CN2443364Y - 用于扫描探针显微镜的热沉型低温生物样品平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及热沉型低温生物样品平台,由真空成像腔和置于其中的细颈样品台组成,样品台的细颈顶端固定装有温度传感器的台面,其下部大台面的槽中装有分子筛,其外表面上覆盖绝热层,细颈露出腔外,周围套装低膨胀合金薄壁管,合金薄壁管的上、下端分别焊接在台面和真空成像腔盖板上,其结构简单,价格低廉,可在不增加庞大、昂贵辅助设备的情况下,与普通扫描探针显微镜配套使用,使其功能扩展到从凝结点温度到较低温度的范围。

Description

用于扫描探针显微镜的热沉型低温生物样品平台

本实用新型涉及一种生物样品平台，特别涉及一种初始温度可预置从而能维持纳米级生物样品在一定凝结点温度以下的可与几乎所有扫描探针显微镜配套使用的用于扫描探针显微镜的热沉型低温生物样品平台，可使普通扫描探针显微镜功能扩展到从凝结点温度到较低温度的范围，也可用作一般的低温材料学观察平台，而且结构简单、价格低廉。

生命过程发生在三个空间尺度内：与有机分子行为相关的纳米尺度、与组织内单个细胞行为相关的微米尺度及与整个生物机体行为相关的宏观尺度。超过水的冻结温度的低温对生物系统的影响同时体现在纳米(分子)及微米(细胞)尺度。细胞膜脂双层中的相变会影响其隔离细胞内外溶液并控制质量传输的功能，因而理解和控制这一相变过程是微尺度生物传热学研究中最为重要的领域之一，发展先进的测量技术将极大地增进对此问题中所涉及机理的认识。长期以来人们采用各种各样的途径如低温扫描电镜、X-射线衍射以及数学模拟等方法对发生在细胞内外的传热、传质以及一系列由此引起的物理、化学行为进行了研究，但迄今对此机制的认识仍严重匮乏，原因之一是很难对细胞及其内部结构进行直接观察。随着现代科学技术的进步，人类越来越获取了更多更完善的观察微小生物样品的新手段。目前，可以认为扫描探针显微镜(原子力显微镜、扫描隧道显微镜等的总称)是最适合于在分子水平上对细胞进行观测的仪器之一。

扫描探针显微镜在生物医学研究中的应用正不断得到拓展，这种关于细胞水平上信息的直接观察对于生命现象的揭示极为关键，尽管许多生物样品的微观结构已可通过电子或光学显微镜的办法观察，但大多数分辨率仅在微米量级，因而直接观察生物样品的原子和分子结构长期成为极富诱惑力的课题，扫描探针显微镜的发明大大推动了这一进程。但目前的一些高精度图像主要是在大分子上得到的，且不同样品的精度和复现性较差，这是因为，一方面室温下含水大分子是一种软性材料，会因探针的操作而发生变形甚至破坏，因此所得图像精度较低且重复性较差，生物样品的水蒸汽环境也增大了信号判别的难度；另一方面，室温下大分子的热运动使得很难实现高精度成像。解决上述困难的措施是直接在低温下观察生物样品，由此建立的扫描探针显微镜称为低温原子力显微镜，这是因为在低温下，分子热运动得到极大抑制，生物样品的软表面可以变硬从而能保证得到比之室温下更高的分辨率。Shao及其合作者在美国“超显微镜”中的“生物用低温原子力显微镜：简要评述”(第66卷141-152页，1996年)(Shao Z.andY.Zhang，Biological cryo atomic force microscopy：a brief review，Ultramicroscopy，vol.66，pp.141-152，1996)设计了一种低温原子力显微镜。与在大气环境下操作的普通原子力显微镜不同的是，在该系统内，由激光二极管、光电探测器及扫描器组成的原子力显微头被置于一内含液氮的低温环境内，该低温环境采用内径为28in的杜瓦瓶盛装液氮来实现，杜瓦瓶内的氮蒸汽压强可通过阀门调节，且略高于外界大气压，以避免由于液氮气泡的生成而引起的振动；原子力显微镜的成像室位于液氮面上约1-2in处，成像样品的温度高低取决于原子力显微镜与液氮的距离远近，Shao等的低温原子力显微镜可实现在77-220K范围的测量。在获取图像的过程中，成像室必须保持封闭，以消除由于氮蒸汽循环带来的扰动。低温原子力显微镜的实现开辟了许多新的生物医学研究领域，它已被用于一系列极细微生物样品如免疫球蛋白、病毒、DNA、红细胞、细胞膜等的观察，并且其范围正不断得到拓展。但Shao等的装置在结构上十分复杂，且实现起来困难较大，而且价格不菲，液氮消耗量极大，占空间较多，实验耗费多。

德国Omicron公司从另一种结构出发(侯士敏等，变温超高真空扫描探针显微镜，现代科学仪器，No.3，pp.19-21，2000)，开发了所谓变温超高真空扫描探针显微镜，可以在25K-1100K之间对样品成像。该系统采用液氦连续流过一定换热器来实现，换热器通过铜辫线与样品架相连，并利用热传导降低样品温度。在机械泵作用下，液氦从杜瓦瓶中被吸出，通过输液杜瓦瓶进入液氦连续流动冷却器与换热器进行热交换。加热样品架还可使样品从室温变到1100K。该装置也存在结构复杂和高价位的问题。

本实用新型目的在于提供一种结构简单、价格低廉的低温生物样品平台，特别是一种初始温度可预置从而能维持纳米级生物样品在一定凝结点温度以下的可与几乎所有扫描探针显微镜配套使用的热沉型低温生物样品平台，可在不增加普通扫描探针显微镜所必需的庞大、昂贵的辅助设备的情况下，使普通扫描探针显微镜的功能扩展到从凝结点温度到较低温度的范围，同时，该低温生物样品平台也可用作一般的低温材料学观察平台。

本实用新型的实施方案如下：

本实用新型提供的用于扫描探针显微镜的热沉型低温生物样品平台：包括热沉件A和与真空泵10相连的真空罩9两部分，热沉件A置于扫描探针显微镜平台15上，再置于真空罩9之中；所述热沉件A由大比热容材料制作的实心细颈样品台13和真空成像腔6组成，实心细颈样品台13的细颈14顶端固定安装一用以放置低温生物样品的台面1，台面1上安装温度传感器11，实心细颈样品台13的下部大台面上的槽中装有分子筛4，实心细颈样品台13的下部大台面外表面上覆盖绝热层5，真空成像腔6为一由低膨胀合金制作的空心圆柱体，实心细颈样品台13置于真空成像腔6的内腔中，其细颈14露出真空成像腔6外，细颈14周围套装低膨胀合金薄壁管2，低膨胀合金薄壁管2的上、下端分别焊接在实心细颈样品台13的台面1和真空成像腔6的盖板3上，真空成像腔6的盖板3上设有抽真空口8，实心细颈样品台13与真空成像腔6之间抽真空；为确保冷量漏至扫描探针显微镜的平台上，真空成像腔6固定在绝热基底12上。

实心细颈样品台13由实心的大比热容材料如铜块制成，低膨胀合金薄壁管2和真空成像腔6均由热膨胀系数较小的Invar合金制成。在Invar合金和铜块之间的间隙抽成真空，由于细颈样品台上设置有分子筛4，可确保降温后获得高质量的真空环境，从而达到很好的隔热效果。热沉件A一定部位处设置有热电偶15以监测实际的热沉温度水平。热沉件A重量很轻，一般在50g-150g之间，放在真空罩9内，真空罩9可以是玻璃罩，并连接抽真空的真空泵10，以减小样品表面的散热，并尽量消除样品表面可能有的水汽影响图象的读取。由于样品台热容极大，而待观测样品体积极小，因而热沉型样品平台温度能保持相对的稳定，由此满足在一定低温下扫描探针显微镜的观测。

为确保冷量漏至扫描探针显微镜平台上，本实用新型进一步将真空成像腔6底座置于一绝热基底12上，从而很好地实现了上述目标。根据测量的要求将本热沉型样品平台预置于一定冷源如Dewar瓶中一定时间，伺其达到稳定，取出置于扫描探针显微镜平台上，并将样品搁上，即可进行观测。也可将样品台在空气中放置一定时间后，再搁置到扫描探针显微镜平台上，由此可实现稍微高一些温度情况下的样品观测。这样，即可满足不同温度下的低温生物材料观测。

本实用新型结构简单，价格十分便宜，而性能完全满足要求，基本与以往结构复杂、价格昂贵的低温扫描探针显微镜平台所实现的功能相当，其最大的优点是可直接与现有扫描探针显微镜配套使用。

本实用新型重量较小，一般在50g-150g之间，不致影响扫描探针显微镜压电晶体的驱动功能。而且由于铜块焊接悬吊在外腔内，即使由于变温其本身会发生变形，但这种变形方向朝下，因而样品表面仍几乎未发生任何改变，从而保证扫描探针显微镜的成像。可以认为，这是本实用新型最重要的设计方案之一。由于铜块热容较大，且成像室内抽成真空，样品台上冷量不易散失，因而能保证样品在一定范围内维持恒定，从而满足扫描探针显微镜的观测。在不同的低温水平下观测材料尤其是纳米级生物材料的形貌是正在探索的方向，本实用新型可有助于此方面的应用。

用于纳米级低温细胞学观察的扫描探针显微镜的热沉型低温样品平台及其外围装置，特别涉及一种初始温度可预置从而能维持微小生物样品在一定凝结点温度(从0℃到液氮温度-196℃或更低)以下的可与几乎所有扫描探针显微镜配套使用的样品平台，其作用在于将普通的扫描探针显微镜功能扩展到从凝结点温度到较低温度的范围，可通过对样品平台温度进行预置来主动地改变平台上样品的温度，并对改变了温度的样品材料表面进行成像，由于所采用的热沉型样品平台结构简单，可与几乎所有扫描探针显微镜配套使用，变温范围广，无需改变现有扫描探针显微镜的结构，而且价格十分便宜，能较好地满足不同温度下生物样品观测的要求，这对于仪器的推广使用十分有利。本系统最显著的一个特点是引入热沉型低温样品平台的概念，从而保证样品平台的相对独立性，并实现材料在不同温度范围的观测。低温扫描探针显微镜是纳米科技领域内正在尝试探索的目标，本样品平台及其所采用的方法目前尚未见有报道。

下面结合附图和具体实施例进一步描述本实用新型：

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为热沉件A的结构示意图；

其中：实心细颈样品台1             低膨胀合金薄壁管2

      盖板3                       分子筛4

      绝热层5                     真空成像腔6

      底座7                       抽真空口8

      真空罩9                     真空泵10

      温度传感器11                绝热基底12

      实心细颈样品台13            细颈14

      扫描探针平台15

由图知，本实用新型提供的用于扫描探针显微镜的热沉型低温生物样品平台：包括热沉件A和与真空泵10相连的真空罩9两部分，热沉件A置于真空罩9之中；所述热沉件A由大比热容材料制作的实心细颈样品台13和真空成像腔6组成，实心细颈样品台13的细颈14顶端固定安装一用以放置低温生物样品的台面1，台面1上安装温度传感器11，实心细颈样品台13的下部大台面上的槽中装有分子筛4，实心细颈样品台13的下部大台面上外表面上覆盖有绝热层5，真空成像腔6为一由低膨胀合金制作的空心圆柱体，实心细颈样品台13置于真空成像腔6的内腔中，实心细颈样品台13的细颈露出真空成像腔6，其周围套装低膨胀合金薄壁管2，低膨胀合金薄壁管2的上、下端分别焊接在实心细颈样品台13的台面1和真空成像腔6的盖板3上，真空成像腔6的盖板3上设有抽真空口8，实心细颈样品台13与真空成像腔6之间抽真空；为确保冷量漏至扫描探针显微镜的平台上，真空成像腔6固定在绝热基底12的上。

实心细颈样品台13由实心的大比热容材料如铜块制成，低膨胀合金薄壁管2和真空成像腔6均由热膨胀系数较小的Invar合金制成。在Invar合金和铜块之间的间隙抽成真空，由于细颈样品台上设置有分子筛4，可确保降温后获得高质量的真空环境，从而达到很好的隔热效果。热沉件A一定部位处设置有热电偶11以监测实际的热沉温度水平。热沉件A放在真空罩9内，真空罩9可以是玻璃罩，并连接抽真空的真空泵10，以减小样品表面的散热，并尽量消除样品表面可能有的水汽影响图象的读取。由于样品台热容极大，而待观测样品体积极小，因而热沉型样品平台温度能保持相对的稳定，由此满足在一定低温下扫描探针显微镜的观测。

本实用新型组装步骤：在实心细颈样品台13的下部大台面上的槽中设置分子筛4后，将其四周用绝热材料如玻璃纤维包覆以形成绝热层5；再将实心细颈样品台13的细颈14的端部的台面1与低膨胀Invar合金构成的低膨胀合金薄壁管2焊接在一起，之后将低膨胀合金薄壁管2底部与真空成像腔6的盖板3焊接，真空成像腔6与底座7焊接；整个焊接过程要确保沿周向密封。同时，真空成像腔6与底座7焊接，构成热沉型A，并由抽真空口将实心细颈样品台13与真空成像腔6之间抽真空；

热沉件A的重量很轻，一般在50g-150g之间，并置入真空罩9中，真空罩9由真空泵10抽真空。

由上所述，本实用新型采用的低温样品平台结构简单，稳定性好，而价格则趋于低廉，制作相对容易，数据采集及处理十分方便，无复杂电路，测温和评价样品的热状态比较容易，变温范围广。适宜不同低温下材料性质的研究及纳米形貌的观察，乃至进行有关热物理性质的测试。

使用时，将本实用新型的低温生物样品台预先置于冷源中，待其降温并达均匀后，取出置于普通扫描探针显微镜的原样品台15上，将低温生物样品搁置于本样品台的台面1上，并对真空成像室6抽真空，之后即可开始扫描探针显微镜的成像。若需改变样品温度，可将样品台在空气中搁置一定时间后实现，从而达到略高一些的新的样品温度。由此，即实现不同低温下的样品材料形貌的成像。并可研究降温对材料形貌及有关物理性质的影响，并测定有关重要的热物性。

Claims (7)

1.一种用于扫描探针显微镜的热沉型低温生物样品平台，其特征在于：该低温生物样品平台包括热沉件(A)和与真空泵(10)相连的真空罩(9)两部分，热沉件(A)置于真空罩(9)之中；所述热沉件(A)由大比热容材料制作的实心细颈样品台(13)和真空成像腔(6)组成，实心细颈样品台(13)的细颈(14)顶端固定安装一用以放置低温生物样品的台面(1)，台面(1)上安装温度传感器(11)，实心细颈样品台(13)的下部大台面上的槽中装有分子筛(4)，实心细颈样品台(13)的下部大台面上外表面上覆盖有绝热层(5)，真空成像腔(6)为一由低膨胀合金制作的空心圆柱体，实心细颈样品台(13)置于真空成像腔(6)的内腔中，实心细颈样品台(13)的细颈露出真空成像腔(6)，其周围套装低膨胀合金薄壁管(2)，低膨胀合金薄壁管(2)的上、下端分别焊接在实心细颈样品台(13)的台面(1)和真空成像腔(6)的盖板(3)上，真空成像腔(6)的盖板(3)上设有抽真空口(8)，实心细颈样品台(13)与真空成像腔(6)之间抽真空。

2.按权利要求1所述的用于扫描探针显微镜的热沉型低温生物样品平台，其特征在于：实心细颈样品台(13)由铜制成。

3.按权利要求1所述的用于扫描探针显微镜的热沉型低温生物样品平台，其特征在于：真空成像腔(6)由热膨胀系数较小的Invar合金制成。

4.按权利要求1所述的用于扫描探针显微镜的热沉型低温生物样品平台，其特征在于：温度传感器(11)为热电偶温度传感器。

5.按权利要求1所述的用于扫描探针显微镜的热沉型低温生物样品平台，其特征在于：真空罩(9)为玻璃罩。

6.按权利要求1-5所述的用于扫描探针显微镜的热沉型低温生物样品平台，其特征在于：真空成像腔(6)的底座7固定在绝热基底(12)上。

7.按权利要求1-5所述的用于扫描探针显微镜的热沉型低温生物样品平台，其特征在于：热沉件A的重量在50g-150g之间。

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