CN103149072B - 一种显微观察中维持载物皿温度恒定的加热装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种显微观察中维持载物皿温度恒定的加热装置和相应的加热系统，该加热装置包括：外盖、四个主件、四个内盖、四个铜片、加热电热丝和温度传感器。外盖、四个主件、四个内盖组装在一起，四个铜片、加热电热丝和温度传感器设置在主件的内壁表面上。铜片和加热电热丝用于对放置在内盖形成的容置空间中的载物皿进行加热，温度传感器用于测量内盖外筒壁面的温度。本发明同时还公开了一种维持载物皿温度恒定的加热系统。本发明采用四周加热，从而大大减少了加热装置的高度，显微观察时可使用普通物镜；主件选用绝热材料加工，降低了装置外壁的温度，确保载物台的安全；同时还具有操作简便、加热快速、精度高的优点。

Description

一种显微观察中维持载物皿温度恒定的加热装置和系统

技术领域

本发明属于分析测试仪器领域，尤其涉及一种显微观察中维持载物皿温度恒定的加热装置和系统。

背景技术

在生物、化学类科研过程中，经常需要通过显微镜实时、在线地观察样品在不同温度下的微观光学特征。现有技术中对样品离线加热的装置很多，如传统的水浴、电热套、恒温箱等，但这些装置均不能用于通过显微镜来实时、在线地观察样品。INSTEC公司生产的专用于显微镜的变温装置，可实现温度从零下70度到250度的连续变化，但其操作复杂，设备昂贵，一般实验室承受不起。并且，该变温装置鉴于其自身的设计，有一个最大的不足：显微镜只可以用长工作距离物镜观察，一般物镜的工作距离不足以观察到样品。物镜倍数越高，工作距离越短，对于100倍的物镜，即使是长工作距离物镜也无法利用此变温装置找到样品。因此，这极大地限制了此变温装置的广泛使用。Tokai Hit公司生产了一种CO₂孵育装置，用来将生物样品如细胞等维持在37℃，CO₂含量保持在5％，湿度保持在90％。这种装置非常适合做生物样品，但价格也很昂贵，操作复杂。最重要的是此装置需要有合适的载物台匹配，并不适合所有的光学显微镜。而且，对于化学样品来说，也不需要精确控制CO₂含量和湿度。另外，国产的加热装置主要是对样品的圆型托盘进行加热。这样虽然可以实现直接加热，但是由于圆形样品托盘直接与载物台连接，而载物台的材质一般都是塑料，不能承受高温。因此，长时间使用会有损载物台，进而影响载物台与样品托盘的连接。

因此，本发明的目的是提供一种可使用普通物镜、对载物台安全，并可广泛应用于普通光学显微镜的维持载物皿温度恒定的加热装置和系统。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供一种显微观察中维持载物皿(如confocal细胞培养皿)温度恒定的加热装置和系统，以在显微观察时，可以实时地、在线地控制载物皿的温度。本发明精巧简单、操作方便、反应快速，能有效地配合显微镜的工作。

根据本发明的一方面，提供一种显微观察中维持载物皿温度恒定的加热装置，其特征在于，该加热装置包括：外盖2、四个主件3、四个内盖4、四个铜片6、加热电热丝7和温度传感器8，其中：

所述四个主件3为四个完全相同的凹形四分之一圆环，这四个主件3组合起来构成所述加热装置的加热体壳；每一主件3的内壁表面设有一凹形槽，所述凹形槽中放置有同样形状及尺寸的铜片6；

所述四个内盖4为切面为形的具有一外沿的四分之一圆筒，其材质为导热性能良好的导热体，每一内盖4的外筒壁面5与一主件3的内壁面相贴合，每一内盖4的外沿搭在相应主件3的上表面上，用于固定所述铜片6，防止铜片6滑落；

所述四个内盖4组合在一起后，其内部形成一容置空间，用于盛放载物皿；

放置在每一主件3凹形槽中的铜片6的周围缠绕有加热电热丝7，所述加热电热丝7里面还插有温度传感器8；所述温度传感器8通过加热电热丝7与所述内盖4的外筒壁面5紧贴；所述加热电热丝7用于对所述载物皿进行加热；所述温度传感器8用于测量所述内盖4外筒壁面5的温度，所述内盖4外筒壁面5的温度与所述载物皿侧壁的温度相同；

所述外盖2为呈倒凹形的圆筒，其与所述主件3相契合，并盖住所述内盖4的外沿，以整合所述主件3和所述内盖4。

根据本发明的另一方面，还提供一种显微观察中维持载物皿温度恒定的加热系统，其特征在于，该加热系统包括：根据权利要求1-5中任一项所述的加热装置、信号处理模块和控制模块，其中

所述维持载物皿温度恒定的加热装置中的温度传感器8用于测量得到放置在内盖4形成的容置空间内的载物皿侧壁的温度，并将测量得到的温度信号发送给与其连接的信号处理模块；

所述信号处理模块对所述温度信号进行信号处理后通过接口传输到所述控制模块；

所述控制模块根据接收到的经过信号处理的温度信号产生一响应于所述温度信号的温度控制指令，并将所述温度控制指令通过所述接口返回到所述信号处理模块；

所述信号处理模块根据收到的所述温度控制指令实时调节所述加热装置中的加热电热丝7的加热功率。

本发明能够简化加热程序，由于采用四周加热的技术方案，从而大大减少了加热装置的高度，使得可以在显微镜上使用普通物镜观察；本发明加热装置的主件选用绝热材料，从而降低了加热装置的外壁温度，确保载物台的安全；本发明的加热系统采用USB接口控制，操作简便、加热快速、精度高。

附图说明

图1是本发明加热装置的装配图；

图2是本发明加热装置的整体剖视图；

图3是本发明加热系统的结构图；

图4是本发明加热系统控制模块的温度控制流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

根据本发明的一方面，提出一种显微观察中维持载物皿温度恒定的加热装置，图1是本发明加热装置的装配图，图2是本发明加热装置的整体剖视图。如图1和图2所示，该加热装置包括：外盖2、四个主件3、四个内盖4、四个铜片6、加热电热丝7和温度传感器8，其中：

所述四个主件3为四个完全相同的凹形四分之一圆环，这四个主件3组合起来构成本发明加热装置的加热体壳，以确保本发明加热装置加热均匀，紧固方便；

每一主件3的内壁表面设有一凹形槽，所述主件3凹形槽中放置有同样形状及尺寸的铜片6，所述四个主件3组合起来后，所述凹形槽能够首尾相接，形成一个完整的圆形凹形槽；

所述四个内盖4为切面为形的具有一外沿的四分之一圆筒，其材质为导热性能良好的导热体，每一内盖4的外筒壁面5与一主件3的内壁面相贴合，每一内盖4的外沿搭在相应主件3的上表面上，用于固定所述铜片6，防止铜片6滑落；所述四个内盖4组合在一起后，其内部形成一容置空间，用于盛放载物皿如confocal皿；

放置在每一主件3凹形槽中的铜片6的周围缠绕有加热电热丝7，所述加热电热丝7通过电流使其发热；所述加热电热丝7里面还插有温度传感器8；所述温度传感器8通过加热电热丝7与所述内盖4的外筒壁面5紧贴，以确保其所测得的温度与所述内盖4的外筒壁面5的真实温度最大限度地接近。所述加热电热丝7用于对放置在所述内盖4形成的容置空间内的载物皿进行加热；所述温度传感器8比如可以为热电阻(比如铂电阻)，其用于测量所述内盖4外筒壁面5的温度，由于所述内盖4的外筒壁面5与所述载物皿的侧壁紧贴，因此，可认为所述内盖4外筒壁面5的温度与所述载物皿侧壁的温度相同。

所述外盖2为呈倒凹形的圆筒，其与所述主件3相契合，并盖住所述内盖4的外沿，以整合所述主件3和所述内盖4；

所述主件3靠近外壁且与所述外盖2相互契合的部分、所述外盖2靠近内壁且与所述主件3相互契合的部分均设有缩口锥螺纹，用于对所述主件3和所述外盖2进行紧固，并且当载物皿的尺寸不完全一致时，所述缩口锥螺纹还可对所述主件3和所述外盖2的契合进行微调。

为了进一步对所述主件3、所述内盖4和所述外盖2进行固定，所述加热装置还包括底环1，所述底环1分为均等的两部分，每部分分别环绕在两个主件3的外围，其中，每部分底环1的内环壁面上设有一凹槽，所述主件3侧面与所述底环1的凹槽相应的位置上周向均匀分布有多个孔(在本发明一实施例中为8个孔)，所述凹槽、孔与滚珠、弹簧和堵丝组合成弹性紧固结构，以对所述主件3、所述内盖4和所述外盖2进行紧固和松卸，所述孔还用于引出所述加热电热丝7和所述温度传感器8的外接线，所述加热电热丝7的外接线与所述温度传感器8的外接线均与电源和信号处理模块(下文中有描述)连接。

所述主件3选用导热性差的绝热体(比如聚四氟乙烯等)，这样就可以减少热量损失，加速热量向载物皿的传递，降低所述加热装置外壁的温度，确保载物台的安全；所述外盖2和底环1选用易于加工的材料(比如不锈钢等)。

根据本发明的另一方面，还提出一种维持载物皿温度恒定的加热系统，如图3所示，该加热系统包括：所述维持载物皿温度恒定的加热装置、信号处理模块和控制模块，其中，

所述维持载物皿温度恒定的加热装置中的温度传感器8用于测量得到放置在所述内盖4形成的容置空间内的载物皿侧壁的温度，并将测量得到的温度信号发送给与其连接的信号处理模块；该温度信号经过所述信号处理模块的信号处理后通过接口(比如USB接口)传输到所述控制模块，

以产生响应于所述温度信号的温度控制指令，其中，所述信号处理包括信号放大和/或A\D转换等处理；所述温度控制指令通过接口返回到所述信号处理模块，所述信号处理模块根据收到的温度控制指令实时调节所述加热装置的加热功率，即调节所述加热装置中的加热电热丝7的加热功率。

本发明通过上述快速反馈调节和控制的过程，使得能够维持载物皿的温度恒定。

在所述控制模块中，响应于所述温度信号而产生温度控制指令的过程具体包括(如图4所示)：

采集环境温度t^∞等于作为所述内盖外筒壁面5温度t′的初始值，手动输入温度设定值t作为载物皿中心的温度；

判断t＞t^∞是否成立，若成立，说明需要对载物皿进行加热，则根据公式Δt＝t+δ(t，t^∞)-t′得到温度差Δt，在已知环境温度t^∞、温度设定值t、内盖外筒壁面5温度t′、加热电热丝的热导率及尺寸的情况下，根据热力学原理，得到此时的目标加热功率值P(Δt)，其中，P(Δt)为优化后的加热功率函数，δ(t，t^∞)为所述内盖外筒壁面5温度t′与载物皿中心温度t的差值函数，该差值函数与温度设定值t、环境温度t^∞之间存在一定的函数关系：该差值函数随温度设定值t与环境温度t^∞的变化而变化，在温度设定值t和环境温度t^∞一定时，所述内盖外筒壁面5的温度t′和载物皿中心温度的差值δ(t，t^∞)恒定；

将携带有所述目标加热功率值P(Δt)的温度控制指令传送给所述加热电热丝7；

所述加热电热丝7根据接收到的所述目标加热功率值P(Δt)进行加热；

同时，所述温度传感器8实时采集所述内盖外筒壁面5的温度t′，根据所述温度传感器8反馈的所述内盖外筒壁面5的温度值t′，判断下式|Δt|＝|t+δ(t，t^∞)-t′|＜ε是否成立，其中，ε为精度，通常设为0.5℃；若|Δt|＜ε成立，说明加热电热丝7的加热已达到要求，则根据Δt重新计算目标加热功率值P(Δt)，以实现恒温；若|Δt|＜ε不成立，则说明所述内盖外筒壁面5的温度过低或过高，继而判断Δt＝t+δ(t，t^∞)-t′＞0是否成立，若Δt＜0时，说明所述内盖外筒壁面5的温度值t′高于设定值，则令目标加热功率值P＝P(Δt)-ΔP(Δt)，以减少加热功率；若Δt＞0时，说明所述内盖外筒壁面5的温度低于设定值，则令目标加热功率值P＝P(Δt)+ΔP(Δt)，以增加加热功率，其中，ΔP(Δt)为根据温度差Δt优化制定的得到的功率增量函数，对于该功率增量函数，在已知环境温度t^∞、温度设定值t、内盖外筒壁面5温度t′、加热电热丝的热导率及尺寸的情况下，功率增量值ΔP(Δt)为一定值。

重复上述对于所述内盖外筒壁面5的测量温度值t′的判断，最终保证将所述内盖外筒壁面5的温度控制在设定值的精度范围内。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种显微观察中维持载物皿温度恒定的加热装置，其特征在于，该加热装置包括：外盖(2)、四个主件(3)、四个内盖(4)、四个铜片(6)、加热电热丝(7)和温度传感器(8)，其中：

所述四个主件(3)为四个完全相同的凹形四分之一圆环，这四个主件(3)组合起来构成所述加热装置的加热体壳；每一主件(3)的内壁表面设有一凹形槽，所述凹形槽中放置有同样形状及尺寸的铜片(6)；

所述四个内盖(4)为切面为“┓”形的具有一外沿的四分之一圆筒，其材质为导热性能良好的导热体，每一内盖(4)的外筒壁面(5)与一主件(3)的内壁面相贴合，每一内盖(4)的外沿搭在相应主件(3)的上表面上，用于固定所述铜片(6)，防止铜片(6)滑落；

所述四个内盖(4)组合在一起后，其内部形成一容置空间，用于盛放载物皿；

放置在每一主件(3)凹形槽中的铜片(6)的周围缠绕有加热电热丝(7)，所述加热电热丝(7)里面还插有温度传感器(8)；所述温度传感器(8)通过加热电热丝(7)与所述内盖(4)的外筒壁面(5)紧贴；所述加热电热丝(7)用于对所述载物皿进行加热；所述温度传感器(8)用于测量所述内盖(4)外筒壁面(5)的温度，所述内盖(4)外筒壁面(5)的温度与所述载物皿侧壁的温度相同；

所述外盖(2)为呈倒凹形的圆筒，其与所述主件(3)相契合，并盖住所述内盖(4)的外沿，以整合所述主件(3)和所述内盖(4)。

2.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述温度传感器(8)为热电阻。

3.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述主件(3)靠近外壁且与所述外盖(2)相互契合的部分、所述外盖(2)靠近内壁且与所述主件(3)相互契合的部分均设有缩口锥螺纹，用于对所述主件(3)和所述外盖(2)进行紧固，对于尺寸不完全一致的载物皿，所述主件(3)和所述外盖(2)的契合可通过缩口锥螺纹进行微调。

4.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述加热装置还包括底环(1)，所述底环(1)分为均等的两部分，每部分分别环绕在两个主件(3)的外围，其中，每部分底环(1)的内环壁面上设有一凹槽，所述主件(3)侧面且与所述底环(1)的凹槽相应的位置上，周向均匀分布有多个孔，所述凹槽、孔与滚珠、弹簧和堵丝组合成弹性紧固结构，以对所述主件(3)、所述内盖(4)和所述外盖(2)进行紧固和松卸，所述孔还用于引出所述加热电热丝(7)和所述温度传感器(8)的外接线。

5.根据权利要求4所述的加热装置，其特征在于，所述主件(3)选用导热性差的绝热体，所述外盖(2)和底环(1)选用易于加工的材料。

6.一种显微观察中维持载物皿温度恒定的加热系统，其特征在于，该加热系统包括：根据权利要求1-5中任一项所述的加热装置、信号处理模块和控制模块，其中

所述维持载物皿温度恒定的加热装置中的温度传感器(8)用于测量得到放置在内盖(4)形成的容置空间内的载物皿侧壁的温度，并将测量得到的温度信号发送给与其连接的信号处理模块；

所述信号处理模块对所述温度信号进行信号处理后通过接口传输到所述控制模块；

所述控制模块根据接收到的经过信号处理的温度信号产生一响应于所述温度信号的温度控制指令，并将所述温度控制指令通过所述接口返回到所述信号处理模块；

所述信号处理模块根据收到的所述温度控制指令实时调节所述加热装置中的加热电热丝(7)的加热功率。

7.根据权利要求6所述的加热系统，其特征在于，所述信号处理包括信号放大和/或A\D转换。

8.根据权利要求6所述的加热系统，其特征在于，所述控制模块中，根据接收到的经过信号处理的温度信号产生一响应于所述温度信号的温度控制指令的过程进一步包括：

采集环境温度t^∞作为所述加热装置的内盖外筒壁面(5)温度t′的初始值，手动输入温度设定值t作为载物皿中心的温度；

判断t＞t^∞是否成立，若成立，则根据公式Δt＝t+δ(t，t^∞)-t′得到温度差Δt，其中，δ(t，t^∞)为所述内盖外筒壁面(5)温度t′与载物皿中心温度的差值函数；

在已知环境温度t^∞、温度设定值t、内盖外筒壁面(5)温度t′、加热电热丝的热导率及尺寸的情况下，得到此时的目标加热功率值P(Δt)；

将携带有所述目标加热功率值P(Δt)的温度控制指令传送给所述加热装置的加热电热丝(7)；

所述加热电热丝(7)根据接收到的所述目标加热功率值P(Δt)进行加热，同时，所述加热装置的温度传感器(8)实时采集所述内盖外筒壁面(5)的温度t′；

根据所述温度传感器(8)反馈的所述内盖外筒壁面(5)的温度值t′，判断下式|Δt|＝|t+δ(t，t^∞)-t′|＜ε是否成立，其中，ε为精度；若成立，说明加热电热丝(7)的加热已达到要求，则根据Δt重新计算目标加热功率值P(Δt)，以实现恒温；若不成立，则说明所述内盖外筒壁面(5)的温度过低或过高，继而判断Δt＝t+δ(t，t^∞)-t′＞0是否成立，若Δt＜0，说明所述内盖外筒壁面(5)的温度值t′高于设定值，则令目标加热功率值P＝P(Δt)-ΔP(Δt)，以减少加热功率；若Δt＞0，说明所述内盖外筒壁面(5)的温度低于设定值，则令目标加热功率值P＝P(Δt)+ΔP(Δt)，以增加加热功率，其中，ΔP(Δt)为根据温度差Δt得到的功率增量函数。

9.根据权利要求6所述的加热系统，其特征在于，在所述温度设定值t和所述环境温度t^∞一定时，所述内盖外筒壁面(5)的温度t′和载物皿中心温度的差值δ(t，t^∞)恒定。

10.根据权利要求8所述的加热系统，其特征在于，对于该功率增量函数，在已知环境温度t^∞、温度设定值t、内盖外筒壁面(5)温度t′、加热电热丝的热导率及尺寸的情况下，功率增量值ΔP(Δt)为一定值。