и электронные компоненты расположены на съемной крышке, светодиоды расположены равномерно по всей поверхности крышки.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что стенки контейнера, дно и крышка выполнены из черного вспененного полихлорвинила или из листового алюминия, черненого по внутренним поверхностям боковых стенок, дна и крышки.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус выполнен с возможностью его установки на основание, на любую из боковых стенок и на крышку.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что крышка контейнера оборудована монохромными светодиодами с длиной волны излучения от 200 до 1000 нм и/или светодиодами, излучающими в нескольких волновых диапазонах в интервале от 200 до 1000 нм.

6. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что светодиоды могут быть оборудованы поляризационными фильтрами.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электронные компоненты представляют собой источники питания, резисторы, контроллеры, видеокамеры, модули памяти.