基于光學(xué)相干斷層掃描凍干顯微鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及一種基于光學(xué)相干斷層掃描凍干顯微鏡，尤其是應(yīng)用于真空冷凍干燥過程中藥品、食品和微生物的3D成像和關(guān)鍵溫度、壓力參數(shù)測量。
【背景技術(shù)】
[0002]在藥品、食品利微生物的真空冷凍干燥過程中，溫度和壓力的準(zhǔn)確測量對保證制品質(zhì)量非常關(guān)鍵。在預(yù)凍階段，制品的冷凍溫度需低于其共晶溫度Teut;在升華干燥階段，制品的加熱溫度需低于其塌陷溫度T?；虿ＡЩD(zhuǎn)變溫度Tgo這些溫度均為凍干過程中的關(guān)鍵溫度參數(shù)。其中，共晶溫度Twt和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg主要采用差示掃描量熱儀(DSC)與電阻法進行測量，而塌陷溫度T。一般采用凍干顯微鏡測定。目前普遍應(yīng)用的凍干顯微鏡為光透射型凍干顯微鏡，其成像系統(tǒng)主要由一臺長工作距離的光學(xué)或電子顯微鏡利高分辨率的攝像機組成，待測樣品用兩玻片進行制片，然后放置凍干臺內(nèi)進行冷凍干燥。整個凍干過程中制品的結(jié)構(gòu)變化被攝像機記錄下來，用于分析其關(guān)鍵溫度。這種凍干顯微鏡的缺點是:
1、待測樣品置于兩玻片之間，不能用于測定玻璃小瓶內(nèi)制品的凍干。2、待測樣品是微量的(I?2 μ L)，測得一些制品的塌陷溫度Τ。與玻璃小瓶內(nèi)實際T。有一定差異。3、制冷與加熱模塊、液氮進出口、溫度與壓力傳感器以及抽真空口均安裝在凍干臺上，加工難度大，維修不方便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于:針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可跟蹤升華界面，觀察制品內(nèi)部結(jié)構(gòu)并生成3D圖像以及測量制品關(guān)鍵溫度參數(shù)的基于光學(xué)相干斷層掃描凍干顯微鏡。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種基于光學(xué)相干斷層掃描凍干顯微鏡，包括實驗型凍干機、光學(xué)相干斷層掃描成像系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所述實驗型凍干機包括凍干箱、捕水冷凝器和液氮罐，所述凍干箱內(nèi)裝設(shè)有用于放置制品的擱板，其特征在于:所述凍干箱與捕水冷凝器通過電動蝶閥連接，所述擱板采用電阻絲加熱，所述擱板側(cè)面裝設(shè)有導(dǎo)向桿利螺栓，所述凍干箱一側(cè)面開設(shè)一扇觀察窗，所述凍干箱的觀察窗外裝設(shè)有光學(xué)相干斷層掃描成像系統(tǒng)。
[0005]作為上述技術(shù)方案的進一步改進:
[0006]所述實驗型凍干機屬于分體式，所述捕水冷凝器位于所述凍干箱下方，所述凍干箱與捕水冷凝器外側(cè)通過不銹鋼板連接支撐成為一整體。
[0007]所述擱板上方設(shè)有一塊熱補償板，所述熱補償板上裝設(shè)有壓塞螺桿，并采用波紋管密封。
[0008]所述擱板內(nèi)裝設(shè)有制冷劑管道和加熱電阻絲，所述擱板制冷劑進出口端裝設(shè)有溫度探頭，所述凍干箱內(nèi)裝設(shè)有用于測量玻璃小瓶內(nèi)制品溫度的溫度探頭。
[0009]所述捕水冷凝器裝設(shè)有液氮制冷盤管，所述液氮制冷盤管進口處裝設(shè)有溫度探頭O
[0010]所述凍干箱利捕水冷凝器內(nèi)均裝設(shè)有真空規(guī)管。
[0011]所述樣品鏡臂安裝在觀察窗外側(cè)，所述的3D圖像包括預(yù)凍階段制品的結(jié)構(gòu)與冰核作用，以及升華階段溶劑升華與制品的微塌或完全塌陷。
[0012]所述觀察窗表面涂油抗反射涂層。
[0013]所述光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)可監(jiān)測一個或多個標(biāo)準(zhǔn)玻璃小瓶內(nèi)制品的凍干，也可監(jiān)測玻片之間制品的凍干。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于:
1、本發(fā)明的基于光學(xué)相干斷層掃描凍干顯微鏡采用液氮直接制冷，可得到更低的最低溫度，以及更好的制冷效果。
2、本發(fā)明的基于光學(xué)相干斷層掃描凍干顯微鏡為非侵入性、無損傷的監(jiān)測手段，可監(jiān)測玻璃小瓶內(nèi)或玻片之間制品的凍干過程，生成制品的2D或3D圖像，分辨率高，可更加精準(zhǔn)地測量凍干過程的關(guān)鍵溫度參數(shù)。
3、本發(fā)明的基于光學(xué)相干斷層掃描凍干顯微鏡維修或更換元部件方便，操控簡單。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明實施例工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0016]以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0017]如圖1所示，本發(fā)明的基于光學(xué)相干斷層掃描凍干顯微鏡，凍干箱內(nèi)擱板(5-1)有一層或多層，凍干箱(5)頂部裝設(shè)有用于帶動擱板(5-1)和熱補償板(5-4)升降的壓塞螺桿(5-5)，壓塞螺桿(5-5)采用不銹鋼波紋管密封。凍干結(jié)束后，呈半加塞狀態(tài)的玻璃小瓶在擱板(5-1)上，通過旋轉(zhuǎn)壓塞螺桿(5-5)使擱板(5-1)和熱補償板(5-4)在導(dǎo)向桿、螺栓的帶動下進行壓塞，將瓶塞完全壓入瓶口中。壓塞完成后，反方向旋轉(zhuǎn)壓塞螺桿(5-5)使擱板(5_1)和熱補償板(5-4)恢復(fù)原位。
[0018]所述擱板(5-1)內(nèi)的電阻絲(5-3)焊接在擱板內(nèi)側(cè)。
[0019]所述凍干箱(5)和捕水冷凝器(3)共用一套制冷系統(tǒng)，所述凍干箱(5)和捕水冷凝器(3)的液氮進口分別經(jīng)膨脹閥(3-2)連接至制冷管道(5-2、3-4)，所述液氮罐(I)的出口經(jīng)液氮泵(2)與膨脹閥(3-2)連接，液氮經(jīng)膨脹閥(3-2)后直接流經(jīng)上述凍干箱(5)和捕水冷凝器(3)內(nèi)的制冷管道(5-2、3-4)，通過控制液氮的流出速度來控制制冷溫度。
[0020]所述凍干箱(5)和捕水冷凝器(3)的制冷管道(5-2、3_4)出口的低溫氮氣通過連接一管道對觀察窗(5-10)外表面進行降溫以防止起霧。
[0021]所述凍干箱上連接有空氣過濾器(5-8)、摻氣閥(5-6)、微調(diào)閥(5-7)和真空規(guī)管(3-3)，所述捕水冷凝器(3)上連接有真空規(guī)管(3-3)，所述擱板(5-1)內(nèi)制冷管道(5-2)的進出口處分別裝設(shè)有溫度探頭(3-1)，所述捕水冷凝器(3)內(nèi)制冷管道(3-4)進口處裝設(shè)有溫度探頭(3-1)，所述凍干箱(5)內(nèi)裝設(shè)有4?6個溫度探頭(3-1)用于測量玻璃小瓶內(nèi)制品與擱板(5-1)表面的溫度。
[0022]所述捕水冷凝器(3)的出氣端經(jīng)小蝶閥(6-1)連接真空泵(6)。
[0023]所述觀察窗(5-10)采用抗反射材料進行涂層，所述寬帶光源(7-1)選用超輻射發(fā)光二極管。
[0024]所述液氮泵(2)、真空泵(6)、溫度探頭(3-1)、真空規(guī)管(3-3)、中隔閥(4)、小蝶閥(6-1)、摻氣閥(5-6)、微調(diào)閥(5-7)、膨脹閥(3-2)分別與所述PLC控制器(10)連接。
[0025]所述PLC控制器(10)利數(shù)字信號處理與圖像重建器(7-12)經(jīng)過雙向轉(zhuǎn)換器(9)、通訊卡(8)同計算機(11)連接。
[0026]本發(fā)明凍干監(jiān)測程序為:
1、預(yù)凍階段
在計算機上點擊打開本發(fā)明基于光學(xué)相干斷層掃描凍干顯微鏡的監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)定凍干工藝參數(shù)，同時開啟液氮罐(1)、液氮泵(2)、膨脹閥(3-2)和光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)(7)。配置好的凍干溶液或混懸液根據(jù)其凍干性質(zhì)要求，既可以先放入凍干箱(5)內(nèi)再冷凍，也可先給凍干箱(5)降溫后再放入冷凍。在制品預(yù)凍過程中，通過分析光學(xué)相干斷層掃描系統(tǒng)(7)生成的圖像確定其共晶點(共熔點)或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，待制品溫度低于其共晶點或共熔點10?20K后維持I?2h，然后進入升華干燥。在整個凍干過程，根據(jù)凍干箱(5)和捕水冷凝器(3)設(shè)定的溫度范圍，液氮泵可手動或自動的開啟關(guān)閉提供制冷量。
2、升華干燥階段
在捕水冷凝器(3)溫度下降至_45°C左右時，依次打開真空泵(6)、小蝶閥(6-1)和中隔閥(4)開始抽真空，通過分析光學(xué)相干斷層掃描成像系統(tǒng)(7)生成的制品圖像確定其塌陷溫度，確保升華加熱溫度低于其塌陷溫度，凍干箱(5)抽真空最終壓力低于該溫度下水的飽和蒸汽壓，通過觀察升華界面或壓升測試判斷何時結(jié)束升華干燥以進入解析干燥。
3、解析干燥階段
90%以上的自由水在升華干燥階段被除去，此時需要在保證制品不被燒焦或變性條件下適當(dāng)升高凍干箱的溫度和壓力，使制品殘余水量在3%?5%之間，通過壓塞螺桿(5-5)進行手動壓塞。然后，依次關(guān)閉液氮泵(2)、液氮罐(1)、小蝶閥(6-1)、真空泵(6)和光學(xué)相干斷層掃描成像系統(tǒng)(7)，打開摻氣閥(5-6)使凍干箱(5)和捕水冷凝器(3)恢復(fù)大氣壓，凍干結(jié)束。
[0026]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，在本發(fā)明的原理下的結(jié)構(gòu)變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的保護范疇。
【主權(quán)項】
1.一種基于光學(xué)相干斷層掃描凍干顯微鏡，包括實驗型凍干機、光學(xué)相干斷層掃描成像系統(tǒng)(7)和控制系統(tǒng)，所述實驗型凍干機包括凍干箱(5)、捕水冷凝器(3)和液氮罐(1)，所述凍干箱內(nèi)設(shè)有用于放置制品的擱板(5-1)，其特征在于:所述凍干箱(5)與捕水冷凝器(3)通過電動蝶閥(4)連接，所述擱板(5-1)采用電阻絲(5-3)加熱，所述擱板(5-1)側(cè)面設(shè)有導(dǎo)向桿和螺栓，所述凍干箱一側(cè)面開設(shè)一扇觀察窗(5-10)，所述凍干箱(5)的觀察窗(5-10)外裝設(shè)有光學(xué)相干斷層掃描成像系統(tǒng)(7)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)相干斷層掃描凍干顯微鏡，其特征在于:所述擱板(5-1)和捕水冷凝器(3)內(nèi)裝設(shè)有制冷管道。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光學(xué)相干斷層掃描凍干顯微鏡，其特征在于:所述擱板(5-1)內(nèi)制冷管道兩側(cè)裝設(shè)有加熱電阻絲(5-3)，所述擱板(5-1)和捕水冷凝器(3)內(nèi)制冷管道(5-2、3-4)進口端經(jīng)膨脹閥(3-2)與液氮泵(2)出口端連接。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)相干斷層掃描凍干顯微鏡，其特征在于:所述擱板(5-1)側(cè)面設(shè)有導(dǎo)向桿和螺栓將各擱板(5-1、5-4)連接進行升降。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于光學(xué)相干斷層掃描凍干顯微鏡，其特征在于:所述擱板(5-1)和捕水冷凝器(3)內(nèi)制冷管道(5-2、3-4)出口端連接一管道通向觀察窗(5-10)外表面。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于光學(xué)相干斷層掃描凍干顯微鏡，其特征在于:所述液氮泵(2)進口端連接液氮罐(I)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)相干斷層掃描凍干顯微鏡，其特征在于:所述光學(xué)相干斷層掃描成像系統(tǒng)(7)包括寬帶光源(7-1)、樣品鏡臂(7-4)、參照鏡臂(7-3)、分光鏡(7-5)、準(zhǔn)直透鏡(7-2)、光束減速器(7-6)、光電探測器(7-7)、信號放大器(7_8)、帶通濾波(7-9)、解調(diào)器(7-10)、A/D轉(zhuǎn)換模塊(7-11)、數(shù)字信號處理與圖像重建器(7_12)。8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的基于光學(xué)相干斷層掃描凍干顯微鏡，其特征在于:所述觀察窗(5-10)開設(shè)在凍干箱門的鄰側(cè)，所述樣品鏡臂(7-4)貼近觀察窗(5-10)外側(cè)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光學(xué)相干斷層掃描凍干顯微鏡，包括實驗型凍干機、光學(xué)相干斷層掃描成像系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所述實驗型凍干機包括凍干箱、捕水冷凝器和液氮罐，所述凍干箱內(nèi)裝設(shè)有用于放置制品的擱板，其特征在于：所述凍干箱與捕水冷凝器通過電動蝶閥連接，所述擱板采用電阻絲加熱，所述擱板側(cè)面裝設(shè)有導(dǎo)向桿和螺栓，所述凍干箱一側(cè)面開設(shè)一扇觀察窗，所述凍干箱的觀察窗外裝設(shè)有光學(xué)相干斷層掃描成像系統(tǒng)。本發(fā)明通過生成凍干制品的3D圖像來確定玻璃小瓶內(nèi)制品的關(guān)鍵溫度參數(shù)，作為實驗室研究凍干機理和在線監(jiān)測的一項基礎(chǔ)工具，操控簡便。
【IPC分類】G01N21/84
【公開號】CN104931503
【申請?zhí)枴緾N201510408046
【發(fā)明人】于穎, 劉代春, 何小榮
【申請人】中國藥科大學(xué)
【公開日】2015年9月23日
【申請日】2015年7月8日