CN103135632B - 显微观察时维持样品温度恒定的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种属于分析测试仪器领域的维持样品温度恒定的装置，该装置包括柔性绝缘材料2、加热电阻丝3、测温热电偶4、数据采集模块5、通讯模块6和DA输出模块7，该装置采用柔性绝缘材料包覆的电阻丝加热，通过热电偶传感器采集柔性绝缘材料的温度信号，温度信号传送给控制计算机形成负反馈，通过计算机反馈信号来控制维持样品的温度恒定。使用中，该装置环绕样品皿，通过和样品皿换热，来控制样品皿中心样品的温度。该装置可实现在25～100℃温度范围内任一温度恒定。该装置可通过软连接扣连接样品皿，以方便包裹样品皿。

Description

显微观察时维持样品温度恒定的装置

技术领域

本发明属于分析测试仪器领域，尤其涉及一种显微观察时维持样品温度恒定的装置，具体地说，本发明对采用柔性绝缘材料包覆的电阻丝进行加热，通过调节加热电阻丝的功率来维持样品皿中样品的温度恒定。

背景技术

在化学化工生产和科研过程中，经常需要通过显微镜实时、在线地观察样品不同温度时的微观光学形貌。传统的水浴、电热套、恒温箱等虽然可以控制样品的温度恒定，但无法实现通过显微镜实时、在线地观察样品。目前市场上有INSTEC公司生产的专用于显微镜的变温装置，可实现温度在-78℃-250℃的连续变化，但其操作复杂，设备昂贵，一般实验室承受不起。另外，此变温装置鉴于其自身的设计，有一个最大的不足：显微镜只可以用长工作距离物镜观察，一般物镜的工作距离不足以观察到样品，鉴于物镜价格的昂贵，一般实验室不配或仅配一两个长工作距离物镜。因此，极大限制了此变温装置的广泛使用。市面上Tokai Hit公司生产了一种CO₂孵育装置，用来将生物样品如细胞等维持在37℃，CO₂含量保持在5％，湿度90％。这种装置非常适合做生物样品，但价格也很昂贵，操作复杂，还需要CO₂钢瓶，占地面积大。此装置的另一个问题是：这个恒温装置通过空气传热，传热慢，适合维持在某一个温度不变，不适合做变温实验。对于化学样品，经常需要分析的是不同温度时样品的光学特征，而且对于细胞样品来说，相对于湿度和CO₂含量，温度是最重要的，只要温度维持在37℃，细胞的存活时间就会比在室温25℃下大大增加。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明设计了一种简单的维持样品温度恒定的装置，显微观察时，可以实时地、在线地控制温度。

在生物分析测试中，细胞一般在confocal皿中培养，当然confocal皿也可放化学样品，用于在显微镜下观察其光学特征，这也就是本发明所指的样品皿。本发明的目的是提出一种显微观察时维持样品温度恒定的装置，其特征在于，所述装置包括柔性绝缘材料2、加热电阻丝3、测温热电偶4、数据采集模块5、通讯模块6、DA输出模块7，其中，

所述加热电阻丝3包裹在所述柔性绝缘材料2内部，用于加热提高所述柔性绝缘材料2的温度；

所述测温热电偶4置于所述柔性绝缘材料2的中心，用于测量所述柔性绝缘材料2的温度，并产生一温度信号；

所述数据采集模块5采集所述温度信号并通过通讯模块6传输至控制计算机；

所述DA输出模块7接收控制计算机通过通讯模块6发送过来的反馈信号，并根据所述反馈信号控制所述加热电阻丝3的加热速率。

利用本发明设计的装置，可在普通显微镜、荧光显微镜、共聚焦显微镜及双光子显微镜等仪器上实现实时、在线地观察样品不同温度的光学形貌。只要物镜能够承受25-100℃的温度，就可以使用任何物镜，与物镜的工作距离无关。而且此装置简单、便宜，有助于在各实验室内的推广。

附图说明

图1为本发明所提出的维持样品温度恒定的装置-柔性恒温器的结构示意及工作原理图。

图2为图1所示的柔性恒温器与样品皿的连接示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供一种维持样品温度恒定的装置，尤其是一种显微观察时维持样品温度恒定的装置，图1是所述维持样品温度恒定的装置-柔性恒温器的结构示意及工作原理图，图中：1为整个柔性恒温器，2为柔性绝缘材料，3为加热电阻丝，4为测温热电偶，5为数据采集模块，6为通讯模块，7为DA输出模块，8为连接扣。图中所示的柔性恒温器1主要由柔性绝缘材料2、加热电阻丝3、测温热电偶4、数据采集模块5、通讯模块6、DA输出模块7和连接扣8组成。

柔性绝缘材料2内部包裹加热电阻丝3用来加热提高温度，在柔性绝缘材料中心装有测温热电偶4以测量柔性绝缘材料的温度，即柔性恒温器的温度，并产生一温度信号，数据采集模块5采集所述温度信号并通过通讯模块6传输至控制计算机；DA输出模块7接收控制计算机通过通讯模块6发送过来的反馈信号，并根据所述反馈信号控制所述加热电阻丝3的加热速率。连接扣8的作用是用来扣紧柔性恒温器和样品皿，以将柔性恒温器固定在样品皿上。

实际上，样品皿中样品的实际温度t_real和柔性恒温器热电偶测得的温度t_恒温器是有差别的，样品实际温度t_real可通过温度计直接测量，而我们能控制的是柔性恒温器的温度t_恒温器。在一定的温度范围内，确定柔性恒温器温度也就是热电偶测得的温度t_恒温器与样品实际温度t_real的对应关系，拟合成一函数。这样，当样品要达到某一个温度t_real时，根据上述函数就能够确定柔性恒温器所需要达到的温度t_恒温器。

控制计算机按照基于传热学设计的程序，根据预先设定的实际样品需要达到的温度来控制柔性恒温器所需的加热温度，并给出一反馈信号，该反馈信号经通讯模块6传输至DA输出模块7，利用DA输出模块7控制加热电阻丝的功率大小从而控制加热电阻丝3的加热速率。

上述功能通过计算机控制的加热程序实现，具体过程如下：要使样品达到实验要求的目标温度T，需要知道目标温度T与样品当时的实际温度t_real的差值来决定柔性恒温器的加热程序。在样品的实际温度t_real低于希望达到的目标温度T的情况下，当目标温度T与通过柔性恒温器的热电偶测量温度t_恒温器对应的样品实际温度t_real的差值大于一定的Δt时，计算程序给出反馈信号，通过控制柔性恒温器加热电阻丝3的功率，持续加热；当实际温度t_real升高至与目标温度T的差值小于等于一定的Δt时，计算机发出减小加热电阻丝3的功率的反馈信号，通过控制柔性恒温器加热电阻丝3的功率值，来降低加热速率，使加热电阻丝3缓慢加热至样品需要的目标温度T；当样品实际温度t_real高于样品希望达到的目标温度T情况下，且差值小于一定的Δt′时，控制计算机发出减小加热电阻丝3的功率的反馈信号，以降低加热速率，使加热电阻丝3缓慢加热，直至目标温度T与所述实际温度t_real的差值大于等于一定的Δt′时，停止加热。通过这种方法，能够控制样品温度来达到用户所需求的目标温度T。

在实际使用中，所述柔性恒温器环绕在样品皿周围，优选地，柔性恒温器通过软连接扣8连接样品皿，以方便包裹样品皿。图2给出了柔性恒温器与样品皿的连接关系，图中，9为样品皿。环绕在样品皿9周围的柔性恒温器通过与样品皿9进行换热，以最终实现对样品皿9中心样品温度的控制。通过本发明提供的上述装置，能够方便的控制样品的温度直至达到用户所需求的目标温度T。

本发明所提出的维持样品温度恒定的装置可实现样品在25～100℃温度范围内任一温度上维持温度恒定。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种显微观察时维持样品温度恒定的装置，其特征在于，所述装置包括柔性绝缘材料(2)、加热电阻丝(3)、测温热电偶(4)、数据采集模块(5)、通讯模块(6)、DA输出模块(7)，其中， 

所述加热电阻丝(3)包裹在所述柔性绝缘材料(2)内部，用于加热提高所述柔性绝缘材料(2)的温度； 

所述测温热电偶(4)置于所述柔性绝缘材料(2)的中心，用于测量所述柔性绝缘材料(2)的温度，并产生一温度信号； 

所述数据采集模块(5)采集所述温度信号并通过通讯模块(6)传输至控制计算机； 

所述DA输出模块(7)接收控制计算机通过通讯模块(6)发送过来的反馈信号，并根据所述反馈信号控制所述加热电阻丝(3)的加热速率； 

所述控制计算机根据所述测温热电偶(4)测得的温度t_恒温器以及预先设定的样品需要达到的目标温度T生成一反馈信号，来控制所述装置的加热温度。 

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括一连接扣(8)，所述连接扣(8)用于连接所述装置与样品皿，以将所述装置固定在样品皿上，从而通过与样品皿的换热最终实现对样品皿中心样品温度的控制。 

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述连接扣(8)为软连接扣，使得所述装置能够包裹地环绕在样品皿的周围。 

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述DA输出模块(7)通过控制所述加热电阻丝(3)的功率大小来控制所述加热电阻丝(3)的加热速率。 

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述样品皿中样品的实际温度t_real与所述测温热电偶(4)测得的温度t_恒温器存在一对应关系。 

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制计算机生成一反馈信号进一步包括，根据所述测温热电偶(4)测得的温度t_恒温器与样品的实际温度t_real之间存在的一对应关系，得到与所述测温热电偶(4)测得的温 度t_恒温器对应的样品的实际温度t_real，并根据所述目标温度T与所述实际温度t_real的差值来生成所述反馈信号。 

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，根据所述目标温度T与所述温度t_real的差值来生成所述反馈信号进一步包括： 

当所述实际温度t_real低于目标温度T，且目标温度T与所述实际温度t_real的差值大于Δt时，控制计算机发出使加热电阻丝(3)持续加热的反馈信号，当所述实际温度t_real升高至与目标温度T的差值小于等于Δt时，控制计算机发出降低加热速率的反馈信号，以使加热电阻丝(3)缓慢加热至目标温度T； 

当所述实际温度t_real高于目标温度T，且目标温度T与所述实际温度t_real的差值小于Δtˊ时，控制计算机发出降低加热速率的反馈信号，以使加热电阻丝(3)缓慢加热，直至目标温度T与所述实际温度t_real的差值大于等于Δtˊ，然后停止加热。 

8.根据权利要求1或7所述的装置，其特征在于，所述反馈信号为增加/减小所述加热电阻丝(3)的功率的反馈信号。 

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置能够实现样品在25～100℃温度范围内任一温度保持温度恒定。