專利名稱：用于掃描探針顯微鏡的熱沉型低溫生物樣品平臺的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種生物樣品平臺，特別涉及一種初始溫度可預置從而能維持納米級生物樣品在一定凝結點溫度以下的可與幾乎所有掃描探針顯微鏡配套使用的用于掃描探針顯微鏡的熱沉型低溫生物樣品平臺，可使普通掃描探針顯微鏡功能擴展到從凝結點溫度到較低溫度的范圍，也可用作一般的低溫材料學觀察平臺，而且結構簡單、價格低廉。
生命過程發生在三個空間尺度內與有機分子行為相關的納米尺度、與組織內單個細胞行為相關的微米尺度及與整個生物機體行為相關的宏觀尺度。超過水的凍結溫度的低溫對生物系統的影響同時體現在納米(分子)及微米(細胞)尺度。細胞膜脂雙層中的相變會影響其隔離細胞內外溶液并控制質量傳輸的功能，因而理解和控制這一相變過程是微尺度生物傳熱學研究中最為重要的領域之一，發展先進的測量技術將極大地增進對此問題中所涉及機理的認識。長期以來人們采用各種各樣的途徑如低溫掃描電鏡、X-射線衍射以及數學模擬等方法對發生在細胞內外的傳熱、傳質以及一系列由此引起的物理、化學行為進行了研究，但迄今對此機制的認識仍嚴重匱乏，原因之一是很難對細胞及其內部結構進行直接觀察。隨著現代科學技術的進步，人類越來越獲取了更多更完善的觀察微小生物樣品的新手段。目前，可以認為掃描探針顯微鏡(原子力顯微鏡、掃描隧道顯微鏡等的總稱)是最適合于在分子水平上對細胞進行觀測的儀器之一。
掃描探針顯微鏡在生物醫學研究中的應用正不斷得到拓展，這種關于細胞水平上信息的直接觀察對于生命現象的揭示極為關鍵，盡管許多生物樣品的微觀結構已可通過電子或光學顯微鏡的辦法觀察，但大多數分辨率僅在微米量級，因而直接觀察生物樣品的原子和分子結構長期成為極富誘惑力的課題，掃描探針顯微鏡的發明大大推動了這一進程。但目前的一些高精度圖像主要是在大分子上得到的，且不同樣品的精度和復現性較差，這是因為，一方面室溫下含水大分子是一種軟性材料，會因探針的操作而發生變形甚至破壞，因此所得圖像精度較低且重復性較差，生物樣品的水蒸汽環境也增大了信號判別的難度；另一方面，室溫下大分子的熱運動使得很難實現高精度成像。解決上述困難的措施是直接在低溫下觀察生物樣品，由此建立的掃描探針顯微鏡稱為低溫原子力顯微鏡，這是因為在低溫下，分子熱運動得到極大抑制，生物樣品的軟表面可以變硬從而能保證得到比之室溫下更高的分辨率。Shao及其合作者在美國“超顯微鏡”中的“生物用低溫原子力顯微鏡簡要評述”(第66卷141-152頁，1996年)(Shao Z.andY.Zhang，Biological cryo atomic force microscopya brief review，Ultramicroscopy，vol.66，pp.141-152，1996)設計了一種低溫原子力顯微鏡。與在大氣環境下操作的普通原子力顯微鏡不同的是，在該系統內，由激光二極管、光電探測器及掃描器組成的原子力顯微頭被置于一內含液氮的低溫環境內，該低溫環境采用內徑為28in的杜瓦瓶盛裝液氮來實現，杜瓦瓶內的氮蒸汽壓強可通過閥門調節，且略高于外界大氣壓，以避免由于液氮氣泡的生成而引起的振動；原子力顯微鏡的成像室位于液氮面上約1-2in處，成像樣品的溫度高低取決于原子力顯微鏡與液氮的距離遠近，Shao等的低溫原子力顯微鏡可實現在77-220K范圍的測量。在獲取圖像的過程中，成像室必須保持封閉，以消除由于氮蒸汽循環帶來的擾動。低溫原子力顯微鏡的實現開辟了許多新的生物醫學研究領域，它已被用于一系列極細微生物樣品如免疫球蛋白、病毒、DNA、紅細胞、細胞膜等的觀察，并且其范圍正不斷得到拓展。但Shao等的裝置在結構上十分復雜，且實現起來困難較大，而且價格不菲，液氮消耗量極大，占空間較多，實驗耗費多。
德國Omicron公司從另一種結構出發(侯士敏等，變溫超高真空掃描探針顯微鏡，現代科學儀器，No.3，pp.19-21，2000)，開發了所謂變溫超高真空掃描探針顯微鏡，可以在25K-1100K之間對樣品成像。該系統采用液氦連續流過一定換熱器來實現，換熱器通過銅辮線與樣品架相連，并利用熱傳導降低樣品溫度。在機械泵作用下，液氦從杜瓦瓶中被吸出，通過輸液杜瓦瓶進入液氦連續流動冷卻器與換熱器進行熱交換。加熱樣品架還可使樣品從室溫變到1100K。該裝置也存在結構復雜和高價位的問題。
本發明目的在于提供一種結構簡單、價格低廉的低溫生物樣品平臺，特別是一種初始溫度可預置從而能維持納米級生物樣品在一定凝結點溫度以下的可與幾乎所有掃描探針顯微鏡配套使用的熱沉型低溫生物樣品平臺，可在不增加普通掃描探針顯微鏡所必需的龐大、昂貴的輔助設備的情況下，使普通掃描探針顯微鏡的功能擴展到從凝結點溫度到較低溫度的范圍，同時，該低溫生物樣品平臺也可用作一般的低溫材料學觀察平臺。
本發明的實施方案如下本發明提供的用于掃描探針顯微鏡的熱沉型低溫生物樣品平臺包括熱沉件A和與真空泵10相連的真空罩9兩部分，熱沉件A置于掃描探針顯微鏡平臺15上，再置于真空罩9之中；所述熱沉件A由大比熱容材料制作的實心細頸樣品臺13和真空成像腔6組成，實心細頸樣品臺13的細頸14頂端固定安裝一用以放置低溫生物樣品的臺面1，臺面1上安裝溫度傳感器11，實心細頸樣品臺13的下部大臺面上的槽中裝有分子篩4，實心細頸樣品臺13的下部大臺面外表面上覆蓋絕熱層5，真空成像腔6為一由低膨脹合金制作的空心圓柱體，實心細頸樣品臺13置于真空成像腔6的內腔中，其細頸14露出真空成像腔6外，細頸14周圍套裝低膨脹合金薄壁管2，低膨脹合金薄壁管2的上、下端分別焊接在實心細頸樣品臺13的臺面1和真空成像腔6的蓋板3上，真空成像腔6的蓋板3上設有抽真空口8，實心細頸樣品臺13與真空成像腔6之間抽真空；為確保冷量漏至掃描探針顯微鏡的平臺上，真空成像腔6固定在絕熱基底12上。
實心細頸樣品臺13由實心的大比熱容材料如銅塊制成，低膨脹合金薄壁管2和真空成像腔6均由熱膨脹系數較小的Invar合金制成。在Invar合金和銅塊之間的間隙抽成真空，由于細頸樣品臺上設置有分子篩4，可確保降溫后獲得高質量的真空環境，從而達到很好的隔熱效果。熱沉件A一定部位處設置有熱電偶15以監測實際的熱沉溫度水平。熱沉件A重量很輕，一般在50g-150g之間，放在真空罩9內，真空罩9可以是玻璃罩，并連接抽真空的真空泵10，以減小樣品表面的散熱，并盡量消除樣品表面可能有的水汽影響圖象的讀取。由于樣品臺熱容極大，而待觀測樣品體積極小，因而熱沉型樣品平臺溫度能保持相對的穩定，由此滿足在一定低溫下掃描探針顯微鏡的觀測。
為確保冷量漏至掃描探針顯微鏡平臺上，本發明進一步將真空成像腔6底座置于一絕熱基底12上，從而很好地實現了上述目標。根據測量的要求將本熱沉型樣品平臺預置于一定冷源如Dewar瓶中一定時間，伺其達到穩定，取出置于掃描探針顯微鏡平臺上，并將樣品擱上，即可進行觀測。也可將樣品臺在空氣中放置一定時間后，再擱置到掃描探針顯微鏡平臺上，由此可實現稍微高一些溫度情況下的樣品觀測。這樣，即可滿足不同溫度下的低溫生物材料觀測。
本發明結構簡單，價格十分便宜，而性能完全滿足要求，基本與以往結構復雜、價格昂貴的低溫掃描探針顯微鏡平臺所實現的功能相當，其最大的優點是可直接與現有掃描探針顯微鏡配套使用。
本發明重量較小，一般在50g-150g之間，不致影響掃描探針顯微鏡壓電晶體的驅動功能。而且由于銅塊焊接懸吊在外腔內，即使由于變溫其本身會發生變形，但這種變形方向朝下，因而樣品表面仍幾乎未發生任何改變，從而保證掃描探針顯微鏡的成像。可以認為，這是本發明最重要的設計方案之一。由于銅塊熱容較大，且成像室內抽成真空，樣品臺上冷量不易散失，因而能保證樣品在一定范圍內維持恒定，從而滿足掃描探針顯微鏡的觀測。在不同的低溫水平下觀測材料尤其是納米級生物材料的形貌是正在探索的方向，本發明可有助于此方面的應用。
用于納米級低溫細胞學觀察的掃描探針顯微鏡的熱沉型低溫樣品平臺及其外圍裝置，特別涉及一種初始溫度可預置從而能維持微小生物樣品在一定凝結點溫度(從0℃到液氮溫度-196℃或更低)以下的可與幾乎所有掃描探針顯微鏡配套使用的樣品平臺，其作用在于將普通的掃描探針顯微鏡功能擴展到從凝結點溫度到較低溫度的范圍，可通過對樣品平臺溫度進行預置來主動地改變平臺上樣品的溫度，并對改變了溫度的樣品材料表面進行成像，由于所采用的熱沉型樣品平臺結構簡單，可與幾乎所有掃描探針顯微鏡配套使用，變溫范圍廣，無需改變現有掃描探針顯微鏡的結構，而且價格十分便宜，能較好地滿足不同溫度下生物樣品觀測的要求，這對于儀器的推廣使用十分有利。本系統最顯著的一個特點是引入熱沉型低溫樣品平臺的概念，從而保證樣品平臺的相對獨立性，并實現材料在不同溫度范圍的觀測。低溫掃描探針顯微鏡是納米科技領域內正在嘗試探索的目標，本樣品平臺及其所采用的方法目前尚未見有報道。
下面結合附圖和具體實施例進一步描述本發明

圖1為本發明的結構示意圖；圖2為熱沉件A的結構示意其中實心細頸樣品臺1低膨脹合金薄壁管2蓋板3 分子篩4絕熱層5真空成像腔6底座7 抽真空口8真空罩9真空泵10溫度傳感器11 絕熱基底12實心細頸樣品臺13 細頸14掃描探針平臺15由圖知，本發明提供的用于掃描探針顯微鏡的熱沉型低溫生物樣品平臺包括熱沉件A和與真空泵10相連的真空罩9兩部分，熱沉件A置于真空罩9之中；所述熱沉件A由大比熱容材料制作的實心細頸樣品臺13和真空成像腔6組成，實心細頸樣品臺13的細頸14頂端固定安裝一用以放置低溫生物樣品的臺面1，臺面1上安裝溫度傳感器11，實心細頸樣品臺13的下部大臺面上的槽中裝有分子篩4，實心細頸樣品臺13的下部大臺面上外表面上覆蓋有絕熱層5，真空成像腔6為一由低膨脹合金制作的空心圓柱體，實心細頸樣品臺13置于真空成像腔6的內腔中，實心細頸樣品臺13的細頸露出真空成像腔6，其周圍套裝低膨脹合金薄壁管2，低膨脹合金薄壁管2的上、下端分別焊接在實心細頸樣品臺13的臺面1和真空成像腔6的蓋板3上，真空成像腔6的蓋板3上設有抽真空口8，實心細頸樣品臺13與真空成像腔6之間抽真空；為確保冷量漏至掃描探針顯微鏡的平臺上，真空成像腔6固定在絕熱基底12的上。
實心細頸樣品臺13由實心的大比熱容材料如銅塊制成，低膨脹合金薄壁管2和真空成像腔6均由熱膨脹系數較小的Invar合金制成。在Invar合金和銅塊之間的間隙抽成真空，由于細頸樣品臺上設置有分子篩4，可確保降溫后獲得高質量的真空環境，從而達到很好的隔熱效果。熱沉件A一定部位處設置有熱電偶11以監測實際的熱沉溫度水平。熱沉件A放在真空罩9內，真空罩9可以是玻璃罩，并連接抽真空的真空泵10，以減小樣品表面的散熱，并盡量消除樣品表面可能有的水汽影響圖象的讀取。由于樣品臺熱容極大，而待觀測樣品體積極小，因而熱沉型樣品平臺溫度能保持相對的穩定，由此滿足在一定低溫下掃描探針顯微鏡的觀測。
本發明組裝步驟在實心細頸樣品臺13的下部大臺面上的槽中設置分子篩4后，將其四周用絕熱材料如玻璃纖維包覆以形成絕熱層5；再將實心細頸樣品臺13的細頸14的端部的臺面1與低膨脹Invar合金構成的低膨脹合金薄壁管2焊接在一起，之后將低膨脹合金薄壁管2底部與真空成像腔6的蓋板3焊接，真空成像腔6與底座7焊接；整個焊接過程要確保沿周向密封。同時，真空成像腔6與底座7焊接，構成熱沉型A，并由抽真空口將實心細頸樣品臺13與真空成像腔6之間抽真空；熱沉件A的重量很輕，一般在50g-150g之間，并置入真空罩9中，真空罩9由真空泵10抽真空。
由上所述，本發明采用的低溫樣品平臺結構簡單，穩定性好，而價格則趨于低廉，制作相對容易，數據采集及處理十分方便，無復雜電路，測溫和評價樣品的熱狀態比較容易，變溫范圍廣。適宜不同低溫下材料性質的研究及納米形貌的觀察，乃至進行有關熱物理性質的測試。
使用時，將本發明的低溫生物樣品臺預先置于冷源中，待其降溫并達均勻后，取出置于普通掃描探針顯微鏡的原樣品臺15上，將低溫生物樣品擱置于本樣品臺的臺面1上，并對真空成像室6抽真空，之后即可開始掃描探針顯微鏡的成像。若需改變樣品溫度，可將樣品臺在空氣中擱置一定時間后實現，從而達到略高一些的新的樣品溫度。由此，即實現不同低溫下的樣品材料形貌的成像。并可研究降溫對材料形貌及有關物理性質的影響，并測定有關重要的熱物性。
權利要求
1.一種用于掃描探針顯微鏡的熱沉型低溫生物樣品平臺，其特征在于該低溫生物樣品平臺包括熱沉件(A)和與真空泵(10)相連的真空罩(9)兩部分，熱沉件(A)置于真空罩(9)之中；所述熱沉件(A)由大比熱容材料制作的實心細頸樣品臺(13)和真空成像腔(6)組成，實心細頸樣品臺(13)的細頸(14)頂端固定安裝一用以放置低溫生物樣品的臺面(1)，臺面(1)上安裝溫度傳感器(11)，實心細頸樣品臺(13)的下部大臺面上的槽中裝有分子篩(4)，實心細頸樣品臺(13)的下部大臺面上外表面上覆蓋有絕熱層(5)，真空成像腔(6)為一由低膨脹合金制作的空心圓柱體，實心細頸樣品臺(13)置于真空成像腔(6)的內腔中，實心細頸樣品臺(13)的細頸露出真空成像腔(6)，其周圍套裝低膨脹合金薄壁管(2)，低膨脹合金薄壁管(2)的上、下端分別焊接在實心細頸樣品臺(13)的臺面(1)和真空成像腔(6)的蓋板(3)上，真空成像腔(6)的蓋板(3)上設有抽真空口(8)，實心細頸樣品臺(13)與真空成像腔(6)之間抽真空。
2.按權利要求1所述的用于掃描探針顯微鏡的熱沉型低溫生物樣品平臺，其特征在于實心細頸樣品臺(13)由銅制成。
3.按權利要求1所述的用于掃描探針顯微鏡的熱沉型低溫生物樣品平臺，其特征在于真空成像腔(6)由熱膨脹系數較小的Invar合金制成。
4.按權利要求1所述的用于掃描探針顯微鏡的熱沉型低溫生物樣品平臺，其特征在于溫度傳感器(11)為熱電偶溫度傳感器。
5.按權利要求1所述的用于掃描探針顯微鏡的熱沉型低溫生物樣品平臺，其特征在于真空罩(9)為玻璃罩。
6.按權利要求1-5所述的用于掃描探針顯微鏡的熱沉型低溫生物樣品平臺，其特征在于真空成像腔(6)的底座7固定在絕熱基底(12)上。
7.按權利要求1-5所述的用于掃描探針顯微鏡的熱沉型低溫生物樣品平臺，其特征在于熱沉件A的重量在50g-150g之間。
全文摘要
本發明涉及熱沉型低溫生物樣品平臺,由真空成像腔和置于其中的細頸樣品臺組成,樣品臺的細頸頂端固定裝有溫度傳感器的臺面,其下部大臺面的槽中裝有分子篩,其外表面上覆蓋絕熱層,細頸露出腔外,周圍套裝低膨脹合金薄壁管,合金薄壁管的上、下端分別焊接在臺面和真空成像腔蓋板上,其結構簡單,價格低廉,可在不增加龐大、昂貴輔助設備的情況下,與普通掃描探針顯微鏡配套使用,使其功能擴展到從凝結點溫度到較低溫度的范圍。
文檔編號G12B21/00GK1344951SQ0013012
公開日2002年4月17日 申請日期2000年9月29日 優先權日2000年9月29日
發明者劉靜, 周一欣 申請人:中國科學院低溫技術實驗中心