一種低溫生物實驗用微型實驗裝置的製作方法

2023-07-04 16:45:01 1

專利名稱：一種低溫生物實驗用微型實驗裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種生物實驗用實驗裝置，特別涉及一種低溫生物實驗用微型實驗裝置，該微型實驗裝置為一種利用半導體製冷原理製成的用於低溫生物學實驗用的微型實驗裝置。
低溫生物醫學是近年來新興的交叉學科，隨著其深入發展，從微觀角度揭示生命熱機理並將其充分地應用於臨床實踐引起了廣泛的關注。由於細胞是最小的生命組成單元，因而低溫生物醫學工程的首要任務就在於充分揭示溫度對各類細胞生命活動的作用規律。許多細胞如血液細胞、造血幹細胞、生殖細胞受冷、熱因素影響的研究具有重要意義。細胞尺寸從數個微米(如精子及血紅細胞)到數百微米(如卵母細胞)的範圍，但大多數在數十微米。長期以來人們採用各種各樣的途徑對發生在細胞內外的傳熱、傳質以及一系列由此引起的物理、化學行為進行研究，但迄今對此機制的認識仍嚴重匱乏，其中最關鍵的原因之一就是缺乏對微小生物樣品熱狀態的準確控制。所以，對微小生物樣品實驗環境的建立具有重要的意義。
目前，在低溫生物學研究實驗中，大都採用製冷劑如液氮來達到對生物樣品降溫的目的，這需要一系列配套設施，如需要製備液氮的專門設備或大量購買液氮，還需要對液氮進行保存，長期保存液氮需要用到有一定價格而體積較大的杜瓦瓶，這對於大多數醫學生物學研究單位不方便。而且，採用液氮容器如杜瓦瓶對生物樣品進行降溫無法實現複雜的降溫程序。僅就降溫而言，當生物樣品投入液氮後，由於液氮和生物樣品之間的大溫差，在生物樣品周圍會形成大量的氮蒸汽泡，會阻礙液氮和樣品間的傳熱從而降低降溫效果。而且，此時若需要對生物樣品進行復溫，更是一件困難的事。所以採用液氮降溫對於低溫生物學研究有很大的局限性，因為低溫生物學研究中常常需要隨意地對生物樣品降溫或升溫，甚至需要對其交替地降溫、升溫；此外，美國，1979年「低溫生物學」第16卷，第497-505頁「用於低溫保存的由微處理器控制的速率控制器」(Baartz G.,Brock,M.A.,A microprocessor-controlled rate controller for use in cryopreservation,Cryobiology,vol.16,pp.497-505,1979)介紹了一種直接對生物體噴射液氮來實現其降溫的儀器但這種儀器需要一系列複雜的輔助設備，如冷卻室、電磁閥、風扇、微處理器、液氮容器等，顯然，需要的配套設施多，價格高昂，而且需要佔用較大的實驗空間。
之外，中國實用新型專利(ZL91215370)提出了一種低溫生物降溫控制裝置，即利用液氮的自然蒸發在杜瓦瓶內形成溫度梯度，通過控制生物樣品在此溫度區內的上下移動，來控制生物樣品的降溫，該結構中除要用到杜瓦瓶及相應的液氮外，尚需採用步進電機及相應的結構及控制裝置來控制生物樣品的上下移動，因此，其結構比較複雜，製造和加工難度較大，成本高。
本實用新型的目的在於克服上述生物實驗中存在的諸多缺陷，提供一種低溫生物實驗用微型實驗裝置，該實驗裝置結構簡單、緊湊，成本低廉，操作十分簡便，而且溫度範圍寬，控溫精度高，響應速度快，僅需有電源即可實現對生物樣品的降溫，適合於醫學及生物工程研究機構使用，對於推動低溫生物醫學技術的進步有重要意義。
本實用新型的實施方案如下本實用新型提供的低溫生物實驗用微型實驗裝置，其特徵在於包括製冷器1、固定在製冷器1冷端5上的微型樣品室2及固定在製冷器1熱端6上的肋片散熱器3；製冷器1由串聯在一起的1-8級呈寶塔形的由半導體製冷Peltier元件集成封裝在兩金屬平板之間形成的製冷單元組成，製冷單元之間隔有陽極化鋁板13；固定在製冷器1冷端5上的微型樣品室2由圓形室壁7、固定在圓形室壁7底端的基底9、扣蓋在圓形室壁7上端的絕熱蓋8構成的圓筒型室腔12和覆蓋於圓筒型室腔12外表面上的筒型絕熱襯墊10組成，基底9上鑲嵌或焊接有溫度傳感器11；圓筒型室腔12的直徑和高度均控制在5mm-25m範圍內；基底9採用導熱係數較高的材料，如銅片製作；微型樣品室2與半導體製冷器1的冷端5焊接在一起，之間設置有導熱矽脂，以保證良好的熱耦合；圓形室壁7採用導熱係數較小的材料，如不鏽鋼製作；固定於製冷器1熱端6的肋片散熱器3由散熱肋片31和風扇4組成，風扇4位於散熱肋片31下方，製冷器1熱端6固定於散熱肋片31的凹平面32上。
本實用新型可方便地通過改變製冷器1電流來改變製冷溫度，從而可對生物材料實施不同的降溫速率，且連續性較好，操作十分簡便，而且，一旦改變電流方向，其降溫面隨即變為加熱面，因而又可迅速實現對生物樣品的升溫，而生物樣品與降溫或升溫平臺之間的直接接觸使得二者之間的傳熱性能較好，不像液氮冷卻時會產生大量蒸汽泡而阻礙傳熱，降溫或升溫的響應速度快，且由於待實驗的生物樣品量少，熱載荷低，通過控制半導體製冷器的級數可以實現較大的低溫，如理論上最低可達145K，所以本實驗臺能滿足多種低溫生物學實驗要求。最顯著的一個特點是不依賴於任何冷源，無須採用製冷劑，只需電源即可，因而任何研究機構均可購置使用，且成本相對於以往完成同樣目的的裝置而言十分低廉。
半導體製冷器直接利用電能製冷，與一般機械製冷相比具有很多優點無運動部件，無噪聲，啟動時間短，體積小，重量輕，壽命長，可靠性高，與工作方位或重力無關
本實用新型提供低溫生物實驗用微型實驗臺，結構簡單、緊湊，成本低廉，操作十分簡便，而且溫度範圍寬，控溫精度高，響應速度快，僅需有電源即可實現對生物樣品的降溫，適合於醫學及生物工程研究機構使用，對於推動低溫生物醫學技術的進步有重要意義。
以下結合附圖及實施例進一步描述本實用新型


圖1為本實用新型結構示意圖；圖2為肋片散熱器3的結構示意圖；圖3為微型樣品室2的結構示意圖；其中製冷器1微型樣品室2 肋片散熱器3風扇4 製冷器1冷端5製冷器1熱端6圓形室壁7 絕熱蓋8 基底9筒型絕熱襯墊10 溫度傳感器11圓筒型室腔12半導體製冷元件陽極p半導體製冷元件陰極n由圖可知，本實用新型提供的低溫生物實驗用微型實驗臺，包括製冷器1、固定在製冷器1冷端5上的微型樣品室2及固定在製冷器1熱端6上的肋片散熱器3；製冷器1由串聯在一起的1-8級呈寶塔形的由半導體製冷Peltier元件集成封裝在兩金屬平板之間形成的製冷單元組成，製冷單元之間隔有陽極化鋁板13；固定在製冷器1冷端5上的微型樣品室2由圓形室壁7、固定在圓形室壁7底端的基底9、扣蓋在圓形室壁7上端的絕熱蓋8構成的圓筒型室腔12和覆蓋於圓筒型室腔12外表面上的筒型絕熱襯墊10組成，基底9上鑲嵌或焊接有溫度傳感器11；圓筒型室腔12的直徑和高度均控制在小5mm-25mm範圍內；基底9採用導熱係數較高的材料，如銅片製作；微型樣品室2與半導體製冷器1的冷端5焊接在一起，之間設置有導熱矽脂，以保證良好的熱耦合；圓形室壁7採用導熱係數較小的材料，如不鏽鋼製作；固定於製冷器1熱端6的肋片散熱器3由散熱肋片31和風扇4組成，風扇4位於散熱肋片31下方，製冷器1熱端6固定於散熱肋片31的凹平面32上。
圖1為本實用新型一實施例結構示意圖，該實施例中，製冷器1由串聯在一起的3級由半導體製冷Peltier元件(該元件的陽極用p表示，陰極用n表示)集成封裝在兩金屬平板之間形成的製冷單元組成，可獲得接近乾冰的溫度(-78℃)，微型樣品室2焊接固定在製冷器1的冷端5上，肋片散熱器3焊接固定在製冷器1的熱端6上；一旦製冷器1接通電源(與變壓器連接，以獲得安全電壓和電流)，則熱端6發熱，冷端5降溫，可通過改變電流方向調整熱端6或冷端5的相對位置。冷端5即製冷面是發明的關鍵部分，用作生物樣品溫度的改變；不同尺寸的樣品室適用不同尺寸生物樣品實驗時選用。而且，配備一定的抽真空裝置後，本系統還可作微型冷凍乾燥實驗系統用。
由圖2可知，肋片散熱器3由散熱肋片31和風扇4組成，風扇4放在散熱肋片31的下方；圖3為微型樣品室2的結構示意圖，由圖可知，固定在製冷器1冷端5上的微型樣品室2由圓形室壁7、固定在圓形室壁7底端的基底9、蓋在圓形室壁7上端的絕熱蓋8構成的圓筒型室腔12和覆蓋在圓筒型室腔12外表面上的筒型絕熱襯墊10組成，基底9上鑲嵌或焊接有溫度傳感器11；圓筒型室腔12的直徑和高度均控制在小於5mm-25mm範圍內；基底9採用導熱係數較高的材料，如銅片製作；微型樣品室2與半導體製冷器1的冷端5焊接在一起，之間設置有導熱矽脂，以保證良好的熱耦合；圓形室壁7採用導熱係數較小的材料，如不鏽鋼製作。
高熱導率製成的導熱肋片散熱器3，在製冷器1熱端6和散熱肋片31底部之間的空隙內充填有高熱導率介質，以減小二者之間的導熱熱阻，從而保證熱端產生的熱量能很快就傳到高熱導率散熱肋片31上，由於散熱肋片31表面積很大，可以達到很高的散熱量。製冷器1的熱端置於空氣中，為進一步加大散熱效果，本實用新型在熱端上加有肋片散熱器3，並布置一小風扇4進行鼓風，通過迫使肋片周圍空氣對流將肋片表面上熱量迅速移走，由此可保證整個裝置的安全使用。
本實用新型可方便地通過改變製冷器1電流來改變製冷溫度，從而可對生物材料實施不同的降溫速率，且連續性較好，操作十分簡便，而且，一旦改變電流方向，其降溫面隨即變為加熱面，因而又可迅速實現對生物樣品的升溫，而生物樣品與降溫或升溫平臺之間的直接接觸使得二者之間的傳熱性能較好，不像液氮冷卻時會產生大量蒸汽泡而阻礙傳熱，降溫或升溫的響應速度快，且由於待實驗的生物樣品量少，熱載荷低，通過控制半導體製冷器的級數可以實現較大的低溫，如理論上最低可達145K，所以本實驗臺能滿足多種低溫生物學實驗要求。最顯著的一個特點是不依賴於任何冷源，無須採用製冷劑，只需電源即可，因而任何研究機構均可購置使用，且成本相對於以往完成同樣目的的裝置而言十分低廉。
半導體製冷器直接利用電能製冷，與一般機械製冷相比具有很多優點無運動部件，無噪聲，啟動時間短，體積小，重量輕，壽命長，可靠性高，與工作方位或重力無關；本製冷系統中，在接頭處放熱或製冷量的多少，主要取決於半導體材料的性能和電流的大小，但電流有最佳值，通過調節電流的大小，可在一定程度上實現不同的製冷量。要獲得較低的溫度，需要採用多級製冷。
圖1為示意的三級半導體製冷器結構圖，它可獲得接近乾冰的溫度(-78℃)，上下兩級間用導熱的矽脂，以保證良好的熱耦合。多級製冷器在穩定工作時，任意一級熱端放出的熱量應等於下一級冷端吸收的熱量，因而第二級冷端吸收的熱量為第一級熱端放出的熱量，其它級依此類推(張國剛，微型製冷器，北京國防工業出版社，1984,pp.149-159)。由於所需的冷卻能力要逐級增加，所以多級製冷器的Peltier元件數目必須逐級增加，形成寶塔形，但級數不能無限制增加，目前最多八級，能獲得145K的低溫(張國剛，微型製冷器，北京國防工業出版社，1984,pp.149-159)，其尺寸一般在100mm×100mm×60mm左右。多級製冷器的冷端採用陶瓷片作絕熱傳熱層，熱端採用肋片散熱或流水冷卻。本實用新型可根據不同的製冷要求，構建級數不同的製冷部件。
由上所述，本實用新型採用的製冷來源於半導體元件，其響應速度較快，且精度較高，製作相對容易，數據採集及處理十分方便，無複雜電路，結構簡單，控溫範圍廣。本系統適宜於不同低溫生物學研究。而且，樣品室可接抽真空設備或置於真空環境，因而本系統還可充當微型冷凍乾燥儀用。
進行實驗研究時，可根據需要將本製冷系統接通電流，則製冷開始，將生物樣品置於樣品室基底上，即可實施降溫。開通微處理晶片，記錄下所測試基底溫度，然後通過控制機構調整電流大小，從而實現不同的降溫程度。結合生物學檢驗和觀察，即可對不同降溫程度對各種細胞的作用規律作出判斷。
權利要求1．一種低溫生物實驗用微型實驗裝置，其特徵在於包括製冷器(1)、固定在製冷器(1)冷端(5)上的微型樣品室(2)及固定在製冷器(1)熱端(6)上的肋片散熱器(3)；製冷器(1)由串聯在一起的1-8級呈寶塔形的由半導體製冷Peltier元件集成封裝在兩金屬平板之間形成的製冷單元組成，製冷單元之間隔有陽極化鋁板(13)；固定在製冷器(1)冷端(5)上的微型樣品室(2)由圓形室壁(7)、固定在圓形室壁(7)底端的基底(9)、扣蓋在圓形室壁(7)上端的絕熱蓋(8)構成的圓筒型室腔(12)和覆蓋於圓筒型室腔(12)外表面上的筒型絕熱襯墊(10)組成，基底(9)上鑲嵌或焊接有溫度傳感器(11)；其基底(9)採用導熱係數較高的材料製作；圓形室壁(7)採用導熱係數較小的材料製作。
2．按權利要求1所述的低溫生物實驗用微型實驗裝置，其特徵在於微型樣品室(2)與半導體製冷器(1)的冷端(5)焊接在一起，之間設置有導熱矽脂。
3．按權利要求1所述的低溫生物實驗用微型實驗裝置，其特徵在於固定於製冷器(1)熱端(6)的肋片散熱器(3)由散熱肋片(31)和風扇(4)組成，風扇(4)位於散熱肋片(31)下方，製冷器(1)熱端(6)固定於散熱肋片31的凹平面(32)。
4．按權利要求1所述的低溫生物實驗用微型實驗裝置，其特徵在於所述的基底(9)採用導熱係數較高的銅製作。
5．按權利要求1所述的低溫生物實驗用微型實驗裝置，其特徵在於所述的圓形室壁(7)採用導熱係數較小的不鏽鋼製作。
6．按權利要求1所述的低溫生物實驗用微型實驗裝置，其特徵在於所述的圓筒型室腔(12)的直徑和高度均控制在5mm-25mm。
專利摘要低溫生物實驗用微型實驗裝置,包括製冷器、固定在製冷器冷端上的微型樣品室及固定在製冷器熱端上的帶風扇的肋片散熱器;製冷器由串聯一起的Peltier元件集成封裝在兩金屬平板之間形成的製冷單元組成,微型樣品室基底上鑲嵌或焊接有溫度傳感器;僅需有電源即可實現對生物樣品的降溫,而且溫度範圍寬,控溫精度高,響應速度快。
文檔編號B01L7/00GK2442748SQ0025782
公開日2001年8月15日 申請日期2000年9月29日 優先權日2000年9月29日
發明者劉靜, 周一欣 申請人:中國科學院低溫技術實驗中心