計算機控制的低溫生物顯微系統的製作方法

2023-10-25 00:40:12 2

專利名稱：計算機控制的低溫生物顯微系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及生物材料和食品的低溫保存，尤其涉及一種計算機控制的低溫生物顯微系統。
背景技術：
本發明的背景為生物材料和食品的低溫保存研究。在生物材料(如血液、精子、皮膚、微生物等)的低溫保存領域，細胞在冷凍和隨後的復溫過程中會受到諸如胞內冰晶、高濃度電解質溶液等因素的損傷，使得生物材料的回收率降低，因而有必要對細胞在冷凍和復溫過程中的變化進行跟蹤研究；在食品冷凍領域，冰晶的大小和分布，不僅影響食品在解凍後的外觀和口味，而且影響食品營養成分的保持，因而有必要對冷凍過程中冰晶的形成和生長過程進行跟蹤研究。

發明內容
本發明的目的是提供一種計算機控制的低溫生物顯微系統。
它具有倒置式光學顯微鏡、低溫臺、冷熱量供給裝置、計算機數據採集和控制系統；倒置式光學顯微鏡具有聚光鏡、物鏡和攝象機，冷熱量供給裝置具有氮氣瓶、流量計、液氮容器、鍍膜玻璃，攝象機輸出的信號通過圖象採集卡進入計算機，低溫臺上的溫度由微型熱電偶測量，信號經巡檢儀轉換為數位訊號，通過串行口通訊進入計算機；計算機一方面通過數據採集控制卡控制電磁閥和三電子膨脹閥的開關和開度的大小，另一方面通過接口電路控制低溫臺上鍍膜的加熱量；低溫臺冷卻所需的冷量由液氮容器中的液氮提供。
本發明的優點1)冷卻介質的流量控制不需要耐低溫的閥門，使系統的製作成本大大降低；2)加熱採用鍍膜玻璃，從熱源到樣品間傳熱距離很短，減少了溫度控制的滯後，提高了控溫的穩定性；3)圖象採集和溫度控制集中於一臺計算機上完成，能夠獲得準確的圖象與溫度的對應關係，有利於進一步的數據分析。


圖1是計算機控制的低溫生物顯微系統結構示意圖；圖2是計算機控制的低溫生物顯微系統低溫臺結構示意圖。
具體實施例方式
計算機控制的低溫生物顯微系統具有倒置式光學顯微鏡、低溫臺、冷熱量供給裝置、計算機數據採集和控制系統；倒置式光學顯微鏡具有聚光鏡4、物鏡6和攝象機8，冷熱量供給裝置具有氮氣瓶1、流量計2、液氮容器3、鍍膜玻璃19，攝象機8輸出的信號通過圖象採集卡進入計算機10，低溫臺5上的溫度由微型熱電偶測量，信號經巡檢儀(9)轉換為數位訊號，通過串行口通訊進入計算機10；計算機10一方面通過數據採集控制卡控制電磁閥14和電子膨脹閥11、12、13的開關和開度的大小，另一方面通過接口電路7控制低溫臺上鍍膜的加熱量；低溫臺5冷卻所需的冷量由液氮容器3中的液氮提供。
低溫臺5由不鏽鋼製作的上板17、下板18粘合而成，在上板17上開有氮氣進出口孔，在上板17上粘有透明的鍍膜玻璃19，鍍膜玻璃19導電的一面朝下，在下板上也粘有一塊玻璃20，樣品22被放在鍍膜玻璃19不導電的一面，上面蓋著蓋玻片21，測溫熱電偶23被粘在蓋玻片21上面。
倒置式光學顯微鏡上安裝有攝象機，可以拍攝顯微視野下的圖象。低溫臺放在顯微鏡的載物臺上，而被觀察的樣品則放在低溫臺上。低溫臺由上下兩塊不鏽鋼基座粘合而成，兩塊基座之間為冷卻介質的流動通道，為保證顯微鏡的光路暢通，在兩塊基座的光線通過位置都開孔並粘上玻璃，其中粘在上基座上的玻璃是鍍膜玻璃，粘在下基座上的玻璃是普通玻璃。鍍膜玻璃的鍍膜面因為要導電，所以朝下，樣品就放在其不導電的一面。樣品的降溫由在兩塊板之間流動的冷卻介質提供，而升溫由鍍膜的焦耳熱提供，其溫度在-120～50℃範圍內連續可調，最大升溫速率可達100℃/分鐘，最大降溫速率可達50℃/分鐘。由於低溫臺的溫度可能會遠低於環境溫度，若不採取措施，將導致低溫臺及鄰近區域結霜或結露，從而使光路被阻或被幹擾。為此，將低溫臺、顯微鏡的聚光鏡和物鏡部分隔離出來，用乾燥氮氣予以保護，氮氣的流量可以根據需要調節。
低溫臺的冷量是由液氮容器裡的液氮提供的，液氮由保溫管路輸送至低溫臺。液氮在管路中會不斷蒸發，到達低溫臺時已部分或全部變為氣相。冷卻介質(液氮或氣氮)流動的動力為氮氣容器裡的高壓氮氣。高壓氮氣減壓後通過電子膨脹閥、流量計後進入液氮容器，設置電子膨脹閥的目的是為了控制進入液氮容器的氮氣流量，流量計的作用是便於系統調節。液氮容器和流量計之間的管路側面裝有一手動調節閥，其作用是在系統停止工作時給液氮容器瀉壓，在系統運行時該閥門是關閉的。液氮容器和低溫臺間的管路上裝有一電磁閥，其作用是打開或關閉向低溫臺的供冷。在低溫臺的冷卻介質出口管道上裝有一電子膨脹閥，其作用是控制通過低溫臺的冷卻介質的流量。
低溫臺上樣品的溫度是通過微型熱電偶來測量的，熱電偶粘在樣品上方的蓋玻片的上表面。熱電偶信號先進入巡檢儀(一種單片機數據採集和顯示儀表)，轉化為數位訊號後，以一定的通訊協議通過串行口通訊進入計算機。計算機除顯示、存儲溫度信息外，還將測得溫度與設定溫度進行比較，根據偏差情況確定控制策略。在降溫階段，以控制鍍膜加熱為主，當鍍膜的加熱量超過其總量的某一上限(如80％)時，關小電子膨脹閥，減少冷卻氮氣的流量，當鍍膜的加熱量低於其總量的某一下限(如20％)時，開大電子膨脹閥，增加冷卻氮氣的流量；在升溫階段，當升溫速率較低時，需要冷卻氮氣，此時做法與降溫時一樣，即當鍍膜的加熱量超過其總量的某一上限時，關小電子膨脹閥，減少冷卻氮氣的流量，當鍍膜的加熱量低於其總量的某一下限時，開大電子膨脹閥。由於流量變化後反映到溫度變化有一定時間上的滯後，為此，當一次關小或開大流量後，需要等侯數個採集間隔才能進行下一次動作。計算機既通過數據採集控制卡控制管路上的電磁閥的開關和電子膨脹閥的開度，進而控制通過低溫臺的冷卻介質或常溫氮氣(直接從高壓氮氣瓶來，不經過液氮容器)的流量，又通過接口電路控制鍍膜的加熱量。
圖象採集是通過計算機上的圖象採集卡完成的，圖象採集卡與顯微鏡上的攝象機間通過電纜相連接。圖象採集軟體為圖象採集卡所附帶，可以進行連續採集(每秒24楨)，也可以按一定時間間隔(如1秒、1分鐘)定時採集。採集後的圖象信息以文件形式存儲，便於進一步分析處理。
權利要求
1.一種計算機控制的低溫生物顯微系統，其特徵在於它具有倒置式光學顯微鏡、低溫臺、冷熱量供給裝置、計算機數據採集和控制系統；倒置式光學顯微鏡具有聚光鏡(4)、物鏡(6)和攝象機(8)，冷熱量供給裝置具有氮氣瓶(1)、流量計(2)、液氮容器(3)、鍍膜玻璃(19)，攝象機(8)輸出的信號通過圖象採集卡進入計算機(10)，低溫臺(5)上的溫度由微型熱電偶測量，信號經巡檢儀(9)轉換為數位訊號，通過串行口通訊進入計算機(10)；計算機(10)一方面通過數據採集控制卡控制電磁閥(14)和電子膨脹閥(11)、(12)、(13)的開關和開度的大小，另一方面通過接口電路(7)控制低溫臺上鍍膜的加熱量；低溫臺(5)冷卻所需的冷量由液氮容器(3)中的液氮提供。
2.根據權利要求1所述的一種計算機控制的低溫生物顯微系統，其特徵在於所說的低溫臺(5)由不鏽鋼製作的上板(17)、下板(18)粘合而成，在上板(17)上開有氮氣進出口孔，在上板(17)上粘有透明的鍍膜玻璃(19)，鍍膜玻璃(19)導電的一面朝下，在下板上也粘有一塊玻璃(20)，樣品(22)被放在鍍膜玻璃(19)不導電的一面，上面蓋著蓋玻片(21)，測溫熱電偶(23)被粘在蓋玻片(21)上面。
全文摘要
本發明公開了一種計算機控制的低溫生物顯微系統。它由倒置式光學顯微鏡、低溫臺、冷熱量供給裝置和計算機數據採集和控制系統等四部分組成。倒置式光學顯微鏡上裝有攝像機；被冷卻的樣品(細胞懸浮液或薄層生物材料)放在低溫臺上，冷量由液氮提供，加熱由鍍膜提供，低溫臺的溫度在－120～50℃範圍內連續可調，最大升溫速率可達100℃/分鐘，最大降溫速率可達50℃/分鐘；計算機通過各種插卡和外圍接口，不僅進行低溫臺上溫度的採集和控制，而且以連續或定時拍攝方式獲得冷凍過程的微觀圖象。該系統在生物和食品材料的低溫保存研究領域可發揮重要作用。
文檔編號A23L3/375GK1445710SQ0311648
公開日2003年10月1日 申請日期2003年4月16日 優先權日2003年4月16日
發明者張紹志, 陳光明, 王勤 申請人:浙江大學