CN101551513B - 使用脉管制冷的低温生物显微系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用脉管制冷的低温生物显微系统，包括倒置式光学显微镜、冷热量供给装置、低温载物台、控制系统，冷热量供给装置由脉管制冷器、调温电加热器和稳压调温室组成，给低温载物台提供足够的冷量，控制系统包括压力控制系统和温度测控系统两部分，压力控制系统控制进出脉管氮气的频率，温度测控系统稳压调温室和低温载物台中的控制调温电加热的加热功率。该系统具有独立的低温冷源，防止低温结霜功能，具有结构简单、装置小巧、操作方便的特点，能解决直接观察生物材料复温过程时形态变化的技术问题，可广泛用于生物材料和食品材料的低温保存研究领域。

Description

使用脉管制冷的低温生物显微系统

技术领域

本发明涉及生物材料的低温研究系统，特别涉及一种使用脉管制冷的低温生物显微系统。

背景技术

生物材料在进行低温保存时，容易受到冰晶损伤、溶质损伤等因素的影响，处理不当会导致生物材料回收率降低，甚至可能引发低温保存失败的严重后果。直接观察生物样品在冷冻和复温过程中的形态变化，有利于优化冻存程序，降低冻存过程中不利因素对生物样品的影响，提高冻存成功率。在食品速冻加工领域，以冰激凌的加工为例：冻结速率的快慢将会使冰晶的大小和分布发生变化，不仅改变了食品的外观和口味，也可能影响到食品的保存。因此也有必要对食品冷冻过程中冰晶的形成和生长过程进行观察。

低温显微镜可以在微观尺寸上动态地、直观地研究生物材料在低温下的发生过程。目前，低温显微镜一般采用液氮为制冷源，通过直接将液氮喷入显微镜的低温载物台，控制样品的降温速率。喷入载物台液氮的流量不易控制，难以实现对样品的精确控温，并且控制液氮流量的低温电磁阀价格昂贵，极易损坏。也有部分低温显微镜采用在低温载物台镀电加热膜的方法，提高控温的稳定性，但是这一做法也存在一定的缺陷。由于载物台与镀膜的热膨胀系数不同，镀膜容易脱落，载物台的使用寿命不高；并且采用两套系统控制样品温度，加大了控制系统的设计难度与制造成本。

发明内容

本发明是针对现在存在的问题，提出了一种使用脉管制冷的低温生物显微系统，自带制冷源，控温精度高，可直接观察生物材料复温过程时形态变化。

本发明的技术方案为：一种使用脉管制冷的低温生物显微系统，包括倒置式光学显微镜、冷热量供给装置、低温载物台和控制系统，冷热量供给装置包括高压氮气瓶、减压稳压阀、蓄冷器、热端冷却器、脉管、导流器、冷端换热器、调温电加热器、稳压调温室，控制系统包括高压进气阀、低压排气阀、电磁阀控制器、热电偶、数据采集模块、调温电流驱动器、电流驱动器、调温D/A转换器、D/A转换器和微机，高压氮气瓶产生的高压氮气依次经减压稳压阀、高压进气阀、蓄冷器、冷端换热器、导流器以层流流动形式进入脉管，脉管中的热量与冷却器进行冷热交换，蓄冷器连接高压进气阀端同时连接低压排气阀，将蓄冷器中冷量通过低压排气阀进入稳压调温室，稳压调温室提供冷量给低温载物台，低温载物台内装热电偶，热电偶测得的热电信号经过数据采集模块输入微机，微机对温度信号进行处理后，输出两路控制信号，一路经调温D/A转换器、调温电流驱动器对稳压调温室内调温电加热器进行控制，一路经过D/A转换器、电流驱动器对低温载物台出口电加热进行控制，同时微机控制高压进气阀、低压排气阀的开关，倒置式光学显微镜位于低温载物台正下方。

所述低温载物台包括电加热器、观察镜和绝热外壳，低温载物台的绝热外壳的中间有上下两块对称观察镜，绝热外壳左边有进气孔，在两块观察镜的右边有两个导流口，导流口旁边有两个电加热器。所述观察镜由双层中空玻璃制成。

本发明的有益效果在于：本发明使用脉管制冷的低温生物显微系统具有独立的低温冷源，具有结构简单、装置小巧、操作方便等特点，能广泛应用于生物材料和食品材料的低温保存研究领域。

附图说明

图1为本发明使用脉管制冷的低温生物显微系统结构示意图；

图2为本发明使用脉管制冷的低温生物显微系统中低温载物台的剖面示意图。

具体实施方式

如图1所示结构示意图，使用脉管制冷的低温生物显微系统，包括倒置式光学显微镜14、冷热量供给装置、低温载物台12和控制系统，冷热量供给装置包括高压氮气瓶1、减压稳压阀2、蓄冷器5、热端冷却器6、脉管7、导流器8、冷端换热器9、调温电加热器10、稳压调温室11，控制系统包括高压进气阀3、低压排气阀4、电磁阀控制器21、热电偶13、数据采集模块15、调温电流驱动器16、电流驱动器17、调温D/A转换器18、D/A转换器19、微机20，倒置式光学显微镜14位于低温载物台12的正下方，可直接观察生物材料复温过程时形态变化，高压氮气瓶1产生的高压氮气经减压稳压阀2、高压进气阀3、蓄冷器5、冷端换热器9、导流器8以层流流动形式进入脉管7使管内的压力升高，温度上升，同时热端冷却器6将热量带走，使管内气体温度和压力稍有降低，此时关闭高压进气阀3，打开低压排气阀4，脉管内气体绝热膨胀获得低温，气体经导流器8、冷端换热器9、蓄冷器5进入稳压调温室11，其中蓄冷器5的作用是积累上一次循环所得的冷量，并传递给下一次循环流入气体而使脉管7冷端温度逐渐下降，重复上述的循环可以使进入稳压调温室11的氮气获得很低的温度，为低温载物台12提供所需的制冷量。系统的制冷量与进出脉管7氮气的频率有关，为了控制进出脉管7氮气的频率，微机20通过电磁阀控制器21控制高压进气阀3与低压排气阀4的打开和闭合控制。为了使低温载物台12内样品按一定的程序降复温，热电偶13测得的热电信号经过数据采集模块15输入微机20，微机采集到温度信号并与设定的程序进行比较处理后，输出控制信号，经调温D/A转换器18、调温电流驱动器16对稳压调温室内调温电加热器10进行控制，在稳压调温室11内加热已被脉管制冷机冷却的氮气，控制进入低温载物台12的氮气温度。

如图2所示低温载物台的剖面示意图，低温载物台12由电加热器22、观察镜23、绝热外壳24组成。上下两块对称的观察镜23由双层中空玻璃制成，便于光线的通过进入倒置式光学显微镜14，同时双层中空玻璃结构有利于绝热，降低了观察镜23外表面结露与结霜现象发生的可能性。低温载物台12的绝热外壳24由保温材料制成，低温氮气从低温载物台12左侧进气孔25流入，从观察镜23右测上下导流口26流出，这一结构有利于低温载物台12内温度的均温分布，同时使观察镜23外表面形成一层氮气膜，防止了观察镜23外表面结露与结霜现象的发生。当低温载物台12内温度低于一定值后，如图1所示，微机20输出另一路控制信号，经D/A转换器19、电流驱动器17对低温载物台12内电加热器22进行控制，电加热器22位与上下导流口26旁边，防止氮气出口处出现结露与结霜现象。

Claims (3)

1.一种使用脉管制冷的低温生物显微系统，其特征在于，包括倒置式光学显微镜、冷热量供给装置、低温载物台和控制系统，冷热量供给装置包括高压氮气瓶、减压稳压阀、蓄冷器、热端冷却器、脉管、导流器、冷端换热器、调温电加热器、稳压调温室，控制系统包括高压进气阀、低压排气阀、电磁阀控制器、热电偶、数据采集模块、调温电流驱动器、电流驱动器、调温D/A转换器、D/A转换器和微机，高压氮气瓶产生的高压氮气依次经减压稳压阀、高压进气阀、蓄冷器、冷端换热器、导流器以层流流动形式进入脉管，脉管中的热量与热端冷却器进行冷热交换，蓄冷器连接高压进气阀端同时连接低压排气阀，将蓄冷器中冷氮气通过低压排气阀进入稳压调温室，稳压调温室提供冷氮气给低温载物台，低温载物台内装热电偶，热电偶测得的温度信号经过数据采集模块输入微机，微机对温度信号进行处理后，输出两路控制信号，一路经调温D/A转换器、调温电流驱动器对稳压调温室内调温电加热器进行控制，一路经过D/A转换器、电流驱动器对低温载物台内电加热器进行控制，同时微机控制高压进气阀、低压排气阀的开关，倒置式光学显微镜位于低温载物台正下方。

2.根据权利要求1所述使用脉管制冷的低温生物显微系统，其特征在于，所述低温载物台包括电加热器、观察镜和绝热外壳，低温载物台的绝热外壳的中间有上下两块对称观察镜，绝热外壳左边有进气孔，在两块观察镜的右边有两个导流口，导流口旁边有两个电加热器。

3.根据权利要求2所述使用脉管制冷的低温生物显微系统，其特征在于，所述观察镜由双层中空玻璃制成。

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