微孵育 成像和記錄室的加熱：儀器應(yīng)用的基本原理。 為什么要加熱？長(zhǎng)期以來(lái)，科研人員早已理解了溫度調(diào)節(jié)在細(xì)胞功能研究中的重要性。例如，在Medline檢索中輸入關(guān)鍵詞“溫度"和“細(xì)胞"，從1995年后可以查到超過(guò)12，000篇相關(guān)文獻(xiàn)。其中，大部分的文獻(xiàn)都著重研究溫度對(duì)細(xì)胞的生物物理和代謝功能的影響。此外，成像系統(tǒng)的光學(xué)性能對(duì)溫度也極其敏感，這是因?yàn)?，隨著物鏡溫度的變化，成像系統(tǒng)的焦平面會(huì)產(chǎn)生偏移，早已有相關(guān)文獻(xiàn)揭示了這一點(diǎn)。因此，對(duì)于在記錄環(huán)境中研究細(xì)胞功能的科研人員來(lái)說(shuō)，嚴(yán)格的溫度控制的重要性是不能言過(guò)其實(shí)的。許多的爭(zhēng)議也使科研人員們面臨著如何努力去維持溫度的控制，包括如何在變化的流速下維持恒定、均一的水浴溫度，以及如何控制周?chē)h(huán)境的溫度變化。另外，向灌注道中添加溫度低的**或溶液對(duì)系統(tǒng)溫度所產(chǎn)生的影響，以及由于顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)及載物臺(tái)所造成的溫度降低也必須進(jìn)行闡述。 一般問(wèn)題熱量來(lái)源(source of heat flux)熱傳遞途徑一般可以分為這么幾種：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。傳統(tǒng)來(lái)說(shuō)，沿著控制途徑傳導(dǎo)的熱量傳遞的效果顯著，其次是對(duì)流路徑。我們是這么來(lái)定義熱傳導(dǎo)途徑的：熱量在一連續(xù)的介質(zhì)中進(jìn)行傳遞叫傳導(dǎo)，這包括有顯微鏡的載物臺(tái)或物鏡、灌注液、成像和記錄室的平臺(tái)、以及工作環(huán)境的其他物理元件。一般來(lái)講，熱量通過(guò)對(duì)流途徑進(jìn)行傳遞的效果沒(méi)有通過(guò)傳導(dǎo)途徑那么顯著，不過(guò)這也包括了蒸發(fā)或冷凝，以及由于成像室上空氣流動(dòng)所導(dǎo)致的熱量傳遞。與前兩種相比，輻射途徑的熱量傳遞更容易控制，此處就不再考慮了。 不均衡熱傳導(dǎo)中的空間和時(shí)間考慮我們首先考慮在空間狀況中熱量不均衡分布的根源，這包括有通過(guò)水浴箱或從平臺(tái)至容器熱量交換的少許熱傳導(dǎo)。通過(guò)水浴進(jìn)行的少量熱傳導(dǎo)是由于在水浴液中，不同部位之間存在著溫度梯度。這種溫度梯度通常是由于將一物體直接浸入到水浴液中標(biāo)本下方所致。通過(guò)這一途徑的熱量傳遞可能非常顯著，結(jié)果可能會(huì)導(dǎo)致在3至5mm內(nèi)產(chǎn)生高至10攝氏度的溫度變化。此外，將施加的熱量只限制于水浴箱的平臺(tái)上，這也會(huì)在水浴中產(chǎn)生溫度梯度，這一點(diǎn)常常不太引起人們的注意。因?yàn)槠脚_(tái)只會(huì)沿著水浴箱的邊緣進(jìn)行加熱，由于在水浴箱中混入了溫度相對(duì)較低的溶液，水浴液的熱容量會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致產(chǎn)生溫度梯度。在將溫度低的灌注液注入至加熱平臺(tái)中時(shí)，或者在將不同于當(dāng)前灌注溫度的**或溶液加入到灌注道中時(shí)，如果改變加液的速度也可導(dǎo)致產(chǎn)生暫時(shí)的加熱不均。下文中，將會(huì)更加詳細(xì)的闡述這些方面的考慮。 除氣作用另外一個(gè)與灌注液加熱相關(guān)的重要觀點(diǎn)被稱為除氣。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，與液體相接觸的氣體會(huì)溶解到液體中去，并趨向于達(dá)到一個(gè)平衡，這一平衡具體取決于氣體分壓和液體的溫度。通常說(shuō)來(lái)，溫度低的液體較溫度高的液體可以溶解更大體積的氣體。因此，在液體的溫度升高的時(shí)候，溶解的氣體便會(huì)自溶液中放出，從而導(dǎo)致出現(xiàn)氣泡。 加熱方法研究人員在研究中采用了許多的方法來(lái)調(diào)節(jié)標(biāo)本的溫度，包括使用耐高溫的、有帕耳帖效應(yīng)的或者使用基于液體應(yīng)用的設(shè)備來(lái)加熱水浴箱平臺(tái)、在成像室和/或其他的光學(xué)部件中通過(guò)管道循環(huán)熱空氣、以及調(diào)節(jié)灌注液的溫度。調(diào)節(jié)灌注液溫度的技術(shù)有預(yù)熱灌注液儲(chǔ)液罐和/或在灌注道內(nèi)使用管線內(nèi)溶液加熱器。每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)和不足，下文將會(huì)詳細(xì)討論。 如何感應(yīng)溫度一般而言，通常是通過(guò)一熱敏電阻或相似的設(shè)備來(lái)測(cè)量溫度，并將之反饋至溫度控制器來(lái)調(diào)整加熱元件的功率。在調(diào)節(jié)溫度時(shí)，計(jì)算出反饋回路的響應(yīng)時(shí)間很重要，因?yàn)檫@可以導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。 控制和調(diào)節(jié) warner器械的溫度控制器每個(gè)通道都使用了兩個(gè)熱敏電阻來(lái)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，并可以反饋信息至控制器。一個(gè)熱敏電阻安裝于加熱元件中(比如水浴箱平臺(tái)、管線內(nèi)加熱器等)以測(cè)量加熱塊的溫度。從這一熱敏電阻所得到的信息可被反饋至控制裝置，這樣它便可以為加熱器足夠的功率以維持控制器所設(shè)定的溫度。在研究中，**個(gè)熱敏電阻通常被放置于靠近標(biāo)本的加液通道中，這樣可以測(cè)量標(biāo)本的溫度。科研人員通過(guò)此熱敏電阻所獲得的信息來(lái)重新調(diào)節(jié)控制器的設(shè)定溫度，并可以此來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能。這種方法非常有效，它可以為加熱元件嚴(yán)格的溫度控制，(±0.1ºC)，并且只要反饋回路足夠好，它也可以為灌注液的溫度控制。 warner器械所生產(chǎn)的溫度控制器有不同的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)，因而可以適合不同的操作情況需要，使用者可以據(jù)此自行選擇購(gòu)買(mǎi)所需型號(hào)。 方法學(xué) 管線內(nèi)溶液加熱器加熱標(biāo)本的簡(jiǎn)單、直接的方法是在將灌注液注入水浴箱前，對(duì)灌注液進(jìn)行預(yù)熱。這樣，即使加熱后的灌注液以不同的流速流過(guò)標(biāo)本，也可以維持標(biāo)本溫度均衡。只要灌注液持續(xù)的通過(guò)加熱器流入水浴箱，這種方法就一直有效。在使用這種方法時(shí)，有很多重要的考慮。首先，要縮短加熱器與水浴箱之間的距離，這一點(diǎn)非常重要。如果在流經(jīng)途中丟失的熱量太多的話，操作者可以嘗試將加熱控制器的溫度設(shè)定超過(guò)溶液的沸點(diǎn)。此外，還應(yīng)當(dāng)注意使水流維持于一定的流速，這樣可使溶液在流出加熱器前，溫度達(dá)到平衡。 水浴箱平臺(tái)加熱另一個(gè)方法是加熱水浴箱平臺(tái)，使用一耐高溫的部件通常便可以達(dá)到這一點(diǎn)，這一方法被用于Warner水浴箱。對(duì)此方法稍作改進(jìn)，使用一有帕耳帖效應(yīng)或基于液體加熱的元件也可用于為平臺(tái)進(jìn)行加熱。不去考慮加熱所使用的具體方式，在溶液流速特別緩慢或根本不流動(dòng)時(shí)，這一加熱方法是適合的。在使用這種方法時(shí)，有很多重要的考慮。首先，灌注液只有在注入水浴箱后才會(huì)被加熱，這樣就會(huì)在水浴中產(chǎn)生溫度梯度。其次，因?yàn)榧訜岬臒崃恐皇峭ㄟ^(guò)平臺(tái)作用于水浴箱的邊緣，所以熱量傳遞至溶液中去的速度非常緩慢。但是，在溶液根本不流動(dòng)時(shí)，比如說(shuō)在用示蹤染料作用于細(xì)胞并需維持于一恒定溫度時(shí)，這一方法就要優(yōu)于其他任何方法。 儲(chǔ)液罐加熱通常并不認(rèn)為加熱儲(chǔ)液罐是一種用來(lái)維持水浴溫度的成功方法，這是因?yàn)?，在流至水浴箱的途中，不是全部就是大部分的熱量將?huì)丟失。不過(guò)，如果溶液的排氣是一大問(wèn)題的話，這一技術(shù)就非常重要了。因?yàn)槿芤喝芙獾臍怏w體積取決于其分壓及溫度，那么在將溶液注入終的加熱器前，事先在大氣壓下預(yù)熱溶液，即使溶液在流動(dòng)途中溫度會(huì)降低，也可以減少在水浴箱中產(chǎn)生氣泡。因此，儲(chǔ)液罐加熱好和下文所描述的其他加熱技術(shù)一起合用。 顯微鏡載物臺(tái)加熱在需要的時(shí)候，在成像時(shí)也需將物鏡浸入到液體中，這就為科研人員帶來(lái)一高難度難題，即此時(shí)如何去維持標(biāo)本的溫度。因?yàn)槲镧R是直接接觸溶液或水浴箱的，并且直接置于標(biāo)本上方或下方，這就在系統(tǒng)中引入了一個(gè)有效的熱傳導(dǎo)路徑。加熱物鏡環(huán)在實(shí)際中是可行的，并且被認(rèn)為可以減少通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的熱量傳遞。但是，許多科研人員指出，在將環(huán)旋下旋上時(shí)的小的溫差可導(dǎo)致焦平面的振動(dòng)偏移。此外，許多科研人員也表示，擔(dān)心在使用中，在兩側(cè)溫度相差很大時(shí)，緊旋物鏡對(duì)研究結(jié)果的影響。一些科研人員通過(guò)將物鏡維持于一恒定溫度來(lái)闡明這一觀點(diǎn)，即使未使用物鏡。 加熱包裝外殼目前使用的另一個(gè)加熱方法是將成像室以及顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)裝入可加熱的外殼中。這一方法的先進(jìn)之處在于成像室和物鏡都可維持一恒定、均衡的溫度。通過(guò)將暖空氣引入包裝中，整個(gè)環(huán)境通常都可以被加熱。這一方法的不足之處是其對(duì)于溫度設(shè)定點(diǎn)變化的反應(yīng)較慢、可能會(huì)從鼓風(fēng)系統(tǒng)中引入空氣中的污染物、以及需要用于成像系統(tǒng)之上或其周?chē)捏w積龐大的設(shè)備。 討論上述討論的每一種加熱方法都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，對(duì)于所遇到的加熱問(wèn)題都不是十全十美的解決辦法。但是，通過(guò)聯(lián)合這些方法，可以解決實(shí)驗(yàn)中所遇到的大部分困難。例如，單獨(dú)使用平臺(tái)加熱并不足以恒定的加熱灌注液，不過(guò)如果因?yàn)槟承┰?，溶液流?dòng)被阻斷了，那么此時(shí)就需進(jìn)行平臺(tái)加熱了。另外，加熱灌注液有效的方法是通過(guò)一管線內(nèi)加熱器。因此，在需要嚴(yán)格控制溫度的實(shí)驗(yàn)中，并且其溶液流速時(shí)常變化、有可能非常緩慢、或者可能被阻斷時(shí)，佳的加熱方法便是聯(lián)合使用管線內(nèi)和平臺(tái)加熱。如果溶液經(jīng)過(guò)冷藏并且在達(dá)到操作溫度前就已使用，或者如果在實(shí)驗(yàn)中溫度起了變化，那么此時(shí)標(biāo)本的排氣就是一重要問(wèn)題。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)設(shè)置中包含儲(chǔ)液罐預(yù)熱這一方法便可解決這一問(wèn)題。不過(guò)，儲(chǔ)液罐加熱并不能夠?yàn)樗∠浼訜岬乃∫?，好?lián)合使用管線內(nèi)加熱器。當(dāng)然，在任何的實(shí)際情況下，都可以將三種加熱方法聯(lián)合使用，這樣可以有效的溫度調(diào)節(jié)。 Warner器械生產(chǎn)了高質(zhì)量的單通道和雙通道溫度控制器，以及儲(chǔ)液罐、水浴箱平臺(tái)和管線內(nèi)溶液加熱器。我們真誠(chéng)邀請(qǐng)您撥打我公司的技術(shù)支持，我們將熱忱幫助您確定適合您的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的佳的加熱方案。
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