低温显微镜冷源及防结露系统的研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.9MB 60 页 15积分

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摘要

目前，低温显微镜主要应用于低温生物医学,可用于直接观察和摄录生物体

在降温、复温过程中的形态变化，给低温损伤机理的研究提供了依据。然而低温

显微镜的研制虽已历经数十年，目前已经比较成熟，但是不同的低温显微镜仍存

在着防结露结霜、体积庞大、安全隐患等不同的问题，如何将这些问题全部解决

成为低温显微镜研究的关键，针对上述问题我们设计了一种降温与防止结露、结

霜自成一体的、操作方便的低温显微镜防结露装置。

论文首先确定了系统的整体设计方案，然后对系统进行热力计算（包括样品

冷量和系统漏热量计算）和部件选型，之后确定了控制系统方案，进行了程序流

程的设计及界面的编制，最后对系统进行调试，确定了系统可行性。

该低温显微镜可实现的功能：1.降温范围：常温至-80℃；2.升/降温速率：

0-50℃/min；3.数据保存： SD 卡模式和与 PC 机通讯以 EXCEL 格式保存模式。

该低温显微镜具有自成一体的防结露结霜装置、体积小、冷源安全可靠、携

带方便等特点。

设计该低温显微镜在 3L 液氮容器时工作时间超过两个小时，经过初步调试，

在降温过程中未发现有结露、结霜现象，从而确保了光路的通畅，低温显微镜的

冷源系统在工作中运行稳定可靠。

实验结果表明，该低温显微镜有望应用于医疗行业的科研与实验。

关键词：低温显微镜冷源防结露结霜控制系统

ABSTRACT

Cryomicroscopes are mainly used in cryobiology and cryomedicine at present，

and they can be used to observe and record the variation of organisms directly during

cooling and rewarming. All of these give us a reference for the study of damaging

under low temperature. The development of cryomicroscopes has experienced several

decades until now and their technology has been more mature, but they still exist

some problems, such as preventing frosting and fogging、huge size、safety and so on.

Now the key is how to resolve these problems. So we design a cryomicroscope aimed

at these problems.

Firstly, we determine the whole scheme of the system. Then we complete the

thermodynamic calculation (cooling capacity of sample and heat leakage of system)

of the system and product selection, after that, we determine the scheme of control

system and design the programming process. At the last, we debug the system and

make sure the systematic feasibility.

The functions it can be achieved:1.The range of cooling: from normal

temperature to -80℃ ; 2.Cooling rate:0～50℃/min; 3. Data storage: SD card mode

and EXCEL mode through communication between PC and ARM chip.

The features of cryomicroscope have perfect device for preventing frosting and

fogging、small size、reliable safety and convenience to carry.

The cryomicroscope we have designed can work more than two hours in 3L

container filled with Liquid Nitrogen. There is no phenomenon of frosting or fogging

when debugging, so the light can pass more unobstructed. The cooling system of

cryomicroscope runs stably and reliably at work.

The results show that the cryomicroscope may be used in research and

experiment of medical industry.

Key Words: Cryomicroscope, Cold source, Preventing fogging and

frosting, Control system

中文摘要

ABSRTACT

第一章绪论

§1.1 低温生物学概述..............................................1

§1.1.1 低温生物学的研究现状 ...................................1

§1.1.2 细胞损伤机理分析 .......................................2

§1.1.3 低温保存的应用范围 .....................................3

§1.2 低温显微镜的重要意义 .......................................3

§1.3 低温显微镜国内外研究现状 ...................................4

第二章低温显微镜系统的设计

§2.1 本论文研究的主要任务 .......................................6

§2.2 低温显微镜系统..............................................6

§2.3 生物显微镜..................................................8

§2.4 低温显微镜配套装置的选用 ...................................9

§2.4.1 微型真空泵的选用 .......................................9

§2.4.2 过滤装置的选用 ........................................10

§2.4.3 固态继电器的选用 ......................................11

§2.4.4 电加热丝的选用 ........................................11

§2.4.5 透光玻璃及配套装置的选取 ..............................12

§2.4.6 微型液氮罐的选用 ......................................13

§2.4.7 低温台材料的选用 ......................................14

§2.4.8 低温台外罩材料的选用 ..................................14

第三章低温显微镜系统的换热计算

§3.1 系统冷负荷的计算 ..........................................15

§3.1.1 样品冷负荷的计算 ......................................16

§3.1.2 低温台漏热量的计算 ....................................17

§3.2 液氮流量计算 ..............................................24

§3.2.1 氮气质量流量计算 ......................................24

§3.2.2 氮气体积流量计算 ......................................25

§3.3 液氮消耗量的计算 ..........................................25

§3.4 电加热丝加热量的计算 ......................................26

§3.4.1 进口电加热丝加热量的计算 ..............................26

§3.4.2 出口电加热丝加热量的计算 ..............................27

§3.5 本章小结 ..................................................27

第四章低温显微镜控制系统的设计....................................28

§4.1 低温显微镜控制系统.........................................28

§4.2 STM32F103 芯片 .............................................29

§4.2.1 STM32F103 基本功能 ....................................29

§4.3 低温显微镜控制系统输入 ....................................32

§4.3.1 C8051F350 单片机 .......................................32

§4.3.2 温度传感器的选用 ......................................34

§4.4 低温显微镜控制系统输出 ....................................39

§4.4.1 蜂鸣器.................................................39

§4.4.2 微型真空泵控制系统.....................................39

§4.5 按键系统、液晶显示和数据储存 ..............................40

§4.5.1 按键功能...............................................40

§4.5.2 液晶显示内容 ..........................................41

§4.5.3 数据储存 ..............................................42

§4.6 程序控温...................................................42

§4.6.1 微机过程控制系统 ......................................42

§4.6.2 系统中断程序 ..........................................42

§4.6.3 PID 控温 ...............................................43

§4.6.4 定时器中断服务程序 ....................................47

§4.6.5 脉宽调制 PWM ..........................................48

§4.7 低温显微镜数据采集系统 ....................................48

第五章低温显微镜系统的调试........................................53

第六章结论........................................................54

参考文献...........................................................55

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ....................57

致谢 ..............................................................58

第一章绪论

低温生物医学是一门低温工程与生物医学相互交叉的学科。它的出现是生物

医学史的一个进步，对生物医学的发展有重大意义，而低温显微镜又是应低温生

物医学的需要而产生的，因此，低温显微镜与低温生物医学之间有着紧密的联系。

§1.1 低温生物学概述

自从二十世纪人类进入细胞水平的研究以来，经济的迅速发展和人类医疗水

平的逐渐提高对人类生物医学的要求越来越高，人类便展开对生物细胞和组织在

低温和复温情况下所发生变化的研究，这为研究生物材料的低温保存提供了现实

依据，从而又更好地促进了生物医学的发展。

§1.1.1 低温生物学的研究现状

六十年代，美国纽约的血液中心主任 A.W.Rowe 成功地实现了对人体红细胞

的低温保存。在 1980 年，他复查了在液氮温度下（-196℃）保存了 12 年的红细胞，

却没有发现任何功能和生化上的变异，这些证明了生物材料不但可以在低温下实

现保存，还可以实现在低温下长期保存。

对于细胞的冷却，人们发现过快或过慢的冷却速度均可造成细胞的损伤。许

多研究表明，细胞慢速冷冻、细胞脱水收缩从而引起细胞内原生质和细胞器的变

化是造成损伤的主要原因，而且在渗透收缩过程中膜压力的增加也造成了一定的

损伤。对于细胞组织冷冻损伤的机理主要有两派学说，一派是以英国剑桥大学

D.E.Pegg 为首，坚持认为是慢速冷冻引起的盐浓度增加造成细胞损伤；另一派则

是以美国国家实验室 P.Mazur 为首，认为是细胞外溶液未冻水份额减少而导致细胞

损伤。至今，对细胞组织冷冻损伤机理的看法，仍未统一。

生物体虽然能在低温下长期保存，但是却极易在降温和复温过程中受溶液渗

透压力变化，以及溶液冻结、融化等因素的作用而损伤。而这种低温损伤主要发

生的温度范围为 0℃到-60℃。

细胞冷却和复温过程的损伤对细胞低温保存的影响很大，故科学家致力于对

其机理的研究，以寻求更好的方式保存细胞及组织等。目前，低温生物学在两方

面发展最快：一方面是对自然状态下的生物耐寒性的理论研究，另一方面是通过

冷冻保存以维持包括高等动物在内的动物组织、细胞、器官以及个体的生活状态

的应用研究。

目前，能低温保存的人体细胞和组织主要有：血液及其某些组份、角膜、精

子、胚胎、皮肤、骨髓细胞、肝细胞、甲状腺旁体、胰腺组织等。尽管全血和各

种血液成分的低温保存，不但可解决供血和输血双方时间不同的矛盾，而且还可

低微显微镜冷源及防结露系统的研究

根据不同患者的要求提供对应的血液成分，但是，人们更关心的是血管、胰岛、

肾等的低温保存，而这些器官的保存还有待进一步突破[1]。

§1.1.2 细胞损伤机理分析

在工程上，低温通常是指比-120℃更低的温度范围。但是在生物和医学中，

低温通常指从稍低于正常体温（37℃）直至低于-196℃。

据研究证明，过快冷却和过慢冷却都会导致细胞存活率下降。对于过慢冷却

使细胞受损而致死的原因，科学家们提出不同的假说，如 Lovelock 认为，过慢冷

却使电解质浓度升高从而导致了细胞膜脂蛋白复合体破坏和膜分解。Meryman 却

认为，细胞膜脱水收缩至最小体积使细胞膜的渗透率不可逆的转换程度增加，原

不能够透过膜的溶质也能透过了，从而导致了细胞的死亡。

1972 年，Mazur 等率先对中国仓鼠组织培养的细胞的低温保存实验数据进行

分析，而后提出冷冻损伤的两因素假说。该假说认为造成冷冻损伤主要有两个独

立的因素有：一个是胞内冰的形成，这是由过快冷却产生的，由于冷却速率过快，

使得胞外溶液中形成大量冰晶且浓度急速增高，水分子不能及时从胞内渗出从而

导致胞内溶液结冰，实验表明，冷却速率越快，此损伤越大；另一个是“溶液损

伤”，这是由过慢冷却产生的，慢速冷却中，细胞在高浓度的溶液中暴露的时间过

长从而遭到损伤。研究证明，冷却速率越慢，该损伤越大。

两因素假说如图 1-1 所示，由于此两因素的综合作用，必然就存在某一最佳冷

却速度，对应于低温保存的最佳存活率。

图1-1 低温损伤的两因素假说

复温过程的研究与冷却过程相比要薄弱很多。在许多情况下，细胞能在最佳

冷却速率的情况下降至低温，然后在-196℃下长期储存。却很可能在复温过程中由

于损伤而死亡。实际上，复温过程中造成损伤可能有很多方面。严格来说，正确

的复温过程应该是冷却过程的函数。

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摘要：

摘要目前，低温显微镜主要应用于低温生物医学,可用于直接观察和摄录生物体在降温、复温过程中的形态变化，给低温损伤机理的研究提供了依据。然而低温显微镜的研制虽已历经数十年，目前已经比较成熟，但是不同的低温显微镜仍存在着防结露结霜、体积庞大、安全隐患等不同的问题，如何将这些问题全部解决成为低温显微镜研究的关键，针对上述问题我们设计了一种降温与防止结露、结霜自成一体的、操作方便的低温显微镜防结露装置。论文首先确定了系统的整体设计方案，然后对系统进行热力计算（包括样品冷量和系统漏热量计算）和部件选型，之后确定了控制系统方案，进行了程序流程的设计及界面的编制，最后对系统进行调试，确定了系统可行性。该低温显...

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