CS233272B1

CS233272B1 - A method for producing a temperature-sensitive sensor for measuring temperature in microstructures of biological materials

Info

Publication number: CS233272B1
Application number: CS834962A
Authority: CS
Inventors: Josef Jedlicka
Original assignee: Josef Jedlicka
Priority date: 1983-07-01
Filing date: 1983-07-01
Publication date: 1985-02-14
Also published as: CS496283A1

Abstract

Účelem teplotněvcitlivého čidla podle vynálezu je zjišíování teploty a jejích změn v mikrostrukturách řádově jednotek mikronů, převodem vlivu teploty působící na čidlo na změny elektrických dále zpracovatelných elektrických veličin. Podle vynálezu způsob výroby a ochrany teplotně citlivého čidla zařízení pro měření teplot v mikrostrukturách biologických materiálů, byl navržen tak, že polotovar tvořený skleněnou kapilárou vytaženou do otevřeného hrotu o průměru 1 mikron a méně, se tímto hrotem opakovaně vtlačuje do teplotně citlivého materiálu změklého vhodným tepelným ohřevem, až tento materiál mechanicky vytvoří y hrotu kapiláry zátku o výšce • alespoň 0,5 jejího průměru, pak se hrot kapiláry i se zátkou z teplotně citlivéř ho materiálu zahřeje na teplotu jeho tání, ale nižší, než je teplota měknutí " skla kapiláry, pro zatavení otevřeného hrotu skleněné kapiláry zátkou z teplotně citlivého materiálu a teplotně citlivý materiál zátky se podrobí rekrystalizaci, načež se vnitřní prostor kapiláry nad zátkou vyplní elektrolytem, do něhož se z horního otevřeného konce kapiláry zasune kovová elektroda a tento konec kapiláry se uzavře například termosetem a na kapiláru se od konce s elektrodou navlékne ochranná trubička například z polyethylenu.The purpose of the temperature-sensitive sensor according to the invention is to detect temperature and its changes in microstructures of the order of units of microns, by converting the effect of temperature acting on the sensor into changes in electrical quantities that can be further processed. According to the invention, a method of manufacturing and protecting a temperature-sensitive sensor of a device for measuring temperatures in the microstructures of biological materials was designed so that the semi-finished product formed by a glass capillary drawn into an open tip with a diameter of 1 micron or less is repeatedly pressed by this tip into a temperature-sensitive material softened by suitable thermal heating until this material mechanically forms a plug at the tip of the capillary with a height of at least 0.5 of its diameter, then the tip of the capillary and the plug made of a temperature-sensitive material are heated to its melting point, but lower than the softening temperature of the capillary glass, to seal the open tip of the glass capillary with a plug made of a temperature-sensitive material and the temperature-sensitive material of the plug is subjected to recrystallization, after which the internal space of the capillary above the plug is filled with electrolyte, into which a metal electrode is inserted from the upper open end of the capillary and this end of the capillary is closed, for example, with a thermoset and a protective tube, for example made of polyethylene, is put on the capillary from the end with the electrode.

Description

Předmětem vynálezu je způsob výroby teplotně citlivého čidla, zařízeni pro měření teplot v mikrostrukturách biologických materiálů.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a method for producing a temperature-sensitive sensor, a device for measuring temperatures in microstructures of biological materials.

Účelem' teplotně citlivého čidla podle vynálezu je zjišťování teploty a jejích změn v mikrostrukturách řádově jednotek mikronů, převodem vlivu teploty působící na čidlo na změny elektrických dále zpracovatelných elektrických veličin.The purpose of the temperature-sensitive sensor according to the invention is to detect the temperature and its changes in microstructures of the order of micron units, by converting the influence of the temperature acting on the sensor to changes in electrical further processable electrical quantities.

Při zkoumání charakteristik biologických materiálů, jeví se potřeba například měření vnitrobuněčné teploty, což stávající stav techniky neumožňuje, bez destrukce vedoucí k ukončení životních funkcí měřené buňky. K vyloučení destrukce měřené buňky se užívá techniky měření teploty na povrchu biologických materiálů pomocí termočlánků. Tato technika však získává měřenou teplotu jako zprostředkovanou veličinu, nehledě k tomu, že geometrickými rozměry příslušných čidel, neumožňuje měření teplot jediné buňky.When examining the characteristics of biological materials, there appears to be a need, for example, to measure intracellular temperature, which the prior art does not allow, without destruction leading to termination of the vital functions of the measured cell. Thermocouple temperature measurement on the surface of biological materials is used to avoid destruction of the measured cell. However, this technique acquires the measured temperature as a mediated variable, notwithstanding that the geometric dimensions of the respective sensors do not allow the measurement of single cell temperatures.

Technické prostředky k měření vnitrobuněčné teploty mikrostruk tur biologicky aktivních materiálů nebyly dosud známy.Technical means for measuring the intracellular temperature of microstructures of biologically active materials have not been known.

Jsou sice známa zařízení na měření teplot používající čidel, kt.eré převádí změny teploty na vhodné dále zpracovatelná elektrické veličiny. Všechna tato zařízení jsou zcela odlišná a řešení podle DOS 2541578 je tvořeno teplotním čidlem polovodičovým využívajícím rozdílu napětí báze - emitor vzájemně přizpůsobených tranzistorů k získání výstupního napětí přímo úměrného absolutní teplotě. Zařízení podle DOS 7532610 týkající se elektronického lékařského teploměru s teplotně citlivým odporem jako čidlem, přičemž změna odporu je kompenzována otočným potenciometrem v můstkovém zapojení, přičemž úhlové natočení potenciometrů slouží jako ukazatel teploty. Dále DOS 2654078 se týká'vytvoření dotykového teploměru obsahujícího člen k vytvoření referenčního napětí neod- 2 233 272 vislého na teplotě přístroje sestává z teplotně citlivého členu k měření teploty, přívodu ev. ochranného· krytu a Zennerovy diody jako stabilizačního členu k získání referenčního napětí tak, že Zennerova dioda sléužící pro stabilizační člen je věstavěna do členu sloužícího k měření teploty. Dále DOS 2 634 408 se týká elektronického teploměru s teplotním čidlem pro vytvoření analogového signálu odpovídajícího zjištěné teplotě vyznačeným měničem napětí, frekvence, který vytváří z analogového signálu impulsy konstantního trvání o proměnné frekvenci, úměrné zjišťované' teplotě a čítačem k počítání impulsů během· předem stanoveného • ' 1 časového intervalu k udání získání teploty. Dále USP 3 974 696, jehož obsahem je teploměr k měřepí^teploty potravin v mikrovlnné pícce sestávající z jehly na jejímž konci je upraveno tepelně citlivé čidlo umístěné' uvnitř jehly blízko jejího konce, kterážto jehla se zasune do zpracovávaného materiálu v pícce. Toto uspořádání neumožňuje však svými rozměry měření v míkrostrukturách biologických materiálů, přičemž vývody jsou provedeny kovovými vodiči, což omezuje případnou miniaturizaci. Dále USP 4 109 527 popisuje zařízení sestávající z čidla s paměťovým systémem,které je vhodné' pro měření pří a teploty kapaliny, čidlo' pH sestává z kombinace skleněné elektrody a referenční elektrody. Teplotní čidlo je tvořeno termistorem upevněným v obalu u dna. Ani toto uspořádání neumožňuje svými rozměry měření v míkrostrukturách biologických materiálů, přičemž vývody jsou proveďeny kovovými vodiči, což omezuje případnou miniaturizaci provedení čidla, pokud jí vůbec nevylučuje.Although temperature measuring devices using sensors are known which convert temperature changes into suitable further processable electrical quantities. All these devices are completely different and the solution of DOS 2541578 consists of a semiconductor temperature sensor using a base-emitter voltage difference of mutually matched transistors to obtain an output voltage proportional to absolute temperature. A device according to DOS 7532610 relating to an electronic medical thermometer having a temperature-sensitive resistance as a sensor, the change in resistance being compensated by a rotary potentiometer in a bridge circuit, the angular rotation of the potentiometers serving as a temperature indicator. Further, DOS 2654078 relates to the creation of a contact thermometer comprising a member for generating a reference voltage not dependent on the temperature of the apparatus consisting of a temperature-sensitive member for measuring the temperature, the inlet ev. a protective cover and a Zenner diode as a stabilizing member to obtain a reference voltage such that the Zenner diode adjacent to the stabilizing member is built into the temperature measuring member. Further, DOS 2,634,408 relates to an electronic thermometer with a temperature sensor for generating an analog signal corresponding to a detected temperature indicated by a voltage converter, a frequency that generates a constant duration pulse of variable frequency proportional to the detected temperature and a counter to count pulses during a predetermined • 1 time interval to indicate the temperature gain. Further, U.S. Pat. No. 3,974,696 discloses a thermometer for measuring the temperature of food in a microwave oven consisting of a needle at the end of which is provided with a temperature-sensitive sensor located inside the needle near its end, which needle is inserted into the material to be processed. This arrangement, however, does not allow measurements in the microstructures of biological materials by their dimensions, the outlets being made of metal conductors, which limits the possible miniaturization. Furthermore, USP 4,109,527 discloses a device comprising a memory system sensor suitable for measuring liquid temperature and temperature, the pH sensor comprising a combination of a glass electrode and a reference electrode. The temperature sensor consists of a thermistor mounted in the case at the bottom. Even this arrangement does not allow measurements in the microstructures of biological materials by their dimensions, the outlets being made by metal conductors, which limits the possible miniaturization of the sensor design, if it does not exclude it at all.

Účelem vynálezu tedy způsob výroby teplotně citlivého čidla obsahující teplotně citlivý materiál použitelného pro měření teplot v míkrostrukturách biologických materiálů.It is therefore an object of the present invention to provide a temperature-sensitive sensor comprising a temperature-sensitive material useful for measuring temperatures in the microstructures of biological materials.

Je , vynálezu že polotovar tvořený skleněnou kapilárou vytaženou d'o otevřeného hrotu o průměru 1 mikronu a méně, se tímto hrotem opakovaně zatlačuje do teplotně citlivého materiálu změklého vhodným tepelným ohřevem, až tento materiál mechanicky vytvoří v hrotu kapiláry zátku o výšce alespoň 0,5 jejího průměru, pak se hrot kapiláry i se zátkou z teplotně citlivého materiálu zahřeje na teplotu jeho tání, aleIt is an object of the invention that the semifinished product formed by a glass capillary pulled out of an open tip of 1 micron diameter or less is repeatedly pushed through the tip into a temperature sensitive material softened by suitable heat heating until the material mechanically forms a stopper at least 0.5 diameter, then the capillary tip and the stopper made of temperature sensitive material are heated to its melting point, but

- 3 233 272 nižší, než Je teplota měknutí skla kapiláry, pro zatavení otevřeného hrotu) skleněné kapiláry zátkou z teplotně citlivého materiále a teplotně citlivý materiál zátky se podrobí rékrýstalizaci, načež se* vnitřní prostor kapiláry nad zátkou vyplní elektrolytem, do něhož se z horního otevřeného konce kapiláry zasune kovová elektroda a tento konec kapiláry se uzavře například termosetem a na kapiláru se od konce e elektrodou navlékne ochranná trubička například z polyethylenu.- 3,233,272 lower than the softening temperature of the capillary glass (to seal the open tip) of the glass capillary plug with a thermosensitive material and the thermosensitive plug material is recrystallized; a metal electrode is inserted into the open end of the capillary, and this end of the capillary is sealed with a thermoset, for example, and a protective tube, for example of polyethylene, is threaded onto the capillary from the end e with the electrode.

Dále podle vynálezu dávka teplotně citlivého materiálu se mechanicky vpraví širším koncem kapiláry do její dutiny, pak se zahřeje na bod tání a tlakem inertního plynu zavedeného nad zmíněnou dávku se dávka v konzistentním stavu vytlačuje otevřeným koncem kapiláry až do vytvoření' zátky o stanovených rozměrech.Further, according to the invention, a batch of temperature-sensitive material is mechanically inserted through the broad end of the capillary into its cavity, then heated to the melting point and by inert gas pressure introduced above said batch.

Rovněž podle vynálezu dávka teplotně citlivého materiálu vpravená do kapiláry se odpařuje a tlakem inertního plynu se odpařené částice dopravují do otevřeného hrotu kapiláry kde kon* denzují, načež se zahřátím na teplotuetání teplotně citlivého . materiálu stahují do zátky o stanovených rozměrech.Also, according to the invention, the dose of temperature sensitive material introduced into the capillary is evaporated and by pressure of inert gas the vaporized particles are conveyed to the open tip of the capillary where they condense, followed by heating to the temperature sensitive melting point. The material is tightened to a stopper of specified dimensions.

Pří výrobě teplotně citlivého čidla zařízení pro měření teplot v mlkrostrukturáxh biologických materiálů se postupuje takto tTo produce a temperature-sensitive sensor for measuring the temperature in the microstructures of biological materials, proceed as follows:

Nosnou konstrukci čidla podle vvnálezu tvoří výchozí skleněná kapilára o průměru v mezích 1,2 až 3,5 mm, která je známým způsobem upnuta na běžném tažném zařízení a po ohřevu vytažena do tvaru otevřeného hrotu o průměru otevřeného konce v mezích 1 mikron a méně. Tím se získá polotovar o délce asi 5 - 7 cm včetně hrotu pro další úpravu čidla.The supporting structure of the sensor according to the invention consists of an initial glass capillary with a diameter between 1.2 and 3.5 mm, which is clamped in a known manner on a conventional towing device and, after heating, pulled into an open tip with an open end diameter of 1 micron or less. This gives a semi-finished product with a length of about 5-7 cm including a tip for further adjustment of the sensor.

Za účelem odstranění případných nečistot uvnitř zmíněného polotovaru se hrot kapiláry naleptá kyselinou fluorovodíkovou prostým ponořením. Pak následuje důkladné vymytí destilovanou vodou, propláchnutí éterem a vysušení, čímž je polotovar připraven pro plnění teplotně citlivým materiálem.In order to remove any impurities inside said preform, the capillary tip is etched by dipping with hydrofluoric acid. This is followed by thorough rinsing with distilled water, rinsing with ether and drying to prepare the preform for filling with a temperature sensitive material.

Teplotně citlivý materiál je tvořen například sirníkem talným, případně jiným z řady polovodičů na bázi chalkogenních skel v pevné fázi.The temperature-sensitive material is formed, for example, by sulphide or another of a series of semiconductors based on chalcogenic glass in solid phase.

- 4 233 272- 4,233,272

Pro vlastní plnění kapiláry je nutno teplotně citlivý materiál změkčit například ohřátím na teplotu Jeho měknutí. V sirníku talného na teplotu v mezích 25 až 28°C.For the actual filling of the capillary, it is necessary to soften the temperature-sensitive material, for example by heating it to its softening temperature. In sulphide at temperatures between 25 and 28 ° C.

Dílčí dávka změklého teplotně citlivého materiálu se umístí na konci vhodného nosiče například skleněné kapiláře a udržuje se na teplotě měknutí.A portion of the softened temperature-sensitive material is placed at the end of a suitable carrier, for example a glass capillary, and maintained at the softening temperature.

Plnění hrotu čidla se děje pod mikroskopem tak, že polotovar čidla se mikrometrickým posuvem v zorném poli mikroskopu opakovaně vtlačuje do změklého teplotně citlivého materiálu.The probe tip is filled under the microscope by repeatedly pushing the probe blank into the softened temperature-sensitive material by micrometric shifting in the field of view of the microscope.

Hrot polotovaru: protrhne povrchovou vrstvu teplotně citlivého materiálu ovlivněnou okolním prostředím například ok,veličenou nebo mechanicky znečištěnou a vstoupí hlouběji do dávky teplotně citlivého materiálu.Stock tip: ruptures the surface layer of temperature-sensitive material affected by the environment, for example, mesh, magnitude or mechanically contaminated, and enters deeper into the batch of temperature-sensitive material.

Po protržení povrchové vrstvy vnikne teplotně citlivý materiál do vnitřku kapiláry, na jejímž konci vytvoří zátku. Po zjištění, že v hrotu polotovaru čidla ulpěla dostatečná zátka teplotně citlivého materiálu o výšce alespoň 0,5 jejího průměru, podrobí se hrot kapiláty tepelnému zpracování při teplotě nad bodem tání teplotně citlivého materiálu a pod bodem měknutí skla. Teplotně citlivý materiál mechanicky přilne ke stěně polotovaru čidla, čímž' se stěnou kapflárv vytvoří přepážku oddělující vnitřní prostor kapiláry od okolního prostředí.After the rupture of the surface layer, the temperature-sensitive material enters the inside of the capillary, at the end of which it forms a stopper. After detecting that a sufficient stopper of the temperature sensitive material having a height of at least 0.5 diameter has adhered to the tip of the sensor blank, the capillary tip is subjected to a heat treatment at a temperature above the melting point of the temperature sensitive material and below the glass softening point. The temperature-sensitive material mechanically adheres to the wall of the sensor blank, thereby forming a partition between the capillary wall and the interior of the capillary from the surrounding environment.

U takto získaného polotovaru je nutno zajistit dalším tepelným zpracováním rekr.ystalizaci teplotně citlivého materiálu a tím jeho použitelnost při teplotách o 2 až 4° vyšších nad teplotou měknutí výchozího tepelně nezpracovaného teplotně citlivého materiálu, což zajišťuje jeho vyšší mechanickou odolnost?¹.·In such a semi-finished product, it is necessary to ensure further crystallization of the temperature-sensitive material by further heat treatment and thus its applicability at temperatures 2 to 4 ° higher than the softening point of the starting thermally unprocessed temperature-sensitive material, which ensures its higher mechanical resistance? ¹ ·

Dále u takto získaného polotovaru je nutno zajistit elekt» rické spojení s okolním prostředím nebo další částí měřicího zařízení. Spojení kovovým vodičem je vyloučeno z důvodů rozměrových a je proto použito spojení pomocí elektrolytu vpraveného do kapiláry až' do míst, do nichž lze zasunout kovový vodič pro styk s elekt rolytem.Elektrolyt tedy tvoří přechod mezi teplotně citlivým materiálem· a kovovým· vodičem.Furthermore, in the semi-finished product thus obtained, it is necessary to provide an electrical connection with the surrounding environment or another part of the measuring device. The metallic conductor connection is excluded for dimensional reasons, and therefore an electrolyte connection is introduced into the capillary to the locations where the metallic conductor can be inserted for contact with the electro-roller. The electrolyte thus forms a transition between the temperature-sensitive material and the metallic conductor.

- 5 233 272- 5,233,272

Elektrolyt se vpraví do skleněné kapiláry pomocnou kapilárou vytvořenou z· umělé hmoty a zasunutou do kapiláry polotovaru, jíž proudí elektrolyt pod tlakem. Případná vzduchové mezera mezi teplotně citlivým materiálem a hladinou elektrolytu, se odstraní působením kapilárních sil, vzlínáním elektrolytu po povrchu skleněného vlákna, které je bučí nedílnounčástí kapiláry polotovaru, nebo je do ní volně zasunuto.The electrolyte is introduced into the glass capillary by an auxiliary capillary made of plastic and inserted into the capillary of the blank through which the electrolyte flows under pressure. Any air gap between the temperature-sensitive material and the electrolyte level is eliminated by capillary forces, by the electrolyte sticking on the surface of the glass fiber which either punches or is loosely inserted into the workpiece capillary.

Do takto upraveného polotovaru čidla se zasune kovový vodič, ponoří se do elektrolytu a na horním konci kapiláry se upraví zátka z vhodného termosetu, čímž se zároveň zabrání vypařování elektrolytu z vnitřku čidla jeho vzduchotěsným' uzavřením. Zhotovené čidlo, zejména jeho hřot, se chrání před mechanickým poškozením ohebnou trubičkou z umělé hmoty, která se přetáhne oď konce s kovovou elektrodou přes kapiláru tak, aby spoleh*·* livě překryla její hrot. Opačným pohybem ochranné trubičky je čidlo připraveno k použití.A metal conductor is inserted into the sensor preformed, immersed in the electrolyte and a stopper from a suitable thermoset is prepared at the upper end of the capillary, thereby preventing the electrolyte from evaporating from the inside of the sensor by its airtight closure. The manufactured sensor, in particular its tip, is protected from mechanical damage by a flexible plastic tube which extends from the end of the metal electrode over the capillary so as to reliably cover its tip. By reversing the protective tube, the sensor is ready for use.

Zátku z teplotně citlivého materiálu v kapiláře lze vytvořit i jinými způsoby například vpravováním teplotně citlivého materiálu širším koncem kapiláry do jejího vnitřku tím, že dávka teplotně citlivého materiálu se mechanicko vpraví do dutiny kapiláry, načež se zahřeje na bod tání a tlakem inertního plynu zavedeného nad zmíněnou dávku se tato dávka v konzistentním stavu vytlačuje otevřeným hrotem kapiláry až do vytvoření zátky o stanovených rozměrech.The cap of the temperature-sensitive material in the capillary can also be formed in other ways, for example by incorporating the temperature-sensitive material into the interior of the capillary by mechanically introducing a dose of the temperature-sensitive material into the cavity of the capillary. in a consistent state, the dose is pushed through the open tip of the capillary until a stopper of specified dimensions is formed.

Tento způsob lze pozměnit také tak, že «/vpravená dávka do kapiláry se zahřátím odpaří a tlakem inertního plynu se odpařené částice dopravují ke hrotu kapiláry a jím mimo kapiláry, přičemž uvnitř hrotu kondenzují a vytvoří zátku, která se podrobí rovněž již popsanému zpracování.This method can also be modified by evaporating the injected dose into the capillary with heating and by inert gas pressure transporting the vaporized particles to and outside the capillary tube, condensing inside the tip to form a stopper, which is also subjected to the treatment described above.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

233 272

1. A process for producing ^one thermally sensitive sensor device for measuring temperatures in the microstructures · biological materials, characterized in that the blank comprised of a glass capillary pulled) into the open tip diameter) of 1 micron with this tip repeatedly pressed into the thermally sensitive material of the heat softened .I by heating until the material mechanically forms a plug of at least 0.5 diameter in the capillary tip, then the capillary tip and the stopper of the temperature sensitive material are heated to a melting point but below the softening point of the capillary glass, sealing the open tip of the glass capillary with a thermosensitive stopper and the thermosensitive stopper material is recrystallized, after which the inner space of the capillary above the stopper is filled with electrolyte, into which a metal electrode is inserted from the upper open end of the capillary and sealed with a thermoset and a protective tube, for example of polyethylene, is threaded onto the capillary from the electrode end.

2. A method for producing a temperature-sensitive sensor according to claim 1, characterized in that the batch of temperature-sensitive material is mechanically introduced into the cavity by the wider end of the capillary, then heated to the melting point and pressurized in an open state. end the capillary out until a stopper of specified dimensions is formed.

3. A method according to claim 1, characterized in that the batch of thermosensitive material introduced into the capillary is evaporated and the vaporized particles are transported to the open tip of the capillary by pressure of an inert gas, whereupon they condense with heating. into plugs of specified dimensions.