基于半导体制冷的低温生物学显微镜

运用低温生物显微镜可以观察生物样品在冷冻和复温过程中的变化,帮助探究某些生物的抗冻特性,也可为生物材料的低温保存提供依据。1971年,美国麻省理工学院的Dller和Cravalho研制了第一台自动控制的低温生物显微镜,开创了现代低温显微技术的新纪元。目前生物显微镜多为大型系统,由液氮提供冷源,备有微机控制的精密温度测量和控制系统、摄像系统及数字图象处理系统[1],设备成本较高,普及学生实验有一定困难。因此我们研制了基于半导体制冷片和普通生物显微镜结合的低温生物显微镜。

1　半导体制冷片工作原理

半导体制冷的基本原理是p-n结的帕尔帖效应,它具有无噪音、无振动、无污染及使用方便等优点,目前已得到广泛应用[2]。1934年,法国科学家Peltier发现,当外加电流通过两种导体时会产生吸热和放热现象,吸热和放热的大小可以由表达式描述:

Q=aTI

其中:Q为吸(放)热量,a为Seebeck系数,T为冷结点温度,I为工作电流。当电流由半导体p-n结的n型半导体流向p型半导体时,形成电子-空穴对而吸收热量,相反,电子-空穴对结合而释放热量。我们所用半导体制冷片型号为TECI12704,最大工作电流4 A,最高工作电压15.4 V,冷热两端最大温差可达68°C,尺寸为40×40×4(mm),是由多组p-n结并联而成,最后引出两根导线。

2　低温显微镜的基本结构及性能

低温显微镜整体结构中,半导体制冷片冷端朝下,贴在特制的台阶形铜片上;制冷片热端朝上,贴于电脑CPU散热器底端;以上两处接触面均涂有导热硅脂,并作相应固定,形成制冷整体。将此整体固定在载物台后端,制备好的生物样品玻片插于铜片之下,上面加盖一片玻片,开启电源即可观察生物样品,温度调节可通过改变工作电流完成,生物样品的温度由接于玻片上的电子数字温度计显示。结果在室温为25°C时,载物台温度可在-5～15°C调节。

3　需要注意的问题

半导体制冷片虽然有制冷快、无污染、体积小和使用方便等优点,但是到目前为止,半导体制冷的效率还很低,大约在10%左右,所以在制冷的同时,半导体制冷片的热端将释放大量的热量,解决好制冷片的散热问题是整个装置的重要环节。散热的方法有很多种,我们采用风冷的方法,用计算机CPU散热器作为散热装置,但工作时间不能太长,如果要求长时间工作还得外加较大功率的散热器。低温显微镜还有需要解决的问题是载玻片的防霜防雾处理,我们将低温显微镜置于氮气保护的有机玻璃罩内,这样观察样品的部位可保持低温而又无冷凝水的出现。但由于我们目前的工作还比较粗糙,加上还未安装摄像功能,所以未得到满意的观察结果,我们将作进一步努力,使之能方便用于教学实验。