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| 成像和記錄室的加熱：儀器應用的基本原理。 為什么要加熱？長期以來，科研人員早已理解了溫度調節在細胞功能研究中的重要性。例如，在Medline檢索中輸入關鍵詞“溫度”和“細胞”，從1995年后可以查到超過12，000篇相關文獻。其中，大部分的文獻都著重研究溫度對細胞的生物物理和代謝功能的影響。此外，成像系統的光學性能對溫度也極其敏感，這是因為，隨著物鏡溫度的變化，成像系統的焦平面會產生偏移，早已有相關文獻揭示了這一點。因此，對于在記錄環境中研究細胞功能的科研人員來說，嚴格的溫度控制的重要性是不能言過其實的。許多的爭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，以及如何控制周圍環境的溫度變化。另外，向灌注道中添加溫度低的藥物或溶液對系統溫度所產生的影響，以及由于顯微鏡的光學系統及載物臺所造成的溫度降低也必須進行闡述。 一般問題熱量來源（source of heat flux）熱傳遞途徑一般可以分為這么幾種：傳導、對流和輻射。傳統來說，沿著控制途徑傳導的熱量傳遞的效果zui顯著，其次是對流路徑。我們是這么來定義熱傳導途徑的：熱量在一連續的介質中進行傳遞叫傳導，這包括有顯微鏡的載物臺或物鏡、灌注液、成像和記錄室的平臺、以及工作環境的其他物理元件。一般來講，熱量通過對流途徑進行傳遞的效果沒有通過傳導途徑那么顯著，不過這也包括了蒸發或冷凝，以及由于成像室上空氣流動所導致的熱量傳遞。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。 不均衡熱傳導中的空間和時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，這包括有通過水浴箱或從平臺至容器熱量交換的少許熱傳導。通過水浴進行的少量熱傳導是由于在水浴液中，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本下方所致。通過這一途徑的熱量傳遞可能非常顯著，結果可能會導致在3至5mm內產生高至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上，這也會在水浴中產生溫度梯度，這一點常常不太引起人們的注意。因為平臺只會沿著水浴箱的邊緣進行加熱，由于在水浴箱中混入了溫度相對較低的溶液，水浴液的熱容量會發生變化，從而導致產生溫度梯度。在將溫度低的灌注液注入至加熱平臺中時，或者在將不同于當前灌注溫度的藥物或溶液加入到灌注道中時，如果改變加液的速度也可導致產生暫時的加熱不均。下文中，將會更加詳細的闡述這些方面的考慮。 除氣作用另外一個與灌注液加熱相關的重要觀點被稱為除氣。在標準狀態下，與液體相接觸的氣體會溶解到液體中去，并趨向于達到一個平衡，這一平衡具體取決于氣體分壓和液體的溫度。通常說來，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候，溶解的氣體便會自溶液中放出，從而導致出現氣泡。 加熱方法研究人員在研究中采用了許多的方法來調節標本的溫度，包括使用耐高溫的、有帕耳帖效應的或者使用基于液體應用的設備來加熱水浴箱平臺、在成像室和/或其他的光學部件中通過管道循環熱空氣、以及調節灌注液的溫度。調節灌注液溫度的技術有預熱灌注液儲液罐和/或在灌注道內使用管線內溶液加熱器。每種方法都有其優點和不足，下文將會詳細討論。 如何感應溫度一般而言，通常是通過一熱敏電阻或相似的設備來測量溫度，并將之反饋至溫度控制器來調整加熱元件的功率。在調節溫度時，計算出反饋回路的響應時間很重要，因為這可以導致系統產生振蕩。 控制和調節 warner器械的溫度控制器每個通道都使用了兩個熱敏電阻來進行溫度監測，并可以反饋信息至控制器。一個熱敏電阻安裝于加熱元件中（比如水浴箱平臺、管線內加熱器等）以測量加熱塊的溫度。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提供足夠的功率以維持控制器所設定的溫度。在研究中，第二個熱敏電阻通常被放置于靠近標本的加液通道中，這樣可以測量標本的溫度。科研人員通過此熱敏電阻所獲得的信息來重新調節控制器的設定溫度，并可以此來監測系統的性能。這種方法非常有效，它可以為加熱元件提供嚴格的溫度控制，（±0.1ºC），并且只要反饋回路足夠好，它也可以為灌注液提供的溫度控制。 warner器械所生產提供的溫度控制器有不同的響應時間常數，因而可以適合不同的操作情況需要，使用者可以據此自行選擇購買所需型號。 方法學 管線內溶液加熱器加熱標本的zui簡單、zui直接的方法是在將灌注液注入水浴箱前，對灌注液進行預熱。這樣，即使加熱后的灌注液以不同的流速流過標本，也可以維持標本溫度均衡。只要灌注液持續的通過加熱器流入水浴箱，這種方法就一直有效。在使用這種方法時，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，這一點非常重要。如果在流經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定超過溶液的沸點。此外，還應當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，溫度達到平衡。 水浴箱平臺加熱另一個方法是加熱水浴箱平臺，使用一耐高溫的部件通常便可以達到這一點，這一方法被用于Warner水浴箱。對此方法稍作改進，使用一有帕耳帖效應或基于液體加熱的元件也可用于為平臺進行加熱。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時，這一加熱方法是的。在使用這種方法時，有很多重要的考慮。首先，灌注液只有在注入水浴箱后才會被加熱，這樣就會在水浴中產生溫度梯度。其次，因為加熱的熱量只是通過平臺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，在溶液根本不流動時，比如說在用示蹤染料作用于細胞并需維持于一恒定溫度時，這一方法就要優于其他任何方法。 儲液罐加熱通常并不認為加熱儲液罐是一種用來維持水浴溫度的成功方法，這是因為，在流至水浴箱的途中，不是全部就是大部分的熱量將會丟失。不過，如果溶液的排氣是一大問題的話，這一技術就非常重要了。因為溶液溶解的氣體體積取決于其分壓及溫度，那么在將溶液注入zui終的加熱器前，事先在大氣壓下預熱溶液，即使溶液在流動途中溫度會降低，也可以減少在水浴箱中產生氣泡。因此，儲液罐加熱和下文所描述的其他加熱技術一起合用。 顯微鏡載物臺加熱在需要的時候，在成像時也需將物鏡浸入到液體中，這就為科研人員帶來一高難度難題，即此時如何去維持標本的溫度。因為物鏡是直接接觸溶液或水浴箱的，并且直接置于標本上方或下方，這就在系統中引入了一個有效的熱傳導路徑。加熱物鏡環在實際中是可行的，并且被認為可以減少通過光學系統的熱量傳遞。但是，許多科研人員指出，在將環旋下旋上時的小的溫差可導致焦平面的振動偏移。此外，許多科研人員也表示，擔心在使用中，在兩側溫度相差很大時，緊旋物鏡對研究結果的影響。一些科研人員通過將物鏡維持于一恒定溫度來闡明這一觀點，即使未使用物鏡。 加熱包裝外殼目前使用的另一個加熱方法是將成像室以及顯微鏡光學系統裝入可加熱的外殼中。這一方法的先進之處在于成像室和物鏡都可維持一恒定、均衡的溫度。通過將暖空氣引入包裝中，整個環境通常都可以被加熱。這一方法的不足之處是其對于溫度設定點變化的反應較慢、可能會從鼓風系統中引入空氣中的污染物、以及需要用于成像系統之上或其周圍的體積龐大的設備。 討論上述討論的每一種加熱方法都有其優點和缺點，對于所遇到的加熱問題都不是十全十美的解決辦法。但是，通過聯合這些方法，可以解決實驗中所遇到的大部分困難。例如，單獨使用平臺加熱并不足以恒定的加熱灌注液，不過如果因為某些原因，溶液流動被阻斷了，那么此時就需進行平臺加熱了。另外，加熱灌注液zui有效的方法是通過一管線內加熱器。因此，在需要嚴格控制溫度的實驗中，并且其溶液流速時常變化、有可能非常緩慢、或者可能被阻斷時，*的加熱方法便是聯合使用管線內和平臺加熱。如果溶液經過冷藏并且在達到操作溫度前就已使用，或者如果在實驗中溫度起了變化，那么此時標本的排氣就是一重要問題。通過在實驗設置中包含儲液罐預熱這一方法便可解決這一問題。不過，儲液罐加熱并不能夠為水浴箱提供加熱的水浴液，聯合使用管線內加熱器。當然，在任何的實際情況下，都可以將三種加熱方法聯合使用，這樣可以提供有效的溫度調節。 Warner器械生產提供了高質量的單通道和雙通道溫度控制器，以及儲液罐、水浴箱平臺和管線內溶液加熱器。我們真誠邀請您我公司的，我們將熱忱幫助您確定適合您的實驗設計的*的加熱方案。 |
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