使用低成本RGB颜色传感器开发细胞亚传代提示器（C‑Bell）设备

为什么观察细胞培养皿比想象的要难

现代生物学和药物开发在很大程度上依赖于在塑料培养皿中维持活细胞的健康状态。研究人员必须定期“分瓶”或亚传代这些细胞，防止它们过度拥挤并产生应激。如今，这一时机通常靠肉眼判断：科学家通过显微镜观察并查看覆盖细胞的培养液颜色。这个例行操作既耗时又带有主观性，且容易判断失误。这项研究介绍了一种简单、低成本的设备，称为C‑Bell，它通过读取生长培养液的细微颜色变化自动监控培养皿，将繁琐的工作转变为客观、免手动的过程。

由日常元件构成的小帮手

C‑Bell设备以广泛可得的爱好者电子元件为核心，包括Arduino微控制器和廉价的RGB颜色传感器。细胞在标准的60 mm塑料培养皿中生长，培养液含有酚红（Phenol Red），这种染料在液体变酸时会从红色变为黄色。随着细胞生长并消耗底物，释放出酸性代谢产物，颜色会逐渐向黄色偏移。C‑Bell置于堆叠的培养皿下方，放置在常规二氧化碳培养箱内，从每个培养皿底部投射光线。传感器测量反射的红、绿、蓝光强度。由于设备自含且由电池供电，它无需改装培养箱或使用特殊培养器具。

将颜色转换为简单的数值

为了解释颜色读数，研究者创建了一个名为C‑Bell指数的单一刻度。设备重复采样红、绿、蓝信号，并利用在红到黄转变中变化最明显的绿色分量。经数据归一化以消除传感器间差异并压缩到0–100的范围后，团队定义了一个实用阈值。当指数维持较高时，培养液更接近原始的粉红色，细胞还有生长空间。当指数降到约50以下时，培养液变得更黄，表明培养皿已拥挤、代谢活跃，应进行亚传代。这个数值读数用可复现、易于追踪的信号取代了研究人员主观的颜色判断。

将设备付诸测试

首先，团队确认颜色传感器可以可靠地区分新鲜的红色培养基与经实验酸化呈黄色的培养基。黄色培养基中绿色光读数明显升高，计算出的C‑Bell指数从大约80多下降到约20，与直接pH测量（约从7.4变为6.7）的变化一致。随后，他们使用活体肺癌细胞（A549）测试C‑Bell，在不同初始接种密度的培养皿上随访数天。通过定期将培养皿移至C‑Bell上测量，或将设备留在培养箱内进行完全自动化的每小时监测，他们追踪了各组中指数下降的速度。起始细胞较多的培养皿指数迅速下降，培养液颜色也快速由粉红转为黄色；而低密度接种的培养皿变化较慢，在相同时间窗口内未越过警戒阈值。

将数值、颜色与真实细胞联系起来

为确保该指数确实反映了培养皿内的实际情况，研究者在关键时间点将C‑Bell读数与显微镜下的细胞图像进行了比较。当指数保持在60以上时，图像显示细胞分散且有大量空隙，培养液仍呈粉红色。当指数接近50时，细胞层几乎连续，培养液偏橙——这是进行亚传代的理想时刻。一旦指数远低于50，培养液明显变黄且培养皿细胞密集，这与更高的代谢应激相关。在重复实验中，设备产生了低变异性的稳定指数值，表明在所测试条件下可用于日常监测。

改进空间与未来发展

尽管前景可期，当前的C‑Bell系统有明确的局限性。它仅在一种含酚红的培养基和单一肺癌细胞系上进行了测试。不含此类染料的培养基可能不会表现出相同的可见颜色变化，除非采用替代的颜色指示剂，否者该方法的适用性会受限。基于宽谱白光LED和低成本传感器的光学配置在灵敏度与光谱匹配方面也有改进空间，多层塔式设计在真正的大通量场景下的稳定性尚待检验。作者建议未来版本采用更匹配的光源、无线数据连接，并在更多细胞类型和培养基配方上进行验证。

这对日常实验室工作的意义

对非专业人员而言，主要信息很直接：C‑Bell将熟悉的培养皿“粉红到黄色”颜色变化转化为一个连续、客观的时钟，告诉研究人员何时采取措施。通过使用廉价电子元件和简单光学组件，它为小型实验室和早期项目提供了一种便捷的自动化手段来替代细胞培养中最繁琐的部分。如果进一步改进并广泛验证，此类设备有望减少人为错误，解放科研人员不必持续盯着培养皿，并使基于细胞的实验在不同实验室之间更可靠、更具可比性。

引用: Koo, IS., Chang, S.J., Park, N.M. et al. Development of a cell-subculture bell (C-Bell) device using low-cost RGB color sensors. Sci Rep 16, 12130 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38353-6

关键词: 细胞培养监测, 自动化亚传代, 颜色传感器, 低成本生物传感, Arduino设备