CN113721357A - 一种用于超声波植冰显微观察的装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超声波植冰显微观察的装置及系统，属于细胞冻存领域，装置包括工作台以及置于工作台上的冷台，其中，冷台上设置有用于放置载玻片的载玻区，载玻区以及工作台上开设有轴向对齐的透光孔；工作台上还设置有用于为冷台提供冷量的冷源部件、用于为冷台提供热量的热源部件、用于检测冷台的温度的测温元件以及用于向冷台施加超声波的超声波振子。本发明结构简单且设计合理，能够方便地对生物组织冻存中的超声波植冰过程进行显微层面的观察。

Description

一种用于超声波植冰显微观察的装置及系统

技术领域

本发明涉及细胞冻存技术领域，特别涉及一种用于超声波植冰显微观察的装置及系统。

背景技术

细胞及组织的低温保存是用于现代再生医学、器官移植和辅助生殖的一项关键技术，受到各方广泛关注。细胞低温保存过程一般是将细胞冷冻到较低的零下温度，以此实现长期保存，但低温保存过程中细胞及组织会受到两种损伤：一是低温保护剂的毒性损伤；二是程序降温在细胞内形成冰晶造成的物理损伤。

目前生物样本库的细胞冷冻均采用程序降温的方法进行，但传统程序降温过程中，溶液温度在低于共晶温度时仍然没有结冰，造成细胞溶液过冷，过冷度较大时会突然成核，导致冰晶较大造成物理损伤。植冰则是在细胞溶液共晶点附近恒温一定时间，然后利用加入冰核、用冷冻的金属触碰冻存管外壁、施加超声波等方法，让胞外溶液首先形成共晶体，共晶体在该温度下的生长过程中，优先结晶稀溶液，造成未结晶保护液浓度上升，由于渗透压的作用，细胞逐渐脱水，可以防止或减少胞内冰的形成，降低物理损伤。研究者发现，在程序降温过程中，采用一定的植冰操作能有效提高细胞的存活率，而由于超声波利用其空化效应可以降低过冷度、提高成核温度，植冰效果明显且操作简便，因此超声波植冰成为植冰方法的主要研究方向，对于生物样本的保存具有积极作用。

出于对超声波植冰的深入研究需要，研究人员开始更多地关心超声波成核机理和它在低温保存过程中对细胞组织的影响，但由于空化气泡的压力及气泡等都处于微观条件下，并且空化气泡变化的过程非常短暂，因此需要搭配显微镜来进行观测。所以能够在微观尺度实时观测超声波植冰就显得十分必要，而目前尚未有一种能够在低温条件下实时连续观测超声波植冰过程中组织细胞显微级变化的观测仪器。

发明内容

针对现有技术存在的显微镜无法对超声波植冰过程进行微管观测的问题，本发明的目的在于提供一种用于超声波植冰显微观察的装置及系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一方面，本发明提供一种用于超声波植冰显微观察的装置，包括工作台以及置于所述工作台上的冷台，其中，所述冷台上设置有用于放置载玻片的载玻区，所述载玻区以及所述工作台上开设有轴向对齐的透光孔；所述工作台上还设置有用于为所述冷台提供冷量的冷源部件、用于为所述冷台提供热量的热源部件、用于检测所述冷台的温度的测温元件以及用于向所述冷台施加超声波的超声波振子。

优选的，所述冷源部件为用于输送冷却液的冷却管，所述热源部件为电热丝。

优选的，所述冷却管以及所述电热丝均设置在所述冷台与所述工作台之间，或者设置在所述冷台的内部。

优选的，所述工作台的表面设置有凹槽，所述冷台置于所述凹槽的槽底。

优选的，所述工作台的侧面设置有连通所述凹槽的进液接头和出液接头，所述冷却管的两端分别连接在所述进液接头和所述出液接头上。

优选的，当所述冷却管设置在所述冷台与所述工作台之间时，所述冷却管半埋在所述凹槽的槽底。

优选的，所述工作台的侧面设置有连通所述凹槽的接孔，所述电热丝或者与所述电热丝电性连接的导线穿设于所述接孔中。

优选的，所述测温元件为温度传感器，所述温度传感器的探头经由所述接孔从所述工作台的外部伸入至所述凹槽内。

优选的，所述超声波振子包括换能器和变幅杆；所述变幅杆呈环状，且环状的所述变幅杆布置在所述冷台的周向外壁外，且所述变幅杆与所述冷台的周向外壁接触。

另一方面，本发明还提供用于一种超声波植冰显微观察的系统，包括显微镜以及如上所述的装置。

采用上述技术方案，由于在冷台上用于放置载玻片的载玻区、载玻片上同于通光的透光孔以及工作台上用于为冷台提供冷量的冷源部件、用于为冷台提供热量的热源部件、用于检测冷台的温度的测温元件、用于向冷台施加超声波的超声波振子的设置，使得将装置放在显微镜的载物台上后，通过冷源部件、热源部件、测温元件的互相配合即可将冷台上载玻片的温度维持在适于进行超声波植冰的温度，再通过超声波振子施加超声波即可实施植冰过程，进而使植冰过程可通过显微镜实施观测。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明去除冷台后的俯视图。

图中:1-工作台、11-凹槽、12-进液接头、13-出液接头、2-冷台、3-冷源部件、4-热源部件、5-测温元件、6-超声波振子、61-换能器、62-变幅杆、7-透光孔、8-接孔管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示对本发明结构的说明，仅是为了便于描述本发明的简便，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

对于本技术方案中的“第一”和“第二”，仅为对相同或相似结构，或者起相似功能的对应结构的称谓区分，不是对这些结构重要性的排列，也没有排序、或比较大小、或其他含义。

另外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个结构内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据本发明的总体思路，联系本方案上下文具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

一种用于超声波植冰显微观察的装置，如图1-3所示，包括工作台1以及置于工作台1上的冷台2，其中，冷台2上设置有用于放置载玻片的载玻区，载玻区以及工作台1上开设有轴向对齐的透光孔7。另外，工作台1上还设置有用于为冷台2提供冷量的冷源部件3、用于为冷台2提供热量的热源部件4、用于检测冷台2的温度的测温元件5以及用于向冷台2施加超声波的超声波振子6。

本实施例中，工作台1优选由绝热材料制造，工作台1配置为矩形状的平板结构以便于在使用时放置在显微镜的载物台上，工作台1的上表面设置有下沉的凹槽11，而上述的冷台2则放置在凹槽11的槽底，并且配置冷台2的厚度适于当冷台2放置在凹槽11内后，冷台2的顶面与工作台1的上表面齐平，另外，优选冷台2由热的良导体制造，例如银制的冷台2。本实施例中，配置冷台2呈圆盘状且其顶面即为载玻区，对应的凹槽11的横截面也配置成圆形，并且在冷台2的轴线以及凹槽11的轴线上开设上述的透光孔7，使用时将冷台2放置在凹槽11的中心处即可使冷台2上的透光孔7与工作台1上的透光孔7轴向对齐，从而使光线能够从工作台1下表面一侧照射到位于冷台2顶面一侧的载玻片上。

本实施例中，冷源部件3配置为用于输送冷却液的冷却管，冷却液优选为液氮，而冷却管则安装在凹槽11内，并且设置冷却管位于冷台2与工作台1之间，即，设置冷却管位于凹槽11的槽底，冷台2在使用时覆盖在冷却管上即可。而本实施例中，进一步在凹槽11的槽底开设用于卡嵌冷却管的卡槽，从而使得冷却管3半埋在凹槽11的槽底上。更进一步的，在工作台1的侧面设置有连通凹槽11的进液接头12和出液接头13，而冷却管的两端则分别连接在进液接头12和出液接头13上，如此设置，一方面保证了装置的顶面的平整和整洁，另一方面也提高了装置的便捷性，使其可随显微镜的载物台移动，使用时只需要将输送液氮的管路上的接头连接到进液接头12和出液接头13上即可。

可以理解的是，为了提高冷源部件3与冷台2之间的接触面积，在一个实施例中，可将上述的冷却管配置为扁平状和/或将冷却管绕成盘状。

本实施例中，配置热源部件4为电热丝，电热丝也设置在冷台2与工作台1之间，即电热丝也是铺设在凹槽11的槽底上，通常电热丝外包裹有导热电绝缘材料。本实施例中，进一步地在工作台1的侧面设置有连通凹槽11的接孔，从而使得电热丝或者与该电热丝电性连接的导线穿设于接孔中。并且进一步的在接孔中套设接孔管8，接孔管8的两端分别向凹槽11内部以及工作台1的外部延伸，从而对电热丝或者导线提供保护。

本实施例中，配置测温元件5为温度传感器，该温度传感器的探头经由上述的接孔(接孔管8)从工作台1的外部伸入至凹槽11内。例如配置为铂电阻温度传感器，其探头与冷台2良好密接，例如在冷台2的侧壁上开设测温孔，温度传感器的探头使用时伸入至该测温孔中，从而获取冷台2内部更为精准的温度信息。

本实施例中，超声波振子6包括换能器61和变幅杆62，变幅杆62优选为环状，且环状的变幅杆62布置在冷台2的周向外壁外。其中，换能器61固定安装在凹槽11的槽底，变幅杆62与换能器61连接，变幅杆62环绕在冷台2的周向侧壁外，其通过刚性材料制造的传导件与冷台2的周向外部相接触，传导件优选有多个并且周向均匀布置，如此即可将超声波传导给冷台2并进一步的传递给载玻片，从而并载玻片中的生物样品进行植冰。而在另一个实施例中，变幅杆62不与冷台2直接接触，此时配置变幅杆62的形状呈环状并且具有焦点，例如从一球面中平行地切除两刀后的环形构造，此时球心即为焦点。使用时，只需要使变幅杆62的焦点对准载玻片即可，超声波即可通过空气传递到载玻片，进而对载玻片中的生物样品进行植冰。

可以理解的是，在另一个实施例中，为了进一步提供冷源部件3与冷台2之间的接触面积，在冷台2内部设置安装孔，而将构成冷源部件3的冷却管穿设在该安装孔内，如此即可使得冷却管周向侧壁的全部面积均能够向冷台2释放冷量，从而提高制冷效果。相应的，也将构成热源部件4的电热丝嵌装在冷台2内，从而提高制热效果。

使用时，将工作台1放置在显微镜的载物台上，将含有生物样品的载玻片放置在冷台2上，将液氮的输送管连接在进液接头12上，将液氮的回流管连接在出液接头13上，并将电热丝连接到电源以及将温度传感器连接到显示或者控制装置上；通过控制液氮的流速以及电热丝的功率，即可控制冷台2的降温速率，达到植冰温度时，通过改变液氮的流速有自己电热丝的功率即可维持植冰温度，启动超声波振子6对生物样品进行植冰操作，此时即可通过显微镜观察植冰过程中的现象。

在另一个实施例中，冷源部件3配置为半导体制冷片，其冷端一侧与冷台2的周向侧壁相接触，其热端一侧朝向凹槽11的侧壁，并且工作台1的侧面开设有与半导体制冷片的热端相对缺口，该缺口用于安装散热器。或者在另一个实施例中，冷源部件3配置为斯特林制冷机，而该斯特林制冷机的制冷头则与冷台2连接。

实施例二

一种用于超声波植冰显微观察的系统，包括显微镜以及上述实施例一公开的装置，其中工作台1放置在显微镜的载物台上。该系统通常还包括显示装置例如显示屏，该显示屏与上述的测温元件5电性连接以显示温度数值。系统还包括与超声波振子6配合使用的超声波发生器，超声波发生器通过导线与市电连接，用于将市电转换成与换能器61相匹配的高频交流电信号从而驱动换能器61工作。该系统还包括用于为冷却管提供液氮的液氮储罐和液氮泵，液氮泵的出口与进液接头12之间连接的输液管上设置有控制阀，以便于调控液氮流量。而电热丝则配置有用于调节其电流大小的电流调节器。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于超声波植冰显微观察的装置，其特征在于：包括工作台以及置于所述工作台上的冷台，其中，所述冷台上设置有用于放置载玻片的载玻区，所述载玻区以及所述工作台上开设有轴向对齐的透光孔；所述工作台上还设置有用于为所述冷台提供冷量的冷源部件、用于为所述冷台提供热量的热源部件、用于检测所述冷台的温度的测温元件以及用于向所述冷台施加超声波的超声波振子。

2.根据权利要求1所述的用于超声波植冰显微观察的装置，其特征在于：所述冷源部件为用于输送冷却液的冷却管，所述热源部件为电热丝。

3.根据权利要求2所述的用于超声波植冰显微观察的装置，其特征在于：所述冷却管以及所述电热丝均设置在所述冷台与所述工作台之间，或者设置在所述冷台的内部。

4.根据权利要求3所述的用于超声波植冰显微观察的装置，其特征在于：所述工作台的表面设置有凹槽，所述冷台置于所述凹槽的槽底。

5.根据权利要求4所述的用于超声波植冰显微观察的装置，其特征在于：所述工作台的侧面设置有连通所述凹槽的进液接头和出液接头，所述冷却管的两端分别连接在所述进液接头和所述出液接头上。

6.根据权利要求4所述的用于超声波植冰显微观察的装置，其特征在于：当所述冷却管设置在所述冷台与所述工作台之间时，所述冷却管半埋在所述凹槽的槽底。

7.根据权利要求4所述的用于超声波植冰显微观察的装置，其特征在于：所述工作台的侧面设置有连通所述凹槽的接孔，所述电热丝或者与所述电热丝电性连接的导线穿设于所述接孔中。

8.根据权利要求7所述的用于超声波植冰显微观察的装置，其特征在于：所述测温元件为温度传感器，所述温度传感器的探头经由所述接孔从所述工作台的外部伸入至所述凹槽内。

9.根据权利要求1所述的用于超声波植冰显微观察的装置，其特征在于：所述超声波振子包括换能器和变幅杆；所述变幅杆呈环状，且环状的所述变幅杆布置在所述冷台的周向外壁外，且所述变幅杆与所述冷台的周向外壁接触。

10.一种用于超声波植冰显微观察的系统，其特征在于：包括显微镜以及如权利要求1-9任一项所述的装置。

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