CN101158520B - 生物材料低温保存装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物材料的低温保存装置，包括保温箱体，样品冷冻腔，自动置核装置和温度测控装置，保温箱体中间放置样品冷冻腔，样品冷冻腔外面设有电热丝，内表面装有测温用的热电偶，其外侧两端分别设有半导体制冷装置，自动置核装置置于半导体制冷装置的制冷片上面，热电偶的热电信号经过温度控制装置后对半导体制冷装置、自动置核装置与电热丝进行控制。该装置具备有独立的制冷源、自动置核装置与有效的复温控制装置，能解决各种生物样品的降温和复温控制技术问题，具有样品温度的均匀性高、可控低温范围宽、控温精确、响应速度快、携带方便、造价低廉、操作简单等特点，可广泛用于各种生物材料低温保存的程序降温与复温。

Description

生物材料低温保存装置

技术领域

本发明涉及一种低温保存装置，尤其是一种采用半导体制冷的生物样品程控冷冻装置。

背景技术

低温生物学是一门新兴的交叉学科，具有重要的学术价值和应用前景，此方面目前发展最快、影响最大的就是生物材料，尤其是细胞和组织的低温保存。低温能抑制生物体的生化活动，举例来说，若生物体在4℃环境下能存活2小时，那么按理论，它在-40℃下能保存数日，在-80℃下可保存数月，而在-196℃(液氮的正常沸点)下可望保存几个世纪。但是，不恰当的冷冻过程，不但不能起到保护作用，其结果可能是造成目标组织的死亡。要成功的保存不同的生物材料，必须采用不同的降温方法，一些复杂的细胞还要求降温程序分成多段进行。要实现复杂的降温程序，必须要有专门的冷冻装置，目前使用较多的就是程序降温仪。程序降温仪大致可分为两类，液氮喷射式降温仪和升降式降温仪，各有不同的优缺点。液氮喷射式降温仪结构复杂、价格昂贵，其低温电磁阀在低温状况下容易结霜，造成阀门关闭不严，或无法动作等情况。升降式降温仪虽然结构简单，但是由于降温和复温是液氮容器颈管内气相区中的温度梯度进行的，所以样品的温度响应速度较慢，并且降温时难以控制样品温度的均匀性。上述两种降温仪，均需液氮为低温冷源，不仅运行成本高，且体积庞大，携带不便，在草原、牧场等野外场所使用尤感困难。

在低温保存的操作中，常采取“置核”(或称“种核”，Seeding)的措施，具体做法是将比样品温度低很多的物体轻轻接触样品的表面或容器的表面，以求在局部点上形成大的过冷度，形成晶核，以降低整体样品的过冷度，这对于提高细胞或生物组织的存活率是非常有用的。一般的降温仪没有置核装置，或采用手工置核的方法，这样不仅操作不便，且不能掌握置核的正确时机。

发明内容

本发明是要提供一种生物材料的低温保存装置，并且解决了生物材料降温时的自动置核和复温控制的技术问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种生物材料的低温保存装置，包括保温箱体，样品冷冻腔，保温箱体中间放置样品冷冻腔，样品冷冻腔腔体上设有电热丝，内表面装有测温用的热电偶，样品冷冻腔外侧两端分别设有半导体制冷装置，其特点是：该生物材料低温保存装置还包括自动置核装置和温度测控装置，自动置核装置置于半导体制冷装置的制冷片上面，自动置核装置、电热丝、热电偶分别与温度测控装置相连接，热电偶的热电信号经过温度控制装置后对半导体制冷装置、自动置核装置与电热丝进行控制。

样品冷冻腔前面设有冷冻腔门，后面开有多个置核孔，并装有引导板，其余四个平行面内均装有电热丝。

自动置核装置由置核针，连接轴，弹簧，连接杆，固定销，导轨，电磁铁等组成，置核针由易导热金属制作而成，并通过连接轴、弹簧与连接杆连接，连接杆的另一端通过连接轴、弹簧与半导体制冷装置连接，置核针与连接杆均由固定销固定在半导体制冷装置的冷端且与其紧密相贴，固定销穿过导轨与电磁铁相对，导轨固定在半导体制冷装置上。

温度控制装置由放大器、A/D转换器、微机、D/A转换器、电流驱动器组成，热电偶的引出线连接到集线盒上，再由集线盒依次与放大器、A/D转换器、微机连接；热电偶的热电信号经过放大器、A/D转换器输入微机，微机采集到温度信号并与设定的降温程序进行比较处理后，输出控制信号，经D/A转换器、电流驱动器对样品冷冻腔腔体上设置的电热丝、半导体制冷器、自动置核装置进行控制。

半导体制冷装置由多片半导体制冷片串联而成；样品冷冻腔的各个面均装有热电偶；保温箱体由保温材料制成，内表面为高反射率的金属材料，可反射热量保持箱内温度的均匀一致。

本发明的有益效果是：

1.由于直接由固体金属将冷量或热量转递给样品，强化了传热，减小了传热热阻；

2.自动置核装置，可以在样品达到某一特定温度时，对样品进行置核，提高样品低温保存的存活率；

3.可控低温范围宽，响应速度快，可精确快速控制样品温度升降；

4.升降温时样品的温度均匀性高，有利于提高细胞的存活率；

5.不需要液氮等附加冷源，具有独立的低温冷源；

6.有效的复温控制装置，无须将样品拿出可直接在该装置中进行快速复温或程序复温；

7.操作方便，用户将需要低温保存的样品直接放入该装置中，就可自动进行程序降温、置核、复温等低温保存程序；

8.携带方便，便于在野外进行操作；

9.结构简单、装置小巧、造价低廉。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是自动置核装置的结构立体示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明加以详细说明。

本发明中的样品冷冻腔2可以从保温箱体4中移出，并可以根据形状的不同定制不同形状的冷冻腔。

本实例以长方形冷冻腔为例：

如图1所示，本发明的小型的生物材料低温保存装置，包括半导体制冷装置1、样品冷冻腔2、电热丝21、冷冻腔门22、置核孔23、引导板24、自动置核装置3、保温箱体4、保温箱门41、集线盒5、散热片6、热电偶7、放大器8、A/D转换器9、微机10、D/A转换器11和电流驱动器12。

保温箱体4中间方置样品冷冻腔2，样品冷冻腔2外面设有电热丝21，内腔中装有热电偶71，其外侧两端分别设有半导体制冷装置。半导体制冷装置1由多片半导体制冷片串联而成(串联级数越多制冷效果越好，目前最大可达到八级)，直流电通过时，半导体制冷片两端可分别吸收热量和放出热量，需要复温时改变直流电极性，又能达到制热的效果；样品冷冻腔2由导热性能强的金属材料制成，冷冻腔2的一面可打开放置样品，另一面开有多个置核孔23，置核时置核小针可通过置核孔23进入冷冻腔对样品进行置核，其余四个平行面均预埋有电热丝21，通过对电热丝21的控制可保持冷冻腔温度的一致性，亦可以起到辅助控制温度的作用。

如图2所示，自动置核装置3由置核针31、连接轴32、弹簧33、连接杆34、固定销35、导轨36、电磁铁37等组成，置核针31用铜等易导热金属制作由连接轴32、弹簧33与连接杆34连接，连接杆的另一端由连接轴32、弹簧33与半导体制冷装置1连接，置核针31与连接杆34均由固定销35固定在半导体制冷装置1的冷端且紧密相贴，固定销35穿过导轨36与电磁铁37相对，导轨36固定在半导体制冷装置1上。

如图1所示，温度控制装置50由放大器8、A/D转换器9、微机10、D/A转换器11、电流驱动器12组成。热电偶7的多根引出线连接到集线盒5上，再由集线盒5依次与放大器8、A/D转换器9、微机10连接。将样品放入样品冷冻腔2内。冷冻腔各个面热电偶7传出的信号，经放大器8和A/D转换器转换9为数字信号后，由微机10处理并与预设的降温程序比较后，经D/A转换器11，由电流驱动器12决定半导体制冷装置1的冷冻功率，当冷冻腔各个面温度有差别时，样品冷冻腔2腔体上设置的电热丝21通电加热，使各个面的温度达到一致。当进行极慢速冷冻时，如对鱼胚胎细胞进行低温保存时，降温速率将小于0.1℃/s，通过电流驱动器12控制电热丝21的加热功率，抵消部分半导体制冷装置1的制冷量，达到使样品均匀的、极慢速降温的目的。

如某些样品的低温保存需要采取“置核”措施，通过微机10预先设定“置核”温度，当样品温度达到“置核”温度时，微机10发出指令控制电流驱动器12使电磁铁37通电，吸合固定销35，置核针31、连接轴32分别在弹簧33的作用下，先后弹出，在引导板24的引导下插入置核孔23，由于紧贴制冷器冷端的置核针31温度很低，通常可比样品温度低几十度，与样品表面接触可以起到局部点上形成大的过冷度，形成晶核的“置核”作用。

当对样品进行快速复温是，只须使半导体制冷装置1的直流电通电方向与制冷时相反，制冷器的冷热端就会发生改变，起到加热的作用，同时将电热丝21通电，调控电加热丝功率，可以快速将样品复温。如样品需要程序复温，可以通过微机10设定复温程序，关闭半导体制冷装置1，由电流驱动器12控制电热丝的加热功率，实现样品的精确程序复温。

本发明具有样品温度的均匀性高，具备有独立的制冷源，具备有效复温控制装置和自动置核装置，可控低温范围宽、响应速度快、控温精度高、小巧、造价低廉、操作简单，携带方便尤其便于在野外进行作业等特点。可广泛用于各种生物材料低温保存的程序降温与复温。

Claims (7)

1.一种生物材料的低温保存装置，包括保温箱体(4)，样品冷冻腔(2)，保温箱体(4)中间放置样品冷冻腔(2)，样品冷冻腔(2)腔体上设有电热丝(21)，内表面装有测温用的热电偶(7)，样品冷冻腔(2)外侧两端分别设有半导体制冷装置(1)，其特征在于，该生物材料低温保存装置还包括自动置核装置(3)和温度测控装置(50)，所述自动置核装置(3)置于半导体制冷装置(1)的制冷片上面，所述自动置核装置(3)、电热丝(21)、热电偶(7)分别与温度测控装置(50)相连接，所述热电偶(7)的热电信号经过温度控制装置(50)后对半导体制冷装置(1)、自动置核装置(3)与电热丝(21)进行控制。

2.根据权利要求1所述的生物材料的低温保存装置，其特征在于，所述样品冷冻腔(2)前面设有冷冻腔门(22)，后面开有多个置核孔(23)，并装有引导板(24)，其余四个平行面内均装有电热丝(21)。

3.根据权利要求1所述的生物材料的低温保存装置，其特征在于，所述自动置核装置(3)由置核针(31)、连接轴(32)、弹簧(33)、连接杆(34)、固定销(35)、导轨(36)、电磁铁(37)组成，其中，置核针(31)由易导热金属制作而成，并通过连接轴(32)、弹簧(33)与连接杆(34)连接，连接杆(34)的另一端通过连接轴(32)、弹簧(33)与半导体制冷装置(1)连接，置核针(31)与连接杆(34)均由固定销(35)固定在半导体制冷装置(1)的冷端且紧密相贴，固定销(35)穿过导轨(36)与电磁铁(37)相对，且导轨(36)固定在半导体制冷装置(1)上。

4.根据权利要求1所述的生物材料的低温保存装置，其特征在于，所述温度控制装置(50)由放大器(8)、A/D转换器(9)、微机(10)、D/A转换器(11)、电流驱动器(12)组成，其中，热电偶(7)的引出线连接到集线盒(5)上，再由集线盒(5)依次与放大器(8)、A/D转换器(9)、微机(10)连接；热电偶(7)的热电信号经过放大器(8)、A/D转换器(9)输入微机(10)，微机(10)采集到温度信号并与设定的降温程序进行比较处理后，输出控制信号，经D/A转换器(9)、电流驱动器(12)对样品冷冻腔(2)腔体上设置的电热丝(21)、半导体制冷器(1)、自动置核装置(3)进行控制。

5.根据权利要求1所述的低温保存装置，其特征在于，所述半导体制冷装置由多片半导体制冷片串联而成。

6.根据权利要求1所述的低温保存装置，其特征在于，所述样品冷冻腔(2)的各个面均装有热电偶(7)。

7.根据权利要求1所述的低温保存装置，其特征在于，所述保温箱体(4)由保温材料制成，内表面为高反射率的金属材料，用于反射热量保持保温箱内温度的均匀一致。

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