用于冷冻时支撑样品的支撑装置、冷冻装置及冷冻系统的制作方法

1.本公开涉及生物医学技术领域，具体涉及一种用于冷冻时支撑样品的支撑装置、冷冻装置及冷冻系统。


背景技术：

2.生物样品的快速冷冻与加热技术在生物医学领域有很多重要的应用，例如细胞冷冻储存与复活，蛋白质冷冻固定表征等。
3.目前的生物冷冻技术，主要有插入式冷冻、喷射式冷冻以及高压冷冻。插入式冷冻(plunge freeze)是目前行业内最为常用的制样方法。插入式冷冻通常将负载生物样品的样品台(微栅)固定在样品杆前端，由机械控制将样品快速插入低温液体，例如液态乙烷，或液氮等，从而完成对生物样品的冷冻。喷射式冷冻(jetting freeze)，通常将负载生物样品的样品台通过样品杆传送至冷冻腔特定位置，然后采用高压液氮蒸汽对样品进行高速喷射，从而完成对生物样品的冷冻。高压冷冻(high pressure freeze)与插入式冷冻原理相似，采用低温液体冷冻样品，但在冷冻的同时在样品腔内施加2000个大气压左右的高压，降低水的结冰温度，同时抑制冰结晶过程中产生的体积膨胀，从而避免冰结晶对生物样品结构的破坏，制备质量较高的冷冻生物样品。
4.但是，插入式冷冻存在如下缺陷：由于需要将样品整体插入低温液体，因此在冷冻过程中，无法针对样品特定区域进行选择性冷冻，在冷冻过程中也无法原位进行实时显微观察。喷射式冷冻在插入式冷冻的基础上，采用高速喷射的低温液体制冷，提高了传热效率。高压冷冻与上述两种冷冻方式的原理相似，由于高压抑制冰结晶，冷冻效果较好，样品质量较高。但喷射式冷冻和高压冷冻同样具有不能够实时显微观察和局部选区冷冻的缺陷。这些缺陷限制了人们对冷冻生物样品更进一步的深入研究。


技术实现要素：

5.为了解决相关技术中的问题，本公开实施例提供一种用于冷冻时支撑样品的支撑装置、冷冻装置及冷冻系统。
6.第一方面，本公开实施例提供一种用于冷冻时支撑样品的支撑装置。
7.具体地，所述用于冷冻时支撑样品的支撑装置，包括：
8.与冷源接触的支撑层；
9.界面层，位于所述支撑层上，用于放置样品；
10.电学参数能够调整的热源，与所述冷源配合，用于冷冻所述样品；
11.其中，经过冷冻的所述样品与所述界面层间的结合力或者所述界面层与所述支撑层间的结合力小于经过冷冻的所述样品能够承受的最大外力。
12.可选地，所述热源为外部热源或者所述支撑层设置有热源。
13.可选地，所述热源为外部热源时，所述支撑层为冷冻基底或者所述支撑层为冷冻基底与位于所述冷冻基底上的热阻层构成的复合层。
14.可选地，所述支撑层包括：设置于所述界面层下方的加热层；所述加热层为所述热源。
15.可选地，所述支撑层还包括：
16.冷冻基底，其上设置有热阻层；
17.其中，所述加热层位于所述热阻层上。
18.可选地，所述界面层直接铺设于所述支撑层上；或者所述支撑层表面经过疏水处理后形成所述界面层。
19.可选地，所述界面层的材料为异戊烷、正己烷、疏水材料，或者所述界面层为疏水结构。
20.可选地，所述加热层的材料为金属、半导体材料或者导电化合物。
21.第二方面，本公开实施例提供一种冷冻装置。
22.具体地，所述冷冻装置，包括：
23.冷源，用于冷冻样品；
24.与所述冷源接触的支撑层；
25.位于所述支撑层上的界面层；
26.其中，经过冷冻的所述样品与所述界面层间的结合力或者所述界面层与所述支撑层间的结合力小于经过冷冻的所述样品能够承受的最大外力。
27.可选地，还包括：
28.电学参数能够调整的热源，与所述冷源配合，用于冷冻所述样品；
29.所述热源为外部热源或者所述支撑层的部分设置为热源。
30.可选地，所述热源为外部热源时，所述支撑层为冷冻基底或者所述支撑层为冷冻基底与位于所述冷冻基底上的热阻层构成的复合层。
31.可选地，所述支撑层包括：设置于所述界面层下方的加热层；所述加热层为所述热源。
32.可选地，所述支撑层还包括：
33.冷冻基底，其上设置有热阻层；
34.其中，所述加热层位于所述热阻层上。
35.可选地，还包括：
36.样品载体，位于所述界面层一侧，用于放置样品；
37.其中，所述样品载体与所述界面层间的距离能够调整。
38.可选地，还包括：
39.至少第一支撑结构，位于所述样品载体与所述界面层之间。
40.可选地，多个所述第一支撑结构之间高度相同或者不同，形状相同或者不同。
41.可选地，所述样品载体和/或所述界面层上设置至少一个第二支撑结构。
42.可选地，多个所述第二支撑结构之间高度相同或者不同，形状相同或者不同。
43.可选地，还包括：
44.驱动单元，用于驱动样品在所述界面层与所述样品载体间形成的空间内移动。
45.可选地，所述驱动单元采用ewod器件驱动样品移动。
46.可选地，所述界面层直接铺设于所述支撑层上；或者所述支撑层表面经过疏水处
理后铺设所述界面层。
47.可选地，所述界面层的材料为异戊烷、正己烷、疏水材料，或者所述界面层为疏水结构。
48.可选地，所述加热层的材料为金属、半导体材料或者导电化合物。
49.可选地，所述样品载体为覆有膜结构的载网。
50.可选地，所述样品为水相样品。
51.第三方面，本公开实施例提供一种利用第二方面任一项所述的冷冻装置的冷冻系统。
52.具体地，所述冷冻系统，包括：物镜，用于透过所述冷冻基底或者样品载体观察常温样品状态，冷冻过程和冷冻后的样品。
53.可选地，所述物镜为油浸物镜。
54.可选地，所述油浸物镜与所述冷冻基底接触；或者，所述油浸物镜与所述样品载体直接接触。
55.本公开实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
56.(1)本公开实施例的支撑装置，通过在与冷源接触的支撑层上设置界面层，样品直接与界面层接触，选用合适的界面层材料，使得冷冻后的样品能够不被破坏地与界面层分离，或者将界面层的一部分一并转移，实现冷冻样品的脱离，可兼容不同种类的载体使用，载体成本低，整体上降低了成本。而且将冷冻样品分离后，后续观测以及制样处理会更加容易，简化了操作。
57.(2)本公开实施例的冷冻装置，界面层优选为液态材料，可以降低对支撑层表面例如加热层或者热阻层的平整性要求，从而在已有平整度的基础上进一步改善样品表面，使得冷冻后的样品表面更加平整，有利于后续光学和电子成像，尤其是对于高分辨率成像至关重要。
58.(3)本公开实施例的冷冻系统，通过设置第一支撑结构、第二支撑结构来调整冷冻样品的厚度，从而有利于提高样品冷冻速度，便于后续观测及样品处理。
59.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
60.结合附图，通过以下非限制性实施方式的详细描述，本公开的其它特征、目的和优点将变得更加明显。在附图中：
61.图1示出本公开的样品冷冻与观测的示意图；
62.图2示出本公开的用于冷冻时支撑样品的支撑装置；
63.图3a-3c示出冷冻样品被转移的原理示意图；
64.图4示出本公开的冷冻装置的结构示意图；
65.图5示出本公开的另一冷冻装置的结构示意图；
66.图6示出了冷冻样品与界面层分离的流程图；
67.图7a-图7d示出了第一支撑结构、第二支撑结构控制冷冻样品厚度的原理示意图；
68.图8示出本公开的冷冻系统的结构示意图；
69.图9a-图9b示出了油浸物镜从样品侧观测冷冻样品的示意图；
70.图10示出了利用冷冻系统来操作样品的方法的流程图；
71.图11示出了另一利用冷冻系统来操作样品的方法的流程图。
具体实施方式
72.下文中，将参考附图详细描述本公开的示例性实施例，以使本领域技术人员可容易地实现它们。此外，为了清楚起见，在附图中省略了与描述示例性实施例无关的部分。
73.在本公开中，应理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不欲排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在或被添加的可能性。
74.另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
75.本公开的发明人提出一种基于冷冻芯片的样品冷冻方式，与插入式冷冻、喷射式冷冻以及高压冷冻这三种方式，在冷冻样品的原理上存在不同。如图1所示，其差异在于，冷冻芯片内置加热元件具有加热功能，样品放置在冷冻芯片上，冷源为冷冻芯片提供低温环境，利用芯片的加热元件将样品保持在较高温度(防止样品被冷冻)，样品置于观测设备下，当需要观测样品的某一形态时，调整加热元件的电学参数，样品热量快速传递到冷源，以实现样品的快速冷冻。冷冻后的样品在观测设备下继续进行样品观测。
76.上述冷冻样品并进行观测的过程中，样品冷冻和观测同时在冷冻芯片上实现，也就是说冷冻芯片同时集成了样品冷冻与样品载体的功能。发明人发现，由于芯片作为一种耗材，在置入加热元件、布置电学连接结构上都需要复杂的工艺，导致成本较高。为了延长芯片使用寿命，降低成本，本公开提出一种用于冷冻时支撑样品的支撑装置、冷冻装置、冷冻系统以及基于冷冻系统来操作样品的方法，本公开的发明构思在于将芯片实现样品冷冻与样品载体的功能分离，样品在冷冻后，能够与芯片的接触面分离，并被转移至样品载体上，后续观测在样品载体上进行，从而实现本公开的发明目的。
77.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
78.图2示出本公开的用于冷冻时支撑样品的支撑装置。图3a-3c示出冷冻样品被转移的原理示意图。
79.如图2所示，用于冷冻时支撑样品的支撑装置10包括：支撑层11和界面层12。支撑层11包括冷冻基底111、热阻层112和加热层113。冷冻基底111上依次设置热阻层112、加热层113。加热层113上设置界面层12。本公开方式中，冷冻基底111作为支撑装置10的机械载体部分，所用材料可以为硅、碳化硅、金属、金刚石或陶瓷等；热阻层112的设置是为了提供温度梯度，所用材料可以为氧化硅、氮化硅、聚合物等，加热层113的材料通常为导电材料，例如金属(铝、铜、铂等)、导电化合物(氮化钛，氧化铟锡等)或半导体材料(硅、碳化硅等)。支撑层11可以采用芯片制作工艺实现，具体可参照现有技术，本公开在此不予赘述。
80.请参考图3a至3c，支撑层11与冷源接触，本公开中的冷源可以是液氮等低温液体，可以是具有制冷结构的功能单元，也可以是高性能的热传导结构，样品放置于样品载体13上并由界面层12支撑，样品载体13可以为覆有膜结构的载网或者是具有悬空薄膜结构的芯片，加热层113作为热源用于与冷源配合实现样品的快速冷冻，其原理如上文所述，利用热
源使界面层12表面的温度足够维持样品不被冷冻，并在需要冷冻样品时，通过调整热源的参数，就可以将热量传递至冷源实现样品的快速冷冻。样品冷冻后随样品载体13转移，例如样品从界面层12上脱离(如图3b所示)，或者携带有部分界面层12脱离(如图3c所示)，甚至携带全部的界面层12从支撑层11上脱离，然后经样品载体13转移至观测设备进行观测。
81.根据本公开的实施例，热源可以是支撑层11中的加热层113，也可以是外部热源。其中，外部热源可以采用辐射加热，外部热源可以直接对样品本身加热，也可以对支撑层11加热，间接加热位于界面层12上的样品。加热层113以及外部热源的加热方式可以根据需要进行选择，采用加热层113的加热方式时，加热层113与冷冻基底111之间的热阻层112在某些情况下可以省略。同理，采用外部热源加热时，支撑层11可以是冷冻基底111，也可以是冷冻基底111与热阻层112构成的复合层，本公开对此不做限制。
82.本公开提供的支撑装置，在样品与支撑层之间设置界面层，其目的是为了在样品冷冻后能够与支撑层分开，因为如果直接在支撑层上冷冻样品，当冷冻样品与支撑层结合过于紧密时，这种情况下分离冷冻样品，施加于样品载体的作用力可能会超过冷冻样品能够承受的最大外力，容易破坏冷冻样品的完整性，不利于后续观测。
83.通过选择合适的界面材料作为界面层，在样品能够承受的最大外力(避免样品被破坏)的范围内，当施加于冷冻样品的外力大于冷冻样品与界面层之间的结合力时，可以将冷冻样品从界面层直接分离开或者将界面层的一部分一并转移。一些情况下，若施加于冷冻样品的外力大于界面层与支撑层之间的结合力，也可以将界面层的一部分或者全部一并转移，实现冷冻样品的脱离。
84.根据本公开的实施例，可以在支撑层11上直接铺设一层界面层12，或者对支撑层11的表面进行疏水处理形成一层界面层12。
85.其中，界面层的材料可以为：
86.1)单层材料或者复合材料；
87.2)常温为液态、样品冷冻的温度下为液态或者固态的材料；
88.3)常温为固态、样品冷冻的温度下为固态的材料。
89.其中，常温指的是室温，例如20～30℃，样品冷冻的温度例如可以是液体形成玻璃态的临界温度及其以下的温度，如-140℃。
90.本公开中的界面层优选厚度薄、热导率高、热熔小的材料，以提高冷冻速度。界面层还优选为液态材料，通过设置界面层，将样品放置在界面层上，还可以降低对支撑层表面例如加热层或者热阻层的平整性要求，从而在已有平整度的基础上进一步改善样品表面，使得冷冻后的样品表面更加平整，有利于后续光学和电子成像，尤其是对于高分辨率成像至关重要。
91.针对不同材料的界面层、支撑层，可以采用直接铺设(以下称为覆膜工艺)或者表面处理的工艺，在支撑层上形成界面层，以下提供几种示例性说明，可以理解，其并不构成对本公开的限制。
92.第一种方式：界面层为异戊烷，其常温为液态，样品冷冻的温度下为液态，在支撑层上覆膜形成，覆膜厚度优选为1um以下，采用厚度较薄的界面层可以保证样品冷冻速度不受影响。
93.第二种方式：界面层为正己烷，其常温为液态，样品冷冻的温度下为固态，在支撑
层上覆膜形成界面层；覆膜厚度参照异戊烷。
94.第三种方式：界面层为疏水材料，如特氟龙，在支撑层上覆膜形成界面层，厚度优选为100nm。需要说明的是，疏水材料在选择时需要考虑其在低温下的机械可靠性与疏水接触角度是否够大，尤其需要考虑其在长期使用时的性能稳定性。特氟龙类材料具有更好的低温机械可靠性和更大的疏水角度，适合应用。而聚苯乙烯类待料则在以上两点中性能均较差，因此本公开中的疏水材料不包括聚苯乙烯类材料。
95.第四种方式：界面层为疏水材料分子，如氟硅烷，在支撑层上覆膜形成界面层，厚度为单分子层。
96.第五种方式：界面层为疏水结构，例如在支撑层表面处理后产生的具有超疏水特性的纳米阵列结构，厚度优选为100nm。
97.基于相同或相似的设计思路，本公开还提供一种冷冻装置，具体技术细节可以参照图2、图3a-3c所示的实施例，在此不予赘述。
98.图4示出本公开的冷冻装置的结构示意图。
99.如图4所示，冷冻装置20包括：冷源21、支撑层22和界面层23。冷源21例如液氮，提供低于-190℃的低温，用于冷冻样品。支撑层22与冷源21接触，界面层23位于支撑层22上。其中，经过冷冻的样品与界面层23间的结合力或者界面层23与支撑层22间的结合力小于经过冷冻的样品能够承受的最大外力，从而实现冷冻样品与界面层23的脱离。本公开方式中，样品可以为水相样品。
100.根据本公开的实施例，冷冻装置还包括：电学参数能够调整的热源，与所述冷源配合，用于冷冻所述样品；所述热源为外部热源或者所述支撑层的部分设置为热源。
101.根据本公开的实施例，所述热源为外部热源时，所述支撑层为冷冻基底或者所述支撑层为冷冻基底与位于所述冷冻基底上的热阻层构成的复合层。
102.根据本公开的实施例，所述支撑层包括：设置于所述界面层下方的加热层；所述加热层为所述热源。
103.根据本公开的实施例，所述支撑层还包括：冷冻基底，其上设置有热阻层；其中，所述加热层位于所述热阻层上。
104.根据本公开的实施例，界面层直接铺设于所述支撑层上；或者所述支撑层表面经过疏水处理后铺设所述界面层。
105.根据本公开的实施例，界面层的材料为异戊烷、正己烷、疏水材料，或者所述界面层为疏水结构。
106.根据本公开的实施例，加热层的材料为金属、半导体材料或者导电化合物。
107.图5示出本公开的另一冷冻装置的结构示意图。
108.如图5所示，冷冻装置30包括：冷源31、支撑层32、界面层33和样品载体34。冷源31、支撑层32、界面层33作为一个整体与样品载体34分开设置，样品载体34位于界面层33一侧。其中，冷源31例如液氮，提供低于液体形成玻璃态的临界温度的低温，用于冷冻样品。支撑层32与冷源31接触，界面层33位于支撑层32上。样品可以放置于样品载体34上，或者放置于界面层33上。样品经过冷冻后，通过样品载体34实现与界面层33的脱离。
109.图6示出了冷冻样品与界面层分离的流程图。
110.如图6所示，样品冷冻并与界面层分离的流程如下：
111.样品放置：将样品a放置于样品载体34上，样品此时为液态(样品在水环境中)。
112.样品接触界面层与挤压变薄：样品接触并处于样品载体34与界面层33之间，随着样品载体34在垂直于表面的方向与界面层33靠近，样品的厚度被挤压变薄。样品的厚度由样品载体34与界面层33之间的距离控制，最终厚度控制在几十纳米到几百微米之间，具体根据样品的应用要求、样品的热学属性、或者冷冻相变性能确定，在此不做限制。整个过程中样品及其接触界面层33的温度均高于样品的固化温度(水结冰的温度)，使得样品保持液态。
113.样品冷冻：调整热源(加热层113)的电学参数，例如通过降低热源的发热功率，使界面层33与样品的温度向冷源温度下降，直至到达新的温度平衡。新的样品温度可以等于或高于冷源温度，降温速度受到功率调整、冷源(及其上各层材料)热学性能、周边环境(如气温)多方面影响。其中冷源(及其上各层材料)热学性能，决定了降温速度的上限。经过测试，降温速度可以到达1e5℃/秒的量级。
114.冷冻样品分离：冷冻后的样品通过样品载体34进行转移。
115.根据本公开的实施例，样品载体34与界面层33间的距离能够调整，从而控制样品厚度。样品厚度的控制对于冷冻质量有很大的影响，相同情况下，厚度越大，冷冻速度相对越慢，冷冻质量相对变差；但较大的样品厚度可容纳更高的样品。因此样品的厚度需要可调整或者通过预设的结构限定。样品厚度的控制有以下几种不同的方式，一种方式是通过高精度的滑台、压电元件或气体压力控制装置等来调整样品载体34与界面层33之间的相对距离，通过外力挤压样品变薄。一种方式是利用样品的表面张力自发变薄。一种方式可以在样品载体34与界面层33之间设置第一支撑结构35，多个第一支撑结构35之间高度可以相同、也可以不同，形状可以相同、也可以不同，利用不同高度、形状的第一支撑结构35来控制样品冷冻的形貌。还有一种方式可以在样品载体34和/或界面层33上设置至少一个第二支撑结构36，多个第二支撑结构36之间高度可以相同、也可以不同，形状可以相同、也可以不同。
116.图7a-图7d示出了第一支撑结构、第二支撑结构控制冷冻样品厚度的原理示意图。如图7a所示，第一支撑结构35位于样品载体34与界面层33之间，样品a的厚度由第一支撑结构35控制，样品载体34与界面层33分离时，第一支撑结构35被转移至冷冻样品中。图7b、图7c则是分别在样品载体34、界面层33上设置第二支撑结构36，样品a的厚度由第二支撑结构36控制。图7d示出了不同高度的第二支撑结构36，样品载体34与界面层33分离时，冷冻样品呈现不同高度。
117.根据本公开的实施例，冷冻装置30包括还包括：驱动单元，用于驱动样品在界面层33与样品载体34间形成的空间内移动。具体地，驱动单元采用ewod(electrowetting-on-dielectric,ewod)器件或者采用外力驱动样品移动。
118.基于相同或相似的设计思路，本公开还提供一种冷冻系统，包括上述任一种形式的冷冻装置，冷冻装置的具体技术细节可以参照图4、图5所示的实施例，在此不予赘述。
119.冷冻系统还包括物镜。物镜用于透过冷冻基底或者样品载体观察常温样品状态，冷冻过程和冷冻后的样品。进一步地，物镜可以选用油浸物镜，油浸物镜通常在进行高分辨率光学观测的情况下使用，使用时，油浸物镜与被观测物体之间通过液体(通常为油类)接触，因此二者之间存在热交换。
120.图8、图9a、图9b中示出的冷冻系统40，其支撑层32是由冷冻基底111、热阻层112和
加热层113组成的，并依此为例说明冷冻装置与油浸物镜41配合进行样品观测的实施方式。
121.图8是从冷冻基底侧来观察冷冻后的样品。图9a、图9b是从样品载体侧来观察冷冻后的样品a，图中b为固定样品载体的载具。如图8所示，油浸物镜41浸油42后与冷冻基底111接触进行样品观测，适用于可在冷源温度下工作的低温物镜，此时冷冻基底111通过不与镜头接触的侧向延伸部分与冷源接触，该结构适用于观察样品的常温状态与冷冻过程。如图9a、9b所示，油浸物镜41放置在样品载体34一侧，可以在冷冻开始前观察样品，之后在冷冻开始前的短暂时间内，使油浸物镜41远离载体，然后进行样品冷冻，避免物镜温度下降超出可用范围，同时避免物镜及物镜油的热容影响样品的降温速度。
122.基于相同或相似的设计思路，本公开还提供一种利用上述冷冻系统来操作样品的方法，冷冻系统的具体技术细节可以参考上述实施例，在此不予赘述。
123.如图10所示，利用上述冷冻系统来操作样品的方法，包括如下步骤：
124.s110：冷冻样品的步骤；
125.s120：利用外力将经过冷冻的样品与所述冷冻装置分离的步骤。
126.根据本公开的实施例，步骤s110冷冻样品的步骤之前，还包括：
127.移动样品载体控制样品厚度的步骤。
128.根据本公开的实施例，步骤s110冷冻样品的步骤包括：
129.调整热源的电学参数，以维持样品的平均温度稳定在第一温度；
130.检测并调整所述电学参数至第一预定范围，以调整所述样品的平均温度在第二温度，其中，所述第二温度低于所述第一温度，在所述冷源能够提供的最低温范围内确定所需温度值。
131.在本公开方式中，利用控制器控制热源自动加大电流i
heater
进行电阻加热，将样品的平均温度维持在第一温度(比如30℃)，此时典型电流值范围在i
heater
＝50-100ma，r
heater
的典型功率(r
heater
*i
heater2
)约为0.3w；当需要冷冻时，通过控制器发出信号，将电流iheater突然降低至0.1-1.0ma，样品温度会急速降低，r
heater
也急剧减小至约为室温时r
heater
的1/7，在整个降温过程中，控制电路保持较小的恒定电流(0.1-1.0ma)，用于持续测量r
heater
的变化，作为温度随时间变化的参考。冷冻结束后，控制电路保持较小电流(0.1-1.0ma)，将样品的平均温度维持在第二温度(比如为常压液氮温度)，持续监控r
heater
变化，用来作为样品温度的参考。
132.在本公开方式中，检测并调整所述电学参数至第一预定范围，以调整所述样品的平均温度在第二温度之前，所述方法还包括：将样品由第一温度升高至第三温度进行处理。
133.例如，一种应用场景为，利用生物蛋白或其他大分子材料在不同温度下的活性来控制化学反应或生命活动的速度。具体地，利用细胞膜蛋白的温度活性，使细胞样品在第一温度下(如4℃)与病毒样品接触，此时病毒附着在细胞膜上，并与特定膜蛋白结合，但由于蛋白活性较低，因此病毒无法侵入细胞。再通过快速将样品温度上升至第三温度例如37℃，激活蛋白活性，使病毒开始侵入细胞。在短暂的延时时间后(通常为几秒)，快速使样品降温到第二温度，凝固病毒侵入细胞的瞬间状态。之后可以进行观测，用于研究病毒的侵入机理。
134.根据本公开的实施例，所述第一温度为样品的液态温度，所述第二温度为使同一样品在同一环境下从液态直接转变为玻璃态，并持续保持玻璃态的温度。
135.根据本公开的实施例，第一温度为0℃至40℃，第二温度为低于样品形成玻璃态的临界温度，例如低于-140℃。
136.根据本公开的实施例，所述方法还包括：
137.s130：观测冷冻样品的步骤。
138.本公开方式中，可以采用普通物镜观测冷冻样品，将普通物镜与冷冻样品间隔一定距离进行观测。为了提高分辨率也可以采用油浸物镜来观测，油浸物镜的观测方式可以参照图8、图9a、图9b的方式，在此不予赘述。
139.根据本公开的实施例，所述方法还包括：
140.s140：利用热源加热冷冻样品实现解冻的步骤。
141.基于相同或相似的设计思路，本公开还提供一种利用上述冷冻系统来操作样品的方法。冷冻系统的具体技术细节可以参考上述实施例，在此不予赘述。
142.如图11所示，利用冷冻系统来操作样品的方法，包括如下步骤：
143.s210：将样品置于界面层与样品载体间形成的通道内；
144.s220：冷冻样品的步骤；
145.s230：利用外力将经过冷冻的样品与所述冷冻装置分离的步骤。
146.根据本公开的实施例，步骤s220冷冻样品的步骤包括：
147.调整热源的电学参数，以维持样品的平均温度稳定在第一温度；
148.检测并调整所述电学参数至第一预定范围，以调整所述样品的平均温度在第二温度，其中，所述第二温度低于所述第一温度，在所述冷源能够提供的最低温范围内确定所需温度值。
149.在本公开方式中，利用控制器控制热源自动加大电流i
heater
进行电阻加热，将样品的平均温度维持在第一温度(比如30℃)，此时典型电流值范围在i
heater
＝50-100ma，r
heater
的典型功率(r
heater
*i
heater2
)约为0.3w；当需要冷冻时，通过控制器发出信号，将电流i
heater
突然降低至0.1-1.0ma，样品温度会急速降低，r
heater
也急剧减小至约为室温时r
heater
的1/7，在整个降温过程中，控制电路保持较小的恒定电流(0.1-1.0ma)，用于持续测量r
heater
的变化，作为温度随时间变化的参考。冷冻结束后，控制电路保持较小电流(0.1-1.0ma)，将样品的平均温度维持在第二温度(比如为常压液氮温度)，持续监控r
heater
变化，用来作为样品温度的参考。
150.在本公开方式中，检测并调整所述电学参数至第一预定范围，以调整所述样品的平均温度在第二温度之前，所述方法还包括：将样品由第一温度升高至第三温度进行处理。
151.例如，一种应用场景为，利用生物蛋白或其他大分子材料在不同温度下的活性来控制化学反应或生命活动的速度。具体地，利用细胞膜蛋白的温度活性，使细胞样品在第一温度下(如4℃)与病毒样品接触，此时病毒附着在细胞膜上，并与特定膜蛋白结合，但由于蛋白活性较低，因此病毒无法侵入细胞。再通过快速将样品温度上升至第三温度例如37℃，激活蛋白活性，使病毒开始侵入细胞。在短暂的延时时间后(通常为几秒)，快速使样品降温到第二温度，凝固病毒侵入细胞的瞬间状态。之后可以进行观测，用于研究病毒的侵入机理。
152.根据本公开的实施例，第一温度为样品的液态温度，第二温度为使同一样品在同一环境下从液态直接转变为玻璃态，并持续保持玻璃态的温度。
153.根据本公开的实施例，第一温度为0℃至40℃，第二温度为低于液体形成玻璃态的临界温度。
154.根据本公开的实施例，所述方法还包括：
155.s240：观测冷冻样品的步骤。
156.本公开方式中，可以采用普通物镜观测冷冻样品，将普通物镜与冷冻样品间隔一定距离进行观测。为了提高分辨率也可以采用油浸物镜来观测，油浸物镜的观测方式可以参照图8、图9a、图9b的方式，在此不予赘述。
157.根据本公开的实施例，所述方法还包括：
158.s250：利用热源加热冷冻样品实现解冻的步骤。
159.以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。