（检测技术与自动化装置专业论文）低温保存研究用试验系统及试验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 生物体的低温无损保存必须防止纯水冰晶的形成和盐质的偏析， 常规是采用快速冷冻或加低温保护剂来解决。而快速冷冻对较大型生 物组织效果不佳，低温保护剂则常有化学污染和中毒等问题。本项目 在慢速冷冻过程施加电场和磁场干扰，研究电场磁场对冰晶形成过程 的影响及其机理，探索慢速冷冻条件下防止纯水冰晶形成以及盐质偏 析的方法。 试验研究中，建立了低温显微系统，以比较不同条件对溶液冰晶 形成的影响。为了跟踪样品中温度的变化，并使样品在一个慢速均匀 的环境中降温，设计并实现了基于虚拟仪器技术的温度测控系统。该 系统能实时跟踪并记录样品及制冷器的温度变化情况；能精确设定并 控制制冷器的温度变化速率。设计并实现了各种电磁场发生装置，包 括极低频旋转磁场发生装置，极低频方波叠加正弦波磁场发生装置， 较高频电磁场发生装置等。 试验研究表明，变化磁场的引入会干扰溶液结冰过程中水分子定 向移动形成大的冰晶，随着电磁场频率的提高，特别是5 0 k h z 电磁场 对含盐水溶液中冰晶的生长具有较为明显的抑制作用。随后使用生物 样品试验的结果证明了5 0 k h z 磁场对低温保存的积极意义。 关键词：低温保存，电磁场，虚拟仪器，温度测控 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t e x 仃a c e l l u l a ro ri n t r a c 6 1 1 u l a ri c ec r y s t a lf 0 肌a t i o na sw e l l 鹊i c “n d u c e d “s o l u t i o n e f r e c t s ”h a sb e e np r o p o s e dt ob ek e yf - a c t o r sc a u s i n gc 呻d 撇a g et oc e l l s0 rt i s s u e s d u r i n g 叫o p r e s e a t i o np r o c e s s h o wt oc o n 昀l ，r e d u c eo re l i m i n a t em e i c ef o m a t i o n ， 嬲w e l la sv i t r i f yo r 酉a s s yc c l l s t i s s u e s ，o rf o n ns a l t yi c e ，h a sb e e na i li m p o n 。眦t r e s e mt o p i ci i l 觚d 锄e n t a l 哪，o b i o l o 卧 c o m m o nm e t h o d su s e dt 0a c h i e v e 、，i 仃i f i c a t i o n 曲旧l v et l l eu s eo fe i t h e r 趾u l t r a - r a p i dc o o l i n gr a t eo rav e 巧l l i 曲 c o n c e l l 仃a t i o no fc 驴p r o t e c t 觚t s u n f o n u n a t e l y ，a d d i n g 叩p r o t e c t 觚t s i n t r o d u c e s i m p u r i t i e sf o rb i o m a t e r i a l st h 锄s d v e sa n du 1 证l r a p i d 行e e z i n gi sv e r ) rd i 街c u l tt oo b t a i n as 锄ec o o l i n gr a t ef o rt h es u r f a c ea n dm 嘶o ro f b i gs 锄p l e s i n “sp r o j e c t ，a l l a l t 锄a t e de l e c t r i co rm a 伊e t i cf i e l di sa p p l i c dd 嘶n gm e 骶e z i n gp r o c e s so fs a l t yw a t e r s o l u t i o n i nm ep 印c r ，ac r y o m i c r o s c o p i c a ls y s t e l i lw a sb u i l tt 0o b s e r v ea i l dr e c 0 mm ei c e c r y s t a ls h a p e at e i 】叩锄m i r em o i l i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i 盟e db a s e d0 n v i t i l a li n s t n l m e n t 1 1 1 i ss y s t 锄c a nr e a l t i m et r a c ka i l dr e c o r dt h es 锄p l e st e n 叩e r a 眦， c a i ls 洲c o n 们lr e 衔g e r a t i o n 出l l e r sv 硪o u so fe l 耐r o m 秘t i cf i e l dg e n e r a t o r sw e r c b u i l t ，i n d u d cv c 巧l o w 脚e n c yr o t 鲥n gm a g n e t i cf i e l dg e i l 盯纳0 r ，v e 巧1 0 w 伍椰c y s q u a r cw a 垤f 0 肋s p l i c et o g e t h c rw i ms i n ew a v e 旬咖m 犍皿e t i cf i e l d 孵l e r a t o r ，u 辫 e r 舶q u e l l c ym a 盟“c 丘e l dg e i l e r a t o r ，a n ds oo n t kr e s u l ts h o w sm a tv e 秽l o wf e q u e l l c ym a 印e t i c6 e l dh 嬲al l i l a p p a 撒l t i n f l u e n c eo nc r y s t a l 内m l a t i o n ，a i l d5 0 k h za l t e m a t e dm a g i l c t i cf i e l dc 觚s u p p r e s sm e i c e c r y s t a lg r o w 吐li i l n 0 4s o l u t i o n 1 1 l i sp r e l 沛i n a 巧s t i l d yb 血】眵ad n c t i o n i i l c r y o p r e s e r v a t i o nw i t h s l o wt e i i l p e r a t u r ed m p p i n g r a t e k e yw o r d s ：c r y o p r e s e r v a t i o n ，e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，v i r t u a li n s e n t ，t e i 】叩e r a m r e m o n i t o r i n ga i l dc o n t r 0 1 v 江苏大学硕士学位论文 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复锘l j 手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密哐才 学位论文作者签名：，j l i 阻：；匆 2 0 0 7 年1 2 月1 5 日 指导教师签名翮絮本 2 0 0 7 年1 2 月1 5 日 江苏大学硕士学位论文 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 曰期：2 0 0 7 年1 2 月 学位论文作者签名：主一i 盘向 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 低温保存技术已经成为2 l 世纪低温生物学领域的研究热点之一，人们都在寻求 各种新的方法来解决低温下组织保存、食品保鲜等问题。而与低温生物保存联系 最密切的学科就是低温生物学了，低温生物学科可以定义为是研究低温条件下生 命现象的学科。其研究内容涉及动物学、植物学、微生物学、医学、农学、林学、 食品科学中的许多方面。它以物理学、化学、低温工程学为依托，以生物化学、生 物物理学、细胞生物学、遗传学为基础，研究生物个体的低温生存环境、离体生 物材料的低温保存、植物的冻害及耐寒性，探索低温损伤机理，发掘低温抗冻物 质，实施冷冻医疗等，从而阐明低温条件下生命现象的特征及其本质。 试验证明生物体在某低温下能够较长时间的保存。而生物体能在低温下长期 保存是因为低温能抑制生物体的生化活动。生物体虽然能在低温下长期保存，但 却极容易在降温和复温过程中受溶液冻结、融化以及溶液渗透压力变化等因素的 作用而损伤。这种低温损伤主要发生在0 一6 0 这段温度范围内，这个温度范围 被称为“危险温度区 【。 研究表明，在低温环境中，导致生物体细胞死亡的原因同冷冻过程中细胞中 冰晶的形成有关【2 捌。因此，研究冰晶形成的规律，对如何抑制生物体细胞内冰晶 的形成起着重要作用，同时也是解决组织保存、食品保鲜等问题的关键。 低温保存技术主要分为两种形式：慢速冷冻法和玻璃化法。慢速冷冻法一般 采用两步法慢速降温，其机理是先使样品缓慢降温，细胞外水结冰，导致低温保 护剂浓度升高，细胞脱水，这样细胞内低温保护剂浓度也会随之升高，然后将样 品没入液氮进行快速降温，以减少细胞内冰晶的形成。目前常用的慢速冷冻法经 过多年发展，已经形成了一整套标准，并由此建立起各种细胞库和组织库。但是， 慢速冻存本身有许多局限无法克服。例如，在慢速降温过程中，冰晶对细胞的损 伤是不可避免的，这对于长期保存细胞的质量和数量都是极为不利的。同时慢速 降温对设备的要求比较复杂，设备的昂贵和操作的繁杂，也增加了生物组织低温 保存的费用【4 】。 江苏大学硕士学位论文 玻璃化低温保存技术为解决生物体的低温损伤提供了很好的方法。研究表明， 细胞和组织中所含的水以玻璃化状态冻结时，可以避免对细胞和组织造成损伤而 导致死亡【5 6 】。因此，玻璃化低温保存技术的应用可以实现细胞和组织长期保存的 目的。目前实现玻璃化保存的方法主要有两种：一是采用非常快的降温速率，使 样品在非常短的时间内完成相变过程，样品内的水分子来不及定向排列形成通常 意义下的冰晶，而被快速固化在一种无定形状态。要实现这种玻璃化保存，要求 样品以大于1 0 6 m i n 的降温速率冷却到低于8 0 的温度，只有这样，才能避免 冰晶对样品的损伤。但是，由于生物样品的导热率较低，热容较高，对于体积相 对较大的样品，内、外降温速率相差很大，在许多情况下，样品中只有靠近表面 很薄一层区域才可能达到玻璃态固化，其它区域仍然有冰晶形成，无法实现生物 样品整体玻璃态固化。另一种方法是在生物样品中加入c p a ( 低温保护剂) ，如 s m d n ( 乙烯乙二醇) 、d m s o ( 二甲亚矾) 等，c p a 可以促使水以玻璃态冻结， 并且对生物样品的降温速率要求不高。因此，采用c p a ，配合一定的降温速率， 可以达到一定的低温保存效果【6 】。但是，c p a 具有一定的毒性，过高的浓度将导致 细胞和组织中毒死亡。 因此，迫切需要寻求一种新的方式，既能够不增加溶液的浓度又不需要很快 的降温速率而能够减少生物体的低温损伤。 生物电磁学是一门研究电磁波与生物系统相互作用的边缘交叉学科【7 】。在生 物电磁学领域中，电磁场产生的生物学效应及其应用是一个十分重要的研究课题。 生物电磁学就是研究从直流到远红外的电场、磁场和电磁场与生物系统相互作用 的科学，它的最终任务就是趋利避害，发扬光大其有利的正效应，躲避防护其有 害的负效应特别是对于损伤性的负效应【8 】。 因此，将生物电磁学应用到生物的低温保存中来，找到能够抑制生物溶液相 变过程中冰晶形成的最佳电磁场控制参数将是对传统保存方法的一种突破，具有 广阔的应用前景。 1 2 研究范围 低温保存技术已经成为2 1 世纪低温生物学领域的研究热点之一，人们都在寻 求各种新的方法来解决组织保存、食品保鲜等问题。研究表明，在低温环境中， 2 江苏大学硕士学位论文 导致生物体细胞死亡的原因同冷冻过程中细胞内冰晶的形成和局部盐浓度过高有 关。因此，研究冰晶形成的规律，对如何抑制生物体细胞内冰晶的形成以及盐质 偏析起着重要的作用，同时也是解决组织保存、食品保鲜等问题的关键。 从电介质物理理论中我们知道，介质在电场的作用下有极化和损耗现象发生。 细胞内形成冰晶并导致细胞死亡的溶液就是一种介质，电磁场对细胞内的介质一 定存在着作用，在细胞内冰晶形成的过程中，可能存在着一种影响。我们的研究 就是要找出它们之间的规律，通过电磁场对冰晶形成过程的影响来达到抑制冰晶 形成的目的。 据此，需要设计一套系统装置，对电磁场控制低温冷冻技术进行研究。这套系 统需要包含以下功能： 1 、频率、强度可调的电磁场发生装置； 2 、制冷装置及其控制系统。为了消除升降温速率对样品中冰晶形态的影响， 必须对该装置的制冷情况进行精确控制； 3 、冷冻效果检验系统。对比不同参数电磁场条件对样品冻存的影响，以寻找 最佳的低温保存电磁场参数。 1 3 研究方法现状 在生物体的低温保存中，降温过程中的低温损伤是影响细胞存活率的重要原 因。生物体可以在低温下长期保存，但在降温过程中的结晶或复温过程中的重结 晶却极可能使细胞遭受损伤而死亡【9 】。因此，冷冻生物体时，冰晶的抑制和消除对 改善低温保存的质量非常重要。在这方面，目前的主要方法有“慢速冷冻法 和 “快速冷冻法”两种。“慢速冷冻法是将细胞置于一定浓度的低温保护剂水溶液 中，以较慢的降温速率降到某一较低温度后，置于液氮中保存。此方法的缺点是 低温保护剂的使用引入了杂质，严重时会损害细胞，使细胞中毒【m 】。“快速冷冻法” 即“玻璃化方法”是人们从8 0 年代起探索的一种新的低温保存方法，此方法力图 以足够快的冷却速率，使细胞及其周围溶液来不及形成冰晶，瞬间地以非晶态( 玻 璃态) 方式固化。对于纯水和很稀的溶液，欲实现完全的玻璃化，所要求的降温 速率竟高达1 0 6 矶以上【l i 】。对于较大的组织，由于热量的传导需要一个过程，组 江苏大学硕士学位论文 织表层能够达到要求，而其内部很难达到如此高的降温速率。在冷冻过程中加高 压力，再卸压可使水迅速形成微冰晶【1 2 1 3 】，然而对生物样品却实现困难。h a i l y u 等人将微波引入生物材料的低温冷冻试验研究，发现在快速冷冻过程中，微波对 生物材料的结冰状态产生了影响，样品低温冻结后形成的冰晶中间产生一个大约 1 0 - 2 0 i i l m 厚的玻璃化区域【1 4 】。j a c k s o n 等人进行了相似的试验，试验样品是含有低 温保护剂的水溶液，在微波作用下，溶液形成的玻璃化冰晶区域明显增大l l5 1 。而 频率低于微波频率的磁场对生物溶液冰晶形成的影响情况却未见报道。 n o m a sh j a c k s o n 等人在其著名的试验中使用的装置如图1 1 所示。装置中包 含一个微波谐振腔，用于保存足够大的微波能量。样品的冷冻通过将其迅速浸入 液氮来完成。阻气门是微波谐振腔的开放部分，样品通过此处浸入液氮。1 1 l 伽嬲h j a c i ( s o n 等人利用该装置研究快速冷冻条件下微波及低温保护剂对溶液冰晶形成的 影响。试验后，通过肉眼及显微镜对样品进行观察比较。 阻 图1 1n o m a sh j a c k s o n 等人使用的试验装置 该装置满足了快速冷冻试验的要求。然而，由于对不同的样品，其降温速率不 可预知，这对低温保存技术的量化研究带来了困难。 浙江大学制冷与低温研究所利用计算机控制技术，设计制作了采用液氮冷却的 低温显微镜，用于基本的细胞低温保存研究【1 6 用。他们设计的低温显微系统如图 1 2 所示。图1 3 是放置样品的低温台。 江苏大学硕士学位论文 计算机是控制中心，对电磁阀、电子膨胀阀等的开度进行控制，从而控制样品 的制冷量。样品温度的检测通过附在样品盖玻片上的热电偶来实现。通过装在显 微镜上的摄像头，可以拍摄冷冻和复温过程中细胞的图像，经图像采集卡输入计 算机进行存储。 3 图1 2 低温显微系统 1 氮气瓶：2 流量计：3 液氮容器：4 聚光镜：5 低温台；6 物镜；7 接口电路； 8 摄像机；9 巡检仪；1 0 计算机：ll ，1 2 ，1 3 电子膨胀阀；1 4 电磁阀； 1 5 ，1 6 手动调节阀。 图1 3 放置样品的低温台 该系统与t 1 1 0 m 弱h j a c k s o n 等人的的试验装置相比较，降温速率降低了，可 以对升、降温速率进行控制，并且可以对样品在降温过程中的图像进行自动记录， 显然性能提高了很多，然而复杂性也同时大大增加了。该系统存在的问题主要是 太复杂，并且无法实现极慢速均匀升降温。 l er e n t a 0 等人还使用如图1 4 所示的简易装置研究高压电场对样品冰晶形成 江苏大学硕士学位论文 的影响【1 8 】。通过控制氮气的流量对样品的降温情况进行粗略控制。使用显微镜对 样品进行观察。 氮气 图1 4l er e n t a o 等人使用的降温装置 其它文献中使用的研究装置与以上介绍的方法类似。可以看出，对样品的制冷 均使用液氮或低温氮气进行，对样品的比较一般采用肉眼观察宏观图像或用显微 镜观察微观图像。 综观以上试验装置，存在一下问题： 1 、使用液氮或低温氮气冷却，装置体积一般比较大且复杂。 2 、在研究电磁场等因素对低温保存的影响中，保证样品在极慢速的环境中降 温，以消除降温速率产生的影响非常重要。而上述装置很难达到极慢速且均匀的 降温效果。 3 、上述装置中，对试验后样品的比较方法比较单一。对于不易进行直接观察 的样品，如生理盐水，可寻求其他方法对试验效果进行比较。 1 4 本文的研究目的及内容 1 4 1 本文研究意义 生物体的低温保存是低温生物学研究的重要课题，已经成为研究的热点。关 于细胞的低温保存，目前的主要方法有“慢速冷却法”和“快速冷却法”两种。“慢 速冷却法 是将细胞置于一定浓度的低温保护剂盐水溶液中，以较慢的降温速率 降到某一较低温度后，置于液氮保存。而“快速冷却法”力图以足够快的冷却速 率，使细胞及其周围溶液来不及形成冰晶，瞬间地以非晶态( 玻璃态) 方式固化。 总之，成功实现低温保存有两条途径，一条是极大地提高冷却速率，另一条 是增加低温保护剂浓度。对前一种方法而言，将样品快速投入液氮，其降温速率 一股只有1 0 幻s ，而若要使l 朋的纯水滴实现玻璃化，其降温速率要求在1 0 7 矶 江苏大学硕士学位论文 以上。对稍大的水滴实现非晶态固化更困难。而对于后一种方法，在溶液中加入 低温保护剂，可降低达到非晶态所需要的冷却速率。当保护剂溶液( 如甘油、d m s o 、 丙二醇等) 质量百分比浓度为4 0 一6 0 时，较容易形成非晶态，但在室温下，这 样高的浓度会对细胞产生剧烈的损伤。 鉴于上述两种低温保存方法存在的局限性，我们希望能够找到一种全新的方 法电磁场冷冻法。由于电磁场对于水分子存在极化作用，在某一频率下，水 分子会跟不上电磁场的转动，产生松弛损耗。这时，电磁场会干扰水分子的定向 运动，阻碍水分子在相变过程中规则排列形成晶体，这样就会导致水分子的非晶 态固化，即“玻璃化保存。此外，电场对于水分子的主要作用是通过细胞膜的电 容电流t ，它使得水合离子在细胞中作来回迁移，而且随着频率的增加，往复运 动频率加快，也会对水分子的定向结晶产生破坏作用。这两种作用都会有利于生 物体的低温保存。 为此，需要一系列试验装置对该项课题进行研究。然而，已有的试验装置存 在很多问题，例如使用不方便，在极慢速冷冻条件下无法保证降温的均匀性，样 品的观察方法落后等问题。并且，低频电磁场对低温保存的影响研究至今未见报 道，试验装置也无从谈起。因此，需要对课题研究中所使用的试验装置重新进行 设计并实现。 电磁场冷冻法能够弥补目前主要低温保存方法的不足之处，如果研究成功， 有望替代现有的低温保存方法，成为新型的低温保存技术，具有广阔的应用前景。 1 4 2 本文研究目的及内容 结合国内外的研究进展和国家自然基金课题“电磁场对低温下生物生态影响 的机理研究的要求，为了研究电磁场冷冻法的可行性，本文将通过对在电磁场 作用下含盐水溶液冰晶状态的观测，对在低温下生物组织细胞中含盐水溶液形成 冰晶的状态作出规律性的研究；并以电介质物理相关理论为指导，研究其作用原 理；找出恰当的频率，防止含盐水溶液和生物细胞中冰晶的形成，使得生物细胞 的存活率得到提高。 本课题的研究任务具体有以下几个方面： 一、对原有低温观测系统进行改进。 江苏大学硕士学位论文 二、建立温度测控系统。由于降温速率是影响冰晶形态的重要因素之一，因此 在课题研究中，对样品温度变化过程的精确控制非常重要。运用虚拟仪器技术并 利用相关硬件设备建立温度测控系统，对样品及制冷器的降温过程进行实时监控。 三、不同形式电磁场发生装置的设计及实现。 四、含盐水溶液结晶状态的研究。利用上述所建立的系统，研究极慢速冷冻条 件下电磁场对含盐水溶液结晶状态的影响。在其它条件相同的情况下，通过水溶 液在有无电磁场作用下结晶状态的对比，研究不同频率和强度的电磁场对其影响 的大小；并对该影响作出比较合理的解释。 五、含盐水溶液其它低温特性的研究。通过试验研究电磁场作用下，含盐水溶 液降温特性的变化，从侧面来反映结晶状态的变化。 、 t 六、研究电磁场对于生物低温保存的影响。将电磁场施加于生物样本上，进行 低温保存试验，以此研究电场对于低温保存的作用，为无损电磁控制冷冻技术应 用提供实例。 江苏大学硕士学位论文 2 1 试验系统的构成 第二章试验器材与设备 试验系统框图如图2 1 所示。系统工作时，装有虚拟测控系统软件的p c 机通 过数据采集卡输出数字量信号到h 桥驱动电路，h 桥驱动电路的输出控制半导体 制冷器的降温速率，半导体制冷器为样品降温。样品及半导体制冷器的温度通过 热电偶测量，热电偶的输出通过信号调理电路转换为o 一5 v 电压信号，该信号通 过数据采集卡送入p c 机。p c 机根据所获得的热电偶测量结果调整数据采集卡输 出的数字量，从而控制半导体制冷器的降温速率。在降温过程中，电磁场发生装 置对样品施加不同频率的电磁场。样品达到预定制冷效果后，通过低温显微镜对 样品中冰晶进行观察，通过摄像机和视频采集卡，显微镜中观察到的图像可以在 电脑中显示，并可以对采集到的图像进行拍照记录。试验装置实物图如图2 2 所示。 图2 1 试验系统原理框图 江苏大学硕士学位论文 图2 2 试验装置实物图 在使用冰柜对样品进行降温的试验中，使用热电偶测量冰柜的降温速率，并 用数码相机拍摄样品图片。 下面对系统的各个部分分别介绍。 2 2 电磁场发生装置 2 2 1 亥姆霍兹线圈 亥姆霍兹线圈是一对相同的、共轴的、彼此平行的各有n 匝的圆环线圈，当 通以同方向电流，时，理论计算证明：两线圈间距等于线圈半径又时，两线圈的叠 加磁场在轴上( 两线圈圆心连线) 附近较大范围内是均匀的，这样的一对线圈称 为亥姆霍兹线圈。这种均匀磁场在科学实验中应用十分广泛，例如，显像管中的 行、场偏转线圈就是根据实际情况经过适当变形的亥姆霍兹线圈。与永磁铁磁场 相比，它具有一定的可调性和闲置时不产生磁场的优点，而且它获得均匀的磁场 比较方便，但是磁场的强度不能太强( 几十高斯至几百高斯) 。如图2 3 所示【撙】。 江苏大学硕士学位论文 r z p 他儿，z i ， 翮墨 抽( 晨i 固j ，轴雌) 乏 翮鹄 饵。删斑泖厂拿 图2 3 亥姆霍兹线圈原理图 线圈匝数一般采用l o o 匝以上，这样可以获得尽量强的磁场。亥姆霍兹线圈 产生的磁场分布曲线如图2 4 所示【1 9 1 。 黑静r 套磐 、，l 二 图2 4 亥姆霍兹线圈磁场的均匀分布曲线图 在同一圆上依次垂直放置两对线圈，当对两对线圈分别通入相位相差l 4 周期 的正弦波电流时，能达到产生旋转磁场的效果。整个线圈装置产生的磁场与只有 一组线圈工作时产生的磁场强度相等，其计算公式如2 1 。 肛赫 他。 r2 + ( ) 2 】7 2 2 2 2 极低频旋转磁场发生装置 本装置用于极低频磁场对k m n 0 4 溶液相变过程冰晶形成的影响。所发生交变 磁场频率的范围是0 6 0 0 h z 。 信号卜叫墨竺兰 发生i 器l 功毫謦u 亥姆霍 大器l i 兹线圈l 翌黧l + l 亥姆霍 大器2h 磊磊萄2 图2 5 产生低频旋转磁场的原理框图 江苏大学硕士学位论文 积分器可以使正弦信号相位移位9 0 度。本部分所使用的积分器产生极低频旋 转磁场的电路框图如图2 5 所示，图2 6 为积分器电路原理图。图2 7 为示波器记 录的正弦波在通过积分器前后的波形图。相差9 0 度的两组信号通过功放分别加到 两组垂直放置的亥姆霍兹线圈上，就产生了旋转磁场。 图2 6 积分器电路图 图2 7 通过积分器前后波形对比图 ( a ) 信号发生器输出信号；( b ) 通过积分器后的信号 功率放大器选择t d a 2 0 4 0 a 芯片。电路原理图如图2 8 所示。电路中电阻r 为负载，在电路工作时，r 即为亥姆霍兹线圈组。 江苏大学硕士学位论文 图2 8 功率放火器原理图 2 2 3 方波叠加正弦波磁场发生装置 在磁疗中，多使用脉动磁场对病患者进行治疗【2 0 】。为了研究磁场对低温下生 物生态的影响，制作了该磁场发生装置。 产生极低频方波叠加正弦波磁场的电路原理框图如图2 9 所示。d 触发器可使 方波信号的周期减半，在其中一个触发器前使方波信号反相，可在两个触发器的 输出端得到相位相差四分之一周期的方波信号。再通过加法器叠加正弦波信号， 便得到了所需要的方波叠加正弦波信号。该信号经过功率放大器加载到亥姆霍兹 线圈，就得到了试验中所需的极低频方波叠加正弦波磁场。 图2 9 极低频方波叠加正弦波磁场发生装置原理框图 极低频方波叠加正弦波磁场发生装置所产生的波形示意图如图2 1 0 所示。触 发器为上升沿触发器。 江苏大学硕士学位论文 2 2 3 高频磁场发生装置 本部分所说的高频是指磁场频率相对较高，即频率在5 0 k h z 左右。 西安交大的研究发现，5 0 k h z 交变电场对峨溶液中冰晶的形成有明显抑 制效果【2 1 1 。因此制作了能发生频率为5 0 k h z 左右的磁场发生装置，用以研究该频 率段磁场对低温条件下v i n 0 4 溶液中冰晶的形成及生物样品的影响。 传统的产生频率较低的交变磁场的方法是使用功放驱动线圈产生磁场。然而， 随着磁场频率的提高，这种方法越来越显示出其局限性。线圈的感抗与流过线圈 电流的频率成正比，增大流过线圈电流的频率后，线圈的感抗随之增大，为了保 证所产生的磁场强度不变，即保证流过线圈的电流大小不变，必须提高线圈两端 的电压。然而，传统方法中线圈两端电压的提高很有限。为解决以上问题，本文 运用串联谐振原理设计了一套能够产生较高频率及较高磁场强度的交变磁场发生 装置，用以研究5 0 k h z 左右交变磁场对生物溶液相变过程中冰晶形成过程的影响。 对于r l c 组成的串联回路，其输入阻抗随频率变化的特性为 z ( 弘) = r + - ，( 础一去) 。当变化时，感抗和容抗有相互抵消的作用。所以，当缈= “，l 1 时，出现础一之= o ，这时端口上的电压与电流同相，工程上将电路的这种工作 c 驴c 状况称为串联谐振。串联谐振频率是由电路中的、c 参数决定的纸：毒一，、 0 l c ：土勿。如图2 1 2 所示。 图2 1 2 串联谐振电路 利用该原理，试验中选择固定的线圈( 电感确定) 及所需要的频率，改变电容 的值，使电路在期望频率附近发生谐振。串联谐振是电压谐振，在线圈上得到的 电压是所加电源电压的q 倍，实测品质因数q 为2 0 ，从而在线圈中获得较高的磁 场强度。 试验中所选择线圈的直径为3 2 锄，线圈使用直径为o 3 l 砌的铜线绕成，每个 江苏大学硕士学位论文 线圈1 8 0 匝，两线圈并联连接，线圈间距离为1 6 c m 。这样就组成了一组亥姆霍兹 线圈。 在确定线圈的电感时，由于线圈电感会受到绕制松紧程度的影响，不宜进行 精确计算。因此，使用实测的方法对线圈的电感量进行确定。市电为稳定的5 0 h z 信号，采用经过变压器后的市电作为输入信号对线圈的电感值进行测定。使用显 示格式为四位半的数字万用表对线圈两端的电压及电流进行测量。测量数据如表 2 1 所示。 电压有效值( v )电流有效值( a ) u i u i 平均值 2 2 9 5o 5 64 0 9 84 0 5 5 3 4o 8 4 4 0 4 8 4 0 21 0 04 0 2 不。 表2 1 线圈上电压电流数据表 实测得线圈电阻l k 2 4 q 。 由公式阱一脚一叽卢。脏腑计算得。 串联谐振电路当发生谐振时，厶2 五击，从而c = 石弓河。 所需要的交变磁场频率变化时，串联谐振电路中的电容随之变化。如表2 2 所 磁场频率 2 0 k h z5 0 k h z1 0 0 l 【h z 谐振电容 6 0 8 7 1 1 f 9 7 3 8 7 p f2 4 3 4 7 p f 表2 2 频率与电容对应表 当l c 串联电路发生谐振时，感抗和容抗相互抵消，l c 电路的阻抗为零。为 了保护信号源，限制流过线圈的电流，在电路中串联一个阻值稳定的电阻。使用 示波器测量该串联电阻上的电压峰峰值，从而间接测得流过串联谐振电路电流的 大小。 通过减小串联电阻的大小，可以提高流过线圈的电流的大小，即提高了所产 f 图2 1 3 电场试验装置中的电极系统 江苏大学硕士学位论文 点，试验中选择热电偶做为温度传感器。 热电偶是温度测量中应用最广泛的温度器件，它的主要特点就是测温范围宽， 性能比较稳定，同时结构简单，动态响应好，更能够远传4 2 0 m a 电信号，便于 自动控制和集中控制。 热电偶的测温原理是基于热电效应。将两种不同的导体或半导体连接成闭合 回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势，这种现象称为热电效 应，又称为塞贝克效应。闭合回路中产生的热电势有两种电势组成：温差电势和 接触电势。温差电势是指同一导体的两端因温度不同而产生的电势。不同的导体 具有不同的电子密度，所以他们产生的电势也不相同。而接触电势顾名思义就是 指两种不同的导体相接触时，因为他们的电子密度不同所以产生一定的电子扩散， 当他们达到一定的平衡后所形成的电势，接触电势的大小取决于两种不同导体的 材料性质以及他们接触点的温度。 目前国际上应用的热电偶具有一个标准规范。国际上规定热电偶分为八个不 同的分度。分别为b 、r 、s 、k 、n 、e 、j 和t 。其测量温度的最低可测零下2 7 0 摄氏度，最高可达1 8 0 0 摄氏度。其中b 、r 、s 属于铂系列的热电偶。由于铂属 于贵重金属，所以他们又被称为贵金属热电偶。而剩下的几个则称为廉价金属热 电偶。热电偶的结构有两种：普通型和铠装型。普通性热电偶一般由热电极、绝 缘管、保护套管和接线盒等部分组成。而铠装型热电偶则是将热电偶丝、绝缘材 料和金属保护套管三者组合装配后，经过拉伸加工而成的一种坚实的组合体。但 是热电偶的电信号却需要一种特殊的导线来进行传递，这种导线我们称为补偿导 线。不同的热电偶需要不同的补偿导线，其主要作用就是与热电偶连接，使热电 偶的参比端远离电源，从而使参比端温度稳定。补偿导线又分为补偿型和延长型 两种，延长导线的化学成分与被补偿的热电偶相同。但是实际中，延长型的导线 也并不是用和热电偶相同材质的金属，一般采用和热电偶具有相同电子密度的导 线代替。补偿导线的与热电偶的连线一般都是很明了，热电偶的正极连接补偿导 线的红色线，而负极则连接剩下的颜色。一般的补偿导线的材质大部分都采用铜 镍合金。 铜。康铜热电偶( t 型) 在2 0 0 4 0 0 温度范围内，具有热电势和温度关系 近似线性，而且热电势大、灵敏度高、复制性好等优点，它是一种准确度高的廉 。囊菇9 i 曩多 熬 。j 羹i 藕鬻 斓蕊囊萋 鬻滗攀燃 一2一1 ol _ | 萎，i _ i | 热电动势聃y 江苏大学硕士学位论文 度。热电偶所测目标的当前温度t 的计算公式为：r = 毛一互 其中，瓦为参考端温度为o 时的温度，互为参考端温度。 2 3 2 信号调理电路 热电偶信号调理电路的作用是对热电偶输出的电压信号进行放大，以便得到 足够大的电压信号输入到数据采集卡的黜，d 端。电路中选用l m 3 2 4 芯片作为放大 器，使用二级放大电路，电路原理图如图2 1 5 所示。 图2 1 5 热电偶放大电路图 使用前调节r l 和r 2 ，使放大器的总放大倍数为2 0 0 0 倍。 2 4 光电耦合器及h 桥驱动电路 为了更好的进行低温保存研究，不仅需要对样品实现降温控制，对样品的升 温控制也很重要。根据半导体制冷器特性，对其输入正向电流制冷器制冷，对其 输入反向电流则制冷器制热。所以需要选择一种既能输入正向电流也能输入反向 电流的驱动电路。因此，能够实现正反向驱动的h 桥型驱动电路能很好的满足此 设计要求。 图2 1 6 为h 桥驱动电路原理图。从此图可以看出，控制信号连接到四个晶体 管的基极，决定晶体管的通断时序，进而对负载的通断电和驱动电流的正反向进 行控制。当控制信号让晶体管v t l 、v t 4 导通时，工作电流从左至右流过负载， 此时为正向电流，半导体制冷器制冷；当控制信号让晶体管v t 2 、y r 4 导通时， 工作电流从右至左流过负载，此时为反向电流，半导体制冷器制热【2 3 1 。 江苏大学硕士学位论文 图2 1 6h 桥驱动电路原理图 本系统采用英飞凌公司的h 桥驱动芯片t l e 5 2 0 6 - 2 。它最大允许通过5 a 连续电 流，6 a 峰值电流；最大工作电压4 0 v ；工作温度范围：4 0 正 1 5 0 。 芯片与数据采集卡通过光电耦合器t l p 5 2 1 的连接电路如图2 1 7 所示。图中u s 是半导体制冷器的工作电源，在接到屯路板的输入端时，需要在电路板的电源输 入端加一个1 0 0 心的电解电容。这样，电路板需要供电时，不是直接从电源处取， 而是通过电容放电，可以得到稳定的电流供给。在芯片的电源和地两端，接一个 1 0 0 i l f 的瓷片电容，解决芯片在供电过程中，由于电路板的走线电感产生的电源开 关噪声尖峰。 2 5 数据采集卡 2 5 1u s b 2 0 13 简介 图2 1 7 光电耦合器及h 桥驱动电路 本文采用的是支持l a b v i e w 语言，由北京阿尔泰科技公司生产的u s b 2 0 1 3 型数 据采集卡。u s b 2 0 1 3 板卡上设计有1 2 b i t 分辨率的d 转换器和d a 转换器，提供了 1 6 路单端或8 路双端的模拟输入通道和4 路d a 输出通道，d 转换器输入信号范 围：5 v 、1 0 v 、0 1 0 v ：d a 转换器输入信号范围：0 5 v 、o 1 0 v 、5 v 、 江苏大学硕士学位论文 c r 翩t e d e v i c e 功能：该函数负责创建设备对象，并返回其设备对象旬柄。 参数：d e v i c c i d 设备i d ( 1 d e i i t i 丘e r ) 标识号。当向同一个w i l l d o w s 系统中加入 若干相同类型的u s b 设备时，系统将以该设备的“基本名称”与d e 、，i c e d 标识值 为名称后缀的标识符来确认和管理该设备。 返回值：如果执行成功，则返回设备对象句柄；如果没有成功，则返回错误 码n 吼，a u dm 气n d l 啪l u e 。 r e i e 嬲e d e v i c e 功能：释放设备对象所占用的系统资源及设备对象自身。 参数：h d e v i c e 设备对象句柄，它应由c r e a t e d e v i c e 创建。 返回值：若成功，则返回t r u e ，否则返回f a l s e ，用户可以用g e t l a s t e 掀 捕获错误码。 h l i t d e v i c e 匝亘囹 回 固 功能：它负责初始化设备对象中的a d 部件，为设备操作就绪有关工作，如预 置a d 采集通道，采样频率等，然后启动a d 设备开始a d 采集，随后，用户便可 以连续调用r e a d d e v i c e a d 读取u s b 设备上的a d 数据以实现连续采集。注意， 每次在i n i t d e v i c 鲋d 之后所采集的所有数据，其第一个点是无效的，必须丢掉， 有效数据从第二个点开始。 参数： h d e 嗵c e 设备对象句柄，它应由u s b 设备的c r e a t e d e v i c c 创建。 p a d p a m 设备对象参数结构，它决定了设备对象的各种状态及工作方式，如 a d 采样通道、采样频率等。 返回值：如果初始化设备对象成功r 则返回t i m e ，且a d 便被启动。否则返 回f a l s e ，用户可用g e t l 嬲t e d r o r 捕获当前错误码，并加以分析。 江苏大学硕士学位论文 r e a d d e 讥c e 匝亘堕受圣圊 匦西星固 功能：读取u s b 设备a d 部件上的批量数据。它不负责初始化a d 部件，待 读完整过指定长度的数据才返回。它必须在“t d e v i c e a d 之后，r e l e a l s e d e v i c e a d 之前调用。注意在每次i i l i t d e v i c 刮气d 之后，用r e a d d e v i c 幽d 函数读取的所有数 据，其第一个点无效，必须丢掉，从第二个点开始全部有效。 参数： h d e 试c e 设备对象句柄，它应由c 删e v i c e 创建。 p a d b u 妇衙用户数据缓冲区地址。接受的是从设备上采集的l s b 原码数据。 呶e a d s i z 删s 读取数据的长度( 以字为单位) ，为了提高读取速率，根据特 定要求，其长度必须指定为3 2 字的整数倍长，如3 2 、6 4 、1 2 8 8 1 9 2 等字长， 否则，u s b 设备对象将失败该读操作。 返回值：若成功，则返回t r u e ，否则返回f a l s e ，用户可以用g e t l a s t e 仃o r 捕获错误码。 s e t d e v i c e d o 匿面不翊 功能：负责将u s b 设备上的输出开关量置成相应的状态。 参数：h d t 赫c e 设备对象旬柄，它应由c r e a t e d e v i c e 决定；p d o p a r 8 十六路开 关量输出状态的参数结构，共有1 6 个成员变量，分别对应于d o o - d 0 1 5 路开关量 输出状态位。 返回值：若成功，返回t i 沁e ，否则返回f a l s e 。 本研究中使用的降温设备有半导体制冷器和冰柜。在需要控制降温速率的试 验中，使用半导体制冷器。在对大样品进行冷冻的试验中，为了达到更均匀的降 蓝 江苏大学硕士学位论文 温效果，使用冰柜作为制冷设备。 2 6 1 半导体制冷器 一、半导体的制冷原理及半导体制冷器件 半导体制冷器件属于一种换能器件，其工作原理涉及两种温差效应：帕耳帖 效应和汤姆逊效趔2 5 1 。 l 、帕耳帖效应 帕耳帖效应是j c a 帕耳帖在1 8 8 4 年发现。帕耳帖效应表明的是如下的现象： 当两种不同的材料a 和b 组成电路且通过直流电时，在接头处除焦耳热以外还会释 放或吸收某种其它的热量。这种现象如图2 2 0 所示。由帕耳帖效应所应起的这种现 象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热也随之改变。 材料8 结点上吸热域放热取 决于电流i 的方向 图2 2 0 帕耳帖效应 吸收或放出的热量与电流强度j 成正比，且与两种材料的性质及接头温度有 关。在图2 2 0 中，如果电流由材料a 流向材料b ，则单位时间内接头处吸收的热量 为：包6 = j 。 ，为电流强度，称为材料口和6 之间的相对帕耳帖系数，单位为v ，为正 值时，表示吸热，反之为放热。 这种效应是温差电制冷相关的主要效应，帕耳帖系数的大小，取决于构成闭合 回路的材料的性质和接点温度，其数值可由塞贝克系数和接头处的绝对温度丁 得出：= r 。 半导体材料的帕耳帖效应比金属材料要强得多，因而实际应用的温差电制冷器 件，都是由半导体材料制成的，因此温差电制冷器一般叫做半导体制冷器。 江苏大学硕士学位论文 2 、汤姆逊效应 按照图2 2 1 所示，当一段有温度梯度的金属导体通过电流，时，原有的温度分 布将被破坏。 q 图2 ，2 1 汤姆逊效应 为了维持原有的温度分布，导体将吸收或者放出热量，这种现象称为汤姆逊效 应。这种情况表明，在导体中除了产生电阻有关的焦耳热以外，还会吸收或放出 汤姆逊热。在单位时间或单位体积内吸收或放出的热量与电流密度和温度梯度成 比例。若电流方向有低温端写流向高温端磊+ r ，则在单位时间单位体积内所吸 收的热量为：吼= 毛，r 。 式中l 为导惭的汤姆逊系数，单位为v k 。如果电流由温度高的一端流向温 度低的一端，则是放出热量，汤姆逊系数为正