一种快速复温冻存生物样本的装置系统的制作方法

[0001]
本发明涉及低温保存生物材料的技术领域，特别是涉及一种组合利用不同能量源的高效加热复温方法。


背景技术：

[0002]
将生物材料长期保存可以将当前剩余的资源留在未来需要时提供，或者增加用于运送生物材料资源的限制时间。生物材料的长期保存方法通常需要利用低温技术手段。低温保存技术手段的优化将克服溶液损伤，冰晶形成等问题。
[0003]
目前低温生物保存领域的缺乏超高速均匀加热的手段，传统的水浴加热将冻存样品放置在37℃温水中进行升温，热量从冻存样品的表面向内部传输。而水浴加热提供的能量较小只能产生较慢的升温速率，慢速加热会导致在复温过程中的重结晶（冰晶再次形成）。而边界式的传热方法会造成内外不均匀加热，导致的热应力会引发冻存样品的部分断裂，带来损伤。
[0004]
随后所采用的电磁加热方式尽管相对于水浴加热有了升温速率和加热均匀性的提升，但由于电磁波在生物样品内的场强分布，同样存在一定的温差，并且缺乏对电磁场的控制，导致使用功率较高难以推广。


技术实现要素：

[0005]
为了克服低温保存领域内加热速率较慢、温度梯度大的问题，本发明提供了一种高效且均匀可控式加热冻存生物样品或者食品的复温系统。
[0006]
本发明所采用的技术方案是：建立精准频率合成、添加反馈控制的组合式复温系统平台。加载频率追踪的电磁谐振加热系统迅速传输转换能量实现冻存样品的快速升温，此外加入激光对表面部分的进行组合式升温提高温度场均匀性。在应用过程中，组合复温系统采用红外和光纤、热电偶等多种手段对样品内外的整体温度进行监测，电磁谐振系统的频率始终随着温度反馈和功率反馈进行调节。所述组合式复温系统平台包括：组合的电磁和激光能量源；用于装载冻存样品的容器及电磁共振腔体；激发腔体内电磁场的探针天线；监控容器内冻存样品的温度实时监测系统；电磁加热反馈调节控制系统。
[0007]
所述电磁能量源的初始信号由频率合成器或者磁控管合成产生，并连接由功率放大器增大信号功率。
[0008]
优选的，所述信号源的频率范围为100mhz~3ghz，所述功率放大器将信号功率增大到100~800w。
[0009]
所述激光能量源位于电磁共振腔体外，由一个或以上的激光发射器提供激光。
[0010]
优选的，每个激光发射器波长范围是808nm至1080nm，发射功率为0.5~50w，激光发射器光斑直径可调节，范围是1~20mm。
[0011]
所述装载冻存样品容器的形状为中空圆柱体、长方体或者球体。容器材料可以为聚乙烯、聚丙烯等对电磁能量吸收率不高的高分子聚合物，容器材料中也可添加铁磁性、顺
磁性或者超顺磁性纳米材料。
[0012]
优选的，装载冻存样品容器内添加的磁性纳米材料尺寸为5~50nm。
[0013]
所述电磁共振腔体材料为铜、氧化铁等金属或者金属氧化物制作而成，具有较高的品质因数（品质因数q值>1000），电磁共振腔体能吸收大部分通过探针天线传输的电磁能量并在内部激发起共振电磁场。
[0014]
优选的，电磁共振腔体为单模共振电磁腔体，只有一种驻波电磁场能够在腔体内被激发。
[0015]
优选的，电磁共振腔体的正上方有一个开孔，并连接一个管状的金属波导，金属波导传输电磁波频率范围由横截面尺寸决定，金属波导的横截面尺寸设计较窄，不能传输信号源频率范围的电磁波。
[0016]
优选的，所述温度测量可以包括插入冻存样品内部的光纤传感器或者热电偶；测量冻存样品表面的红外测温仪。
[0017]
优选的，所述组合式复温系统平台的反馈控制可以通过计算机或者控制电路芯片根据温度分布进行电磁波频率和功率、激光功率的调节。
[0018]
优选的，所述电磁加热反馈调节系统可以根据电磁共振腔体内吸收和反馈的功率进行计算，并调节电磁信号源的频率。
[0019]
与现有技术相比，本发明使用组合式的电磁和激光能量源对冻存样品进行多种能量传输进行的内外均匀性加热，电磁能量通过探针天线传输到电磁共振腔体，将能量集中在冻存样品所在位置，并将冻存样品进行整体加热复温，激光能量源直接照射在冻存样品表面，进一步减小冻存样品的内外温差。通过组合式的均匀加热能减少冻存样品内产生的热应力。在加热过程中，电磁共振腔体的共振频率将持续变化，组合复温平台的反馈控制系统将始终监测从电磁共振腔体处反射的电磁能量，并且对电磁能量源的频率进行调节控制，追踪电磁共振腔体的共振频率，确保对冻存样品进行超高速加热，避免在复温过程中出现的反玻璃化、重结晶问题。
附图说明
[0020]
图1为本发明一实施例提供的组合复温系统结构示意图；图2为本发明一实施例中探针天线的结构示意图；图3为本发明一实施例中测温系统的结构示意图；图4为本发明一实施例中功率反馈系统的结构示意图；图中标识：1：电磁信号源；2：功率放大器；3：功率反馈系统；4：探针天线；5：电磁共振腔体；6：中空波导；7：冻存容器；8：冻存样品；9：测温系统；10：激光能量源。
具体实施方式
[0021]
下面结合附图对本发明进一步说明。本实施例提供了一种冻存生物样品复温装置，使用反馈控制频率追踪的方式建立共振电磁场并组合激光能量源对冻存样品进行高效快速复温，同时增强温度场均匀性，能有效对大体积生物或者食物冻存样品进行复温并保持生物活性。
[0022]
如图1所示，图1为本实施例提供的组合复温系统结构示意图，其中包括电磁信号源1，功率放大器2，功率反馈系统3，探针天线4，电磁共振腔体5，中空波导6，冻存容器7，冻存样品8，测温系统9，激光能量源10。
[0023]
在本发明中，冻存样品8放置在冻存容器7内，冻存容器7可为低温生物领域内常用的冻存管或者其他设计特定形状的由液氮或者深低温冰箱中取出后放置于电磁共振腔体5的中心位置。电磁信号源1的产生的电磁信号经过功率放大器2提高功率后通过导线传输至探针天线4，由探针天线4激发电磁共振腔体5内的电磁场进行复温。电磁信号产生的频率范围是100mhz~3ghz，功率为100~800w。图2所示为本实施例的探针天线结构示意图。探针天线4基座43为不锈钢或铁，中心为连接传输线的接口44，接口44内部连接铜或金或者其他高导电率金属或者金属合金材料的圆柱形针状导体天线41，针状导体天线长度为10~60mm，直径为0.2~5mm。针状导体天线41外部包裹有绝缘保护层42，42材料为高分子聚合物材料如聚四氟乙烯，绝缘保护层为管状，管壁厚度为0.2~2mm，长度为1~20mm。
[0024]
在开启电磁信号源1同时，激光能量源10也对冻存样品8进行加热，产生的激光直接照射在冻存样品表面。激光发射器波长范围是808nm至1080nm，发射功率为0.5~50w，激光发射器光斑直径可调节，范围是1~20mm。电磁场的能量集中在微波共振腔体中心，能量逐渐向外衰减。激光照射的能量与电磁场能量结合减少温度差，避免热应力造成冻存样品内部断裂问题。
[0025]
本实施例在加热过程中，测温系统9测量冻存样品8的温度场。如图3所示，光纤或者热电偶插入冻存样品内部进行测量，红外测温仪测量冻存样品表面的温度分布。测温系统可以连接计算机或者微处理器控制，根据所测得的温度场调节电磁能量源和激光能量源的频率和功率分配。
[0026]
本实施例在加热过程中，功率反馈系统3如图4所示，功率反馈系统内的定向耦合器有一个端口接通功率计或者频谱分析仪，该端口可以测量从微波共振腔体5处反射的功率，计算机或者微处理器根据功率反馈系统测得的反射功率对电磁信号源的频率进行调整，将反射功率降至最低。