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微孵育 |
点击次数：177 发布时间：2008-1-17
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| 成像和记录室的加热：仪器应用的基本原理。 为什么要加热？长期以来，科研人员早已理解了温度调节在细胞功能研究中的重要性。例如，在Medline检索中输入关键词“温度”和“细胞”，从1995年后可以查到超过12，000篇相关文献。其中，大部分的文献都着重研究温度对细胞的生物物理和代谢功能的影响。此外，成像系统的光学性能对温度也极其敏感，这是因为，随着物镜温度的变化，成像系统的焦平面会产生偏移，早已有相关文献揭示了这一点。因此，对于在记录环境中研究细胞功能的科研人员来说，严格的温度控制的重要性是不能言过其实的。许多的争议也使科研人员们面临着如何努力去维持温度的精确控制，包括如何在变化的流速下维持恒定、均一的水浴温度，以及如何控制周围环境的温度变化。另外，向灌注道中添加温度低的药物或溶液对系统温度所产生的影响，以及由于显微镜的光学系统及载物台所造成的温度降低也必须进行阐述。 一般问题热量来源（source of heat flux）热传递途径一般可以分为这么几种：传导、对流和辐射。传统来说，沿着控制途径传导的热量传递的效果最显著，其次是对流路径。我们是这么来定义热传导途径的：热量在一连续的介质中进行传递叫传导，这包括有显微镜的载物台或物镜、灌注液、成像和记录室的平台、以及工作环境的其他物理元件。一般来讲，热量通过对流途径进行传递的效果没有通过传导途径那么显著，不过这也包括了蒸发或冷凝，以及由于成像室上空气流动所导致的热量传递。与前两种相比，辐射途径的热量传递更容易控制，此处就不再考虑了。 不均衡热传导中的空间和时间考虑我们首先考虑在空间状况中热量不均衡分布的根源，这包括有通过水浴箱或从平台至容器热量交换的少许热传导。通过水浴进行的少量热传导是由于在水浴液中，不同部位之间存在着温度梯度。这种温度梯度通常是由于将一物体直接浸入到水浴液中标本下方所致。通过这一途径的热量传递可能非常显著，结果可能会导致在3至5mm内产生高至10摄氏度的温度变化。此外，将施加的热量只限制于水浴箱的平台上，这也会在水浴中产生温度梯度，这一点常常不太引起人们的注意。因为平台只会沿着水浴箱的边缘进行加热，由于在水浴箱中混入了温度相对较低的溶液，水浴液的热容量会发生变化，从而导致产生温度梯度。在将温度低的灌注液注入至加热平台中时，或者在将不同于当前灌注温度的药物或溶液加入到灌注道中时，如果改变加液的速度也可导致产生暂时的加热不均。下文中，将会更加详细的阐述这些方面的考虑。 除气作用另外一个与灌注液加热相关的重要观点被称为除气。在标准状态下，与液体相接触的气体会溶解到液体中去，并趋向于达到一个平衡，这一平衡具体取决于气体分压和液体的温度。通常说来，温度低的液体较温度高的液体可以溶解更大体积的气体。因此，在液体的温度升高的时候，溶解的气体便会自溶液中放出，从而导致出现气泡。 加热方法研究人员在研究中采用了许多的方法来调节标本的温度，包括使用耐高温的、有帕耳帖效应的或者使用基于液体应用的设备来加热水浴箱平台、在成像室和/或其他的光学部件中通过管道循环热空气、以及调节灌注液的温度。调节灌注液温度的技术有预热灌注液储液罐和/或在灌注道内使用管线内溶液加热器。每种方法都有其优点和不足，下文将会详细讨论。 如何感应温度一般而言，通常是通过一热敏电阻或相似的设备来测量温度，并将之反馈至温度控制器来调整加热元件的功率。在调节温度时，计算出反馈回路的响应时间很重要，因为这可以导致系统产生振荡。 控制和调节 warner器械的温度控制器每个通道都使用了两个热敏电阻来进行温度监测，并可以反馈信息至控制器。一个热敏电阻安装于加热元件中（比如水浴箱平台、管线内加热器等）以测量加热块的温度。从这一热敏电阻所得到的信息可被反馈至控制装置，这样它便可以为加热器提供足够的功率以维持控制器所设定的温度。在研究中，第二个热敏电阻通常被放置于靠近标本的加液通道中，这样可以测量标本的温度。科研人员通过此热敏电阻所获得的信息来重新调节控制器的设定温度，并可以此来监测系统的性能。这种方法非常有效，它可以为加热元件提供严格的温度控制，（±0.1ºC），并且只要反馈回路足够好，它也可以为灌注液提供精确的温度控制。 warner器械所生产提供的温度控制器有不同的响应时间常数，因而可以适合不同的操作情况需要，使用者可以据此自行选择购买所需型号。 方法学 管线内溶液加热器加热标本的最简单、最直接的方法是在将灌注液注入水浴箱前，对灌注液进行预热。这样，即使加热后的灌注液以不同的流速流过标本，也可以维持标本温度均衡。只要灌注液持续的通过加热器流入水浴箱，这种方法就一直有效。在使用这种方法时，有很多重要的考虑。首先，要缩短加热器与水浴箱之间的距离，这一点非常重要。如果在流经途中丢失的热量太多的话，操作者可以尝试将加热控制器的温度设定超过溶液的沸点。此外，还应当注意使水流维持于一定的流速，这样可使溶液在流出加热器前，温度达到平衡。 水浴箱平台加热另一个方法是加热水浴箱平台，使用一耐高温的部件通常便可以达到这一点，这一方法被用于Warner水浴箱。对此方法稍作改进，使用一有帕耳帖效应或基于液体加热的元件也可用于为平台进行加热。不去考虑加热所使用的具体方式，在溶液流速特别缓慢或根本不流动时，这一加热方法是最适合的。在使用这种方法时，有很多重要的考虑。首先，灌注液只有在注入水浴箱后才会被加热，这样就会在水浴中产生温度梯度。其次，因为加热的热量只是通过平台作用于水浴箱的边缘，所以热量传递至溶液中去的速度非常缓慢。但是，在溶液根本不流动时，比如说在用示踪染料作用于细胞并需维持于一恒定温度时，这一方法就要优于其他任何方法。 储液罐加热通常并不认为加热储液罐是一种用来维持水浴温度的成功方法，这是因为，在流至水浴箱的途中，不是全部就是大部分的热量将会丢失。不过，如果溶液的排气是一大问题的话，这一技术就非常重要了。因为溶液溶解的气体体积取决于其分压及温度，那么在将溶液注入最终的加热器前，事先在大气压下预热溶液，即使溶液在流动途中温度会降低，也可以减少在水浴箱中产生气泡。因此，储液罐加热最好和下文所描述的其他加热技术一起合用。 显微镜载物台加热在需要的时候，在成像时也需将物镜浸入到液体中，这就为科研人员带来一高难度难题，即此时如何去维持标本的温度。因为物镜是直接接触溶液或水浴箱的，并且直接置于标本上方或下方，这就在系统中引入了一个有效的热传导路径。加热物镜环在实际中是可行的，并且被认为可以减少通过光学系统的热量传递。但是，许多科研人员指出，在将环旋下旋上时的小的温差可导致焦平面的振动偏移。此外，许多科研人员也表示，担心在使用中，在两侧温度相差很大时，紧旋物镜对研究结果的影响。一些科研人员通过将物镜维持于一恒定温度来阐明这一观点，即使未使用物镜。 加热包装外壳目前使用的另一个加热方法是将成像室以及显微镜光学系统装入可加热的外壳中。这一方法的先进之处在于成像室和物镜都可维持一恒定、均衡的温度。通过将暖空气引入包装中，整个环境通常都可以被加热。这一方法的不足之处是其对于温度设定点变化的反应较慢、可能会从鼓风系统中引入空气中的污染物、以及需要用于成像系统之上或其周围的体积庞大的设备。 讨论上述讨论的每一种加热方法都有其优点和缺点，对于所遇到的加热问题都不是十全十美的解决办法。但是，通过联合这些方法，可以解决实验中所遇到的大部分困难。例如，单独使用平台加热并不足以恒定的加热灌注液，不过如果因为某些原因，溶液流动被阻断了，那么此时就需进行平台加热了。另外，加热灌注液最有效的方法是通过一管线内加热器。因此，在需要严格控制温度的实验中，并且其溶液流速时常变化、有可能非常缓慢、或者可能被阻断时，最佳的加热方法便是联合使用管线内和平台加热。如果溶液经过冷藏并且在达到操作温度前就已使用，或者如果在实验中温度起了变化，那么此时标本的排气就是一重要问题。通过在实验设置中包含储液罐预热这一方法便可解决这一问题。不过，储液罐加热并不能够为水浴箱提供加热的水浴液，最好联合使用管线内加热器。当然，在任何的实际情况下，都可以将三种加热方法联合使用，这样可以提供有效的温度调节。 Warner器械生产提供了高质量的单通道和双通道温度控制器，以及储液罐、水浴箱平台和管线内溶液加热器。我们真诚邀请您拨打我公司的技术支持热线，我们将热忱帮助您确定适合您的实验设计的最佳的加热方案。 | |
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