CN1818738A - 用于冷冻干燥过程显微观察的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于冷冻干燥过程显微观察的系统。它由带自动载物台的倒置式光学显微镜、冻干台、冷量供给装置、真空装置和计算机数据采集控制系统等五部分组成。倒置式光学显微镜上装有数码摄像机，其载物台移动可由计算机控制；冻干台放在载物台上，被冻干的样品放在冻干台上，样品的冷却/升温速率及温度梯度均可调；在长时间的干燥过程中，计算机通过在线处理显微图片的方法获得升华界面的位置，据此控制载物平台的移动，以保证升华界面始终位于显微视野内。本发明只在冷冻过程中消耗液氮，在干燥过程中则不消耗液氮。由于冷冻干燥过程的冷冻时间相对较短，而干燥时间比较长。因而本发明的重要优点是节省液氮、减少实验成本。

Description

用于冷冻干燥过程显微观察的系统

技术领域

本发明涉及一种用于冷冻干燥过程显微观察的系统。

背景技术

冷冻干燥，简称冻干，即先将物料中的水通过冷冻变成冰，再通过真空和加热将冰升华，从而除去物料中的水分。冻干在制药、生物材料保存和食品加工领域内有重要应用。不少药品采用冻干方式制成粉剂，与液体针剂相比，粉剂能长期稳定保存、运输方便。与传统的低温保存生物材料手段相比，经过冻干处理的生物材料的储存不需要低温，从而节约大量储藏和运输费用。食品采用冻干处理，不仅可以保持新鲜时的形态，而且营养成分和生理活性成分保留率高。与冷冻食品相比，冻干食品的贮运费用低得多。冻干是一个复杂的物理化学过程，有很多现象值得研究，如一次干燥过程的进行速度与各种因素的关系。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于冷冻干燥过程显微观察的系统。

它包括带自动载物台的倒置式光学显微镜、冻干台、冷量供给装置、真空装置和计算机数据采集控制系统，冻干台具有铜基座，在铜基座上设有第一热电元件和第二热电元件，在两热电元件上架有载玻片，在铜基座上架有真空罩；冷量供给装置具有液氮容器，在液氮容器内设有换热器、加热器，液氮容器的出气管与第一电磁阀、冻干台、第二电磁阀相接；真空装置具有真空泵、真空控制器；计算机数据采集控制系统具有计算机，计算机分别与可控硅模块、继电器模块、巡检仪、可控直流电源、载物台驱动装置相接。

所述的铜基座上部周边开有放置真空罩的密封凹槽。铜基座是一个中空长方体，铜基座底部中央开有通孔，铜基座底部纵向开有通孔，铜基座上部横向开有通孔。载玻片中间具有一个矩形凹坑。

本发明只在冷冻过程中消耗液氮，在干燥过程中则不消耗液氮。由于冷冻干燥过程的冷冻时间相对较短，而干燥时间比较长。因而本发明的重要优点是节省液氮、减少实验成本。

附图说明

图1是用于冷冻干燥过程显微观察的系统结构示意图；

图2(a)是本发明的铜基座三向视图；

图2(b)是本发明的铜基座截面图；

图中：液氮容器1、换热器2、加热器3、真空泵4、真空控制器5、电磁阀6、载物台7、分气管8、真空罩9、载玻片10、盖玻片11、透光玻璃12、物镜13、样品14、铜基座15、载物台驱动装置16、电磁阀17、集气管18、保护罩19、透光玻璃20、聚光镜21、热电偶22、热电元件23、热电元件24、真空接头25、截止阀26、氮气瓶27、保护罩28、显微镜基座29、摄像头30、可控硅模块31、继电器模块32、计算机33、巡检仪34、可控直流电源35。

具体实施方式

如图1所示，用于冷冻干燥过程显微观察的系统包括带自动载物台的倒置式光学显微镜、冻干台、冷量供给装置、真空装置和计算机数据采集控制系统，冻干台具有铜基座15，在铜基座上设有第一热电元件23和第二热电元件24，在两热电元件上架有载玻片10，在铜基座上架有真空罩9；冷量供给装置具有液氮容器1，在液氮容器内设有换热器2、加热器3，液氮容器的出气管与第一电磁阀6、冻干台、第二电磁阀17相接；真空装置具有真空泵4、真空控制器5；计算机数据采集控制系统具有计算机33，计算机分别与可控硅模块31、继电器模块32、巡检仪34、可控直流电源35、载物台驱动装置16相接。

如图2所示，本发明的铜基座15上部周边开有放置真空罩9的密封凹槽。铜基座15是一个中空长方体，铜基座底部中央开有通孔，铜基座底部纵向开有通孔，铜基座上部横向开有通孔。

本发明用于冷冻干燥过程显微观察的系统，由带自动载物台的倒置式光学显微镜、冻干台、冷量供给装置、真空装置和计算机数据采集控制系统等五部分组成。倒置式光学显微镜上安装有数字摄象头，可以拍摄显微视野下的图象，图象通过图象采集卡进入计算机。显微镜的载物台是自动的，即受到计算机的控制，计算机通过内置步进电机驱动卡、载物台驱动装置精确定位载物台。

冻干台放在显微镜的载物台上，而被观察的样品则放在载玻片上。冻干台由导热性很好的铜基座、两个热电元件、真空罩、载玻片组成，为保证光线通过，在真空罩上嵌有玻璃片，为保证密封，在真空罩与铜基座接触处抹有真空油脂。载玻片的结构较为特殊，中间留有一矩形的凹槽，被观察的样品就放在该槽内。在盖上盖玻片后，干燥过程中水蒸气的出口就只有一个，这样便于对干燥过程进行定量研究。热电元件是两级的，它的作用有两方面，其一是在干燥过程中提供冷量，使样品的温度保持在共熔点以下，节省液氮，其二是在样品冷冻过程中提供跨样品的温度梯度。后者的实现方法是让两个热电元件工作在不同的状态下，工作状态的调整是通过计算机、可控直流电源来完成的，热电偶测得的温度是调节的依据。跨样品的温度梯度将影响冰晶的形成和生长，而冰晶的形状和尺寸将直接影响干燥过程的进行。布置在热电元件下的铜基座中央打孔，孔内镶嵌有玻璃片，目的是让光线通过，铜基座里还留有冷氮气通过的孔道。在样品的冷冻过程中，冷量的传递途径是：冷氮气→铜基座→热电元件→载玻片→样品。在冻干台上面还有保护罩，罩内通干燥氮气，目的是防止结露或结霜现象的产生。

冷量供给装置包括液氮瓶、布置在液氮瓶内的换热器、加热器和两个电磁阀。加热量的大小决定冷氮气流量的多少，由计算机来确定，通过可控硅模块控制加热器实现。液氮被加热后变成氮气，氮气经换热器冷却至接近液氮温度后被输送至冻干台。在冷氮气管路上布置的电磁阀，冷冻过程进行完毕后，电磁阀关闭，同时加热器也停止运行。

真空装置包括真空泵、真空控制器。真空控制器的作用是保证样品空间处于一定的真空度(如~8Pa)下。真空泵启动与否受计算机控制，通过继电器模块实现。为保证样品空间的真空，从冻干台引出的热电偶线、热电元件接线都通过装在铜基座内的真空接头。

计算机数据采集控制系统包括计算机和各种接口模块。计算机里装有数据采集控制卡、步进电机控制卡、图象采集卡。数据采集的对象是热电偶信号，它经过巡检仪转化为数字信号，通过串行接口进入计算机。计算机要控制的对象包括载物台驱动装置、热电元件、加热器、电磁阀、真空泵，其中电磁阀、真空泵控制需要数字信号，载物台驱动装置控制需要数字脉冲信号，热电元件和加热器控制需要模拟信号。步进电机控制卡输出数字脉冲信号，数据采集控制卡输出数字信号和模拟信号，分别控制各个对象的运行。图象采集卡负责显微图象的采集，采集后的图象信息一方面以文件形式存储，另一方面为图象处理程序实时处理。

本发明进行冷冻干燥过程显微观察的步骤如下：1)将样品放置在载玻片的凹槽中，盖上盖玻片；2)盖好真空罩和保护罩，调整聚光镜和物镜镜头，获得样品的清晰图象；3)向保护罩内通入干燥氮气；4)打开液氮瓶内的加热器和电磁阀，启动降温过程，调节加热器的加热量以调节冷氮气的流量，使样品以一定速率降温至共晶点温度以下；5)启动热电模块，使其工作在制冷模式，然后关闭加热器和电磁阀，保持样品温度基本不变；6)启动真空泵，使样品空间真空度快速达到设定值；7)在样品中的冰升华为水蒸气时，升华界面会缓慢移动，时间会持续数小时，在此期间，计算机根据采集到的图象分析升华界面所在位置，当升华界面快移出观察视野时，计算机控制自动载物台略作移动，以保证升华界面始终处于观察视野内；8)在样品中的冰升华到事先设定位置时，实验停止。

Claims (4)

1一种用于冷冻干燥过程显微观察的系统，其特征在于，它包括带自动载物台的倒置式光学显微镜、冻干台、冷量供给装置、真空装置和计算机数据采集控制系统，冻干台具有铜基座(15)，在铜基座上设有第一热电元件(23)和第二热电元件(24)，在两热电元件上架有载玻片(10)，在铜基座上架有真空罩(9)；冷量供给装置具有液氮容器(1)，在液氮容器内设有换热器(2)、加热器(3)，液氮容器的出气管与第一电磁阀(6)、冻干台、第二电磁阀(17)相接；真空装置具有真空泵(4)、真空控制器(5)；计算机数据采集控制系统具有计算机(33)，计算机分别与可控硅模块(31)、继电器模块(32)、巡检仪(34)、可控直流电源(35)、载物台驱动装置(16)相接。

2.根据权利要求1所述的一种用于冷冻干燥过程显微观察的系统，其特征在于，所述的铜基座(15)上部周边开有放置真空罩(9)的密封凹槽。

3.根据权利要求1所述的一种用于冷冻干燥过程显微观察的系统，其特征在于，所述的铜基座(15)是一个中空长方体，铜基座底部中央开有通孔，铜基座底部纵向开有通孔，铜基座上部横向开有通孔。

4.根据权利要求1所述的一种用于冷冻干燥过程显微观察的系统，其特征在于，所述的载玻片(10)中间具有一个矩形凹坑。

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