阅读说明：本技术 一种可施加电场的dsc电极系统 (A kind of DSC electrode system applying electric field ) 是由 钟力生 宋晓源 高景晖 于钦学 刘琳 何佳熹 李亚飞 于 2019-08-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了可施加电场的DSC电极系统,包括：差示扫描量热仪、计算机、信号发生器、自增压液氮罐、参比坩埚,自增压液氮罐与差示扫描量热仪相连,用于实时控制温度,差示扫描量热仪与计算机相连,用于传输信号并记录实验结果,还包括：微电极坩埚,微电极坩埚包括陶瓷坩埚、陶瓷坩埚盖、焊点、2片电极与电极引线,分别固定在所述陶瓷坩埚内部,电极之间留有间隙用于存放被测试样品,电极上端留有焊点,电极引线一端连接焊点,另一端连接所述信号发生器,用于向电极施加电场。本发明还提供了可施加电场的DSC电极系统在生物、材料领域低温保存中的应用。本发明的DSC电极系统能有效抑制生物材料的低温损伤,提高生物材料的低温保存效率。(The invention discloses the DSC electrode systems that can apply electric field, it include: differential scanning calorimeter, computer, signal generator, from pressurization liquid nitrogen container, reference crucible, it is connected from pressurization liquid nitrogen container with differential scanning calorimeter, for real-time control temperature, differential scanning calorimeter is connected with computer, it is used for transmission signal and records experimental result, further include: microelectrode crucible, microelectrode crucible includes ceramic crucible, ceramic crucible lid, solder joint, 2 plate electrodes and contact conductor, it is separately fixed inside the ceramic crucible, there are gaps for storing tested sample between electrode, there are solder joints for electrode upper end, contact conductor one end connection welding, the other end connects the signal generator, for applying electric field to electrode.The present invention also provides can apply application of the DSC electrode system of electric field in biology, Material Field cryo-conservation.DSC electrode system of the invention can effectively inhibit the low temperature injury of biomaterial, improve the cryo-conservation efficiency of biomaterial.)

一种可施加电场的DSC电极系统

技术领域

本发明涉及观测影响生物材料低温保存因素及其机理的系统设计领域，尤其是涉及一种可施加电场的DSC电极系统。

背景技术

生物电介质是电磁学和生物材料交叉学科领域的重要研究方向，对生物电介质的研究有助于加深人们对电磁学和生物材料之间相互作用的认识，有利于推动其更广泛的应用。目前生物材料低温保存技术面临的一个重要问题即如何避免生物材料在降温过程中遭受低温损伤，造成其低温损伤的主要原因是生物组织中所含的水在冷冻过程中结晶产生冰晶，造成由细胞脱水引起的化学损伤或由细胞膜被冰晶刺破引起的物理损伤。因此，避免生物材料的低温损伤主要是抑制降温过程中生物组织内水的结晶。

目前，常见的生物材料低温保存方法主要有快速降温法，添加低温保护剂法，或两者相结合。然而，快速降温法仅适用于体积较小的生物材料的保存，当需要保存的生物材料体积较大，材料内部由于热传导的影响无法与材料表面达到一致的降温速率；而添加低温保护剂不仅操作复杂，且在材料复温后难以清除，此外，部分低温保护剂对生物材料有毒害作用，应用场景受限。

由于水分子是极性分子，在外施电磁场的作用下会产生偶极极化，该极化效应会干扰水分子簇的平衡，进而影响水分子的液-固相变特性。研究表明，外施条件合适的电磁场能够在一定程度上抑制生物组织中水分子的结晶，从而降低低温冷冻对生物材料的损伤程度。

现阶段对于生物材料低温冷冻的相关研究主要是通过显微观测来实现。显微观测的实验结果具有较为直观明了的特点，但仍存在以下三方面问题：一是观测样品需为薄片状，与实际应用中生物材料的实际状态不符；二是大部分的盐离子以及冰晶均为无色，这为更细致的显微观测增添了难度；三是显微观测的结果分析往往需要借助主观识别，没有统一的方法，不便于进行更加精微的定量计算以及深度机理分析。

传统测量和验证外施电场的方式对于生物材料的作用研究，往往只能通过对比冷冻后生物组织内水的冰晶形态的不同或复温后生物材料性状的不同来进一步分析，不便于实时记录。差示扫描量热法(DSC＝Differential Scanning Calorimetry)可以通过测量被测试样品升温、降温或恒温时进出样品和参比物的热流与温度之间的关系，其中，测量信号为被测试样品吸收或放出能量的变化，用毫瓦(mW)表示。此外，DSC还可用于检测吸热和放热效应、测定峰面积(转变焓和反应焓)、测定表征峰或其他效应的温度和测量比热容等。差示扫描量热仪是基于DSC的原理而设计出应用于测量材料内部热转变相关的温度和热流关系的仪器，测量时，差示扫描量热仪会生成DSC曲线，通过DSC曲线可以精确记录生物材料在低温冷冻和复温情况下的热流变化，进而在分子层面上定量计算冰晶形成及融化时的焓变。

本项发明通过在坩埚中内嵌电极的方式，利用差示扫描量热仪同步监测有电场作用时生物材料冷冻及复温时的热流变化，对比不同的电场参数对生物材料中冰晶形成的不同影响，进一步探究外施电场控制生物材料低温冷冻结晶特性的有效方法，为外施电场提高低温冷冻保存效率提供理论及试验依据，为实现大体积生物组织的低温保存奠定基础。同时，本项发明亦适用于各类需要对固态或液态材料相变性状进行控制的领域，对材料深层结构、机理等提供了新的研究方法，具有重要的意义。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可施加电场的DSC电极系统，其基于差示扫描量热法的原理，通过差示扫描量热仪实时监测外施电场对于生物材料冷冻和复温时的热流变化，对比不同的电场参数对生物材料中冰晶形成的不同影响，探寻最佳外施电场参数，有效抑制冰晶所造成的生物组织的损伤，提高低温保存效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种可施加电场的DSC电极系统，其包括：

差示扫描量热仪，其用于检测不同电场参数对被测试样品冷冻及复温的热流曲线；

计算机，其与差示扫描量热仪相连，用于传输信号并记录实验结果；

自增压液氮罐，其分别与计算机和差示扫描量热仪相连，用于对差示扫描量热仪的实验舱内进行降温；

微电极坩埚，其包括陶瓷坩埚、陶瓷坩埚盖、电极、电极引线和焊点，其中陶瓷坩埚用于盛放电极和被测试样品；陶瓷坩埚盖用于避免被测试样品的过度蒸发；电极用于产生电场，电极共2片，分别固定在陶瓷坩埚内部，电极之间留有间隙用于存放被测试样品；电极引线用于连接电极和信号发生器；所述电极上端留有焊点，焊点用于连接电极和电极引线；

信号发生器，其与电极引线的一端相连，用于提供电信号以便对被测试样品施加电场；

参比坩埚，其包括陶瓷坩埚和陶瓷坩埚盖，所述陶瓷坩埚和陶瓷坩埚盖与微电极坩埚中的规格一致，参比坩埚用于对被测试样品不施加电场作为实验参照。

本发明还提供了一种可施加电场的DSC电极系统在生物材料低温保存领域中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可施加电场的DSC电极系统通过实时监测外施电场对于生物材料冷冻和复温时的热流变化，对比不同的电场参数对生物材料中冰晶形成的不同影响，从而确定最佳外施电场参数，有效抑制生物材料的低温损伤，提高生物材料的低温保存效率。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的

具体实施方式

进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的可施加电场的DSC电极系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的微电极坩埚的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的微电极坩埚的剖面图；

图4是根据本发明一个实施例的微电极坩埚DSC性能测试结果图；

图5是根据本发明一个实施例在不同条件下纯水冷冻后复温的DSC曲线；

图6是根据本发明一个实施例在不同条件下生理盐水冷冻后复温的DSC曲线。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，图1是根据本发明一个实施例的可施加电场的DSC电极系统的结构示意图，一种可施加电场的DSC电极系统，其包括：

差示扫描量热仪1，其用于检测不同电场参数对被测试样品冷冻及复温的热流曲线；

计算机2，其与差示扫描量热仪1相连，用于传输信号并记录实验结果；

自增压液氮罐4，其分别与计算机2和差示扫描量热仪1相连，用于对差示扫描量热仪1的实验舱内进行降温；

微电极坩埚6，其包括陶瓷坩埚61、陶瓷坩埚盖62、电极63、电极引线65和焊点64，其中陶瓷坩埚61用于盛放电极63和被测试样品；陶瓷坩埚盖62用于避免被测试样品的过度蒸发；电极63用于产生电场，电极63共2片，分别固定在陶瓷坩埚61内部，电极63之间留有间隙用于存放被测试样品；电极引线65用于连接电极63和信号发生器3；所述电极63上端留有焊点64，焊点64用于连接电极63和电极引线65；

信号发生器3，其与电极引线65的一端相连，用于提供电信号以便对被测试样品施加电场；

参比坩埚5，其包括陶瓷坩埚和陶瓷坩埚盖，所述陶瓷坩埚和陶瓷坩埚盖与微电极坩埚6中的规格一致，参比坩埚5用于对被测试样品不施加电场作为实验参照。

本发明可施加电场的DSC电极系统通过实时监测外施电场对于生物材料冷冻和复温时的热流变化，对比不同的电场参数对生物材料中冰晶形成的不同影响，从而确定最佳外施电场参数，有效抑制生物材料的低温损伤，提高生物材料的低温保存效率。

在一个较佳的实施例中，所述电极63通过两液混合硬化胶固定在所述陶瓷坩埚61中，所述电极63相对放置且表面光滑，所述电极63与被测试样品相接触的平面严格平行。

在一个较佳的实施例中，所述电极引线65为外表面绝缘的漆包线，所述电极引线65的一端通过焊接的方式与所述电极63相接并导通，另一端通过传输线与所述信号发生器3的信号输出端相连，所述电极引线65的直径在0.1mm-0.2mm之间，在一个较佳的实施例中，所述电极63之间的间隙在0.2mm-1.0mm之间。

在一个较佳的实施例中，所述电极63材料的材质为耐腐蚀导电材料。

在一个较佳的实施例中，所述电极63材料的材质为铂金、铜、黄金、不锈钢中的一种。

在一个较佳的实施例中，所述电极63的底部与所述陶瓷坩埚61的底部完全接触。

在一个较佳的实施例中，所述陶瓷坩埚盖62两侧的对称位置钻有2个豁口，所述豁口的深度与所述陶瓷坩埚61的厚度相当。

在一个较佳的实施例中，所述计算机2包括温度控制程序，通过所述程序控制所述差示扫描量热仪1的实验温度。

在一个较佳的实施例中，所述电极63产生的电场为均匀电场。

本发明是利用内置在差示扫描量热分析仪中的坩埚产生均匀电场作用于生物材料中影响其低温相变的测试系统，通过坩埚产生的外施电场可控制生物材料中冰晶的形成，本发明提供的系统可实时记录不同电场参数对生物材料中冰晶形成的差异。

为了进一步理解本发明，在一个实施例中，如图2和图3所示，所述微电极坩埚6包括陶瓷坩埚61、陶瓷坩埚盖62、焊点64、电极63与电极引线65；所述电极63共2片，分别固定在所述陶瓷坩埚61内部，所述电极63之间留有间隙用于存放被测试样品，所述电极63上端留有焊点64，所述电极引线65一端连接所述焊点64，另一端连接所述信号发生器3，用于向所述电极63施加电场。

进一步地，陶瓷坩埚61的内直径和内高需与差示扫描量热仪1相匹配。

进一步地，电极63材料的材质为铂金、铜、黄金、不锈钢中的一种，并切割成大小相同、表面光滑的两片相对放置，需与被测试样品相接触的平面严格平行。

进一步地，电极63通过两液混合硬化胶固定在陶瓷坩埚61的内侧壁，其底部与陶瓷坩埚61的底部完全接触，避免电极63的底部或陶瓷坩埚61的底部被混合硬化胶污染。

进一步地，电极引线65采用外表面绝缘的漆包线，其一端通过焊接的方式与电极63相接并导通，另一端刮掉漆包线表面的绝缘漆通过传输线与信号发生器3的信号输出端相连。

进一步地，陶瓷坩埚盖62两侧的对称位置钻有2个豁口，豁口的深度与陶瓷坩埚61的厚度相当，保证其贴合陶瓷坩埚61的同时能够使电极引线65从豁口穿出，同时还需保证不应过大缝隙引起被测试样品中的水分过度蒸发。

本实施例中，电极63的高度要与被测试样品量相协调，电极63之间的间隙在0.2mm-1.0mm之间，电极引线65的直径在0.1mm-0.2mm之间。

本实施例中，计算机2中还包括差示扫描量热仪1所配套的温度控制程序，所述程序包含三个阶段。阶段一：设定起始温度为4℃，并保持2分钟；阶段二：以3℃/min的速率降温至-60℃；阶段三：在-60℃保持3分钟；阶段四：以3℃/min的速率升温至10℃。

本实施例中，信号发生器3配置有信号输入按钮，用来控制对于微电极坩埚6的外施电场的启动和停止。

本实施例中，在进行实验前，需对微电极坩埚6进行性能测试，性能测试的目的是为保证微电极坩埚6在实验过程中所涉及的温度范围内保持稳定，避免出现物理转变或化学反应而干扰实验过程及结果分析。如图4所示，将微电极坩埚6空载，采用差示扫描量热仪1以3℃/min的速率在10℃至-60℃再返回至10℃的温度范围内测量热流曲线，图4结果表明，微电极坩埚6在上述温度范围内性能稳定，无明显的熔融、结晶、玻璃态转变等性状变化，满足实验要求。

下面通过2个实施例来具体说明本发明的实施方式和效果。

实施例1

采用Millipore密理博明澈-D24UV纯水一体化系统过滤纯化后的超纯水(以下简称I级水)作为实验样品，差示扫描量热仪1选用TA公司的Q2000DSC分析仪。实验步骤如下：

1.)打开差示扫描量热仪1的实验舱，将参比坩埚5和微电极坩埚6放在对应位置，将微电极坩埚6的电极引线65与信号发生器3接通，并设置好待输出的信号参数；

2.)使用规格为2μl的微量进样器分两次吸取共4μl的I级水注入微电极坩埚6内的电极63中并盖上陶瓷坩埚盖62，操作过程中应保证I级水完全注入电极63的缝隙之间；

3.)在计算机2中设置好差示扫描量热仪1所配套的温度控制程序，其包括三个阶段，其中，阶段一：设定起始温度为4℃，并保持2分钟；阶段二：以3℃/min的速率降温至-60℃；阶段三：在-60℃保持3分钟；阶段四：以3℃/min的速率升温至10℃。设置好程序后，关闭实验舱，启动温度控制程序。

4.)当阶段一结束并即将开始阶段二时，按下信号发生器3的信号输入按钮，在阶段二的降温过程启动对I级水的外施电场；

5.)当阶段二结束时，弹回信号发生器3的信号输入按钮，在阶段三和阶段四停止对I级水的外施电场；

6.)当阶段四结束时，由差示扫描量热仪1导出热流曲线并存储至计算机2中。

图5示出了对4μl的I级水在低温冷冻过程中分别施加0Hz、100kHz、1MHz电场参数并复温后得到的DSC热流曲线。图中可以看出，在低温冷冻过程中对I级水施加电场后，I级水的熔融峰峰高显著降低，峰面积明显减小。在DSC热流曲线中，熔融峰面积代表被测试样品中对应晶型的熔融焓，熔融峰面积越大，对应晶型的熔融焓越大，即说明该被测试样品中冰晶含量越多。因此，在低温冷冻过程中对I级水施加电场可以有效地减少其冰晶的形成，不同的外施电场参数对应熔融峰面积减小的程度也不同。由图5可推断出，本实施例的最佳外施电场参数为1MHz，当外施电场参数为1MHz时，I级水中冰晶含量最少，故能够有效的抑制由冰晶形成所造成的生物材料低温损伤，提高低温保存效率。

实施例2

采用I级水和Alfa Aesar公司纯度为99.99％的NaCl粉末配置生理盐水作为实验样品，差示扫描量热仪1选用TA公司的Q2000DSC分析仪。实验步骤如下：

1.)打开差示扫描量热仪1的实验舱，将参比坩埚5和微电极坩埚6放在对应位置，将微电极坩埚6的电极引线65与信号发生器3接通，并设置好待输出的信号参数；

2.)使用规格为2μl的微量进样器分两次吸取共4μl的生理盐水注入微电极坩埚6内的电极63中并盖上陶瓷坩埚盖62，操作过程中应保证生理盐水完全注入电极63的缝隙之间；

3.)在计算机2中设置好差示扫描量热仪1所配套的温度控制程序，其包括三个阶段，其中，阶段一：设定起始温度为4℃，并保持2分钟；阶段二：以3℃/min的速率降温至-60℃；阶段三：在-60℃保持3分钟；阶段四：以3℃/min的速率升温至10℃。设置好程序后，关闭实验舱，启动温度控制程序。

4.)当阶段一结束并即将开始阶段二时，按下信号发生器3的信号输入按钮，在阶段二的降温过程启动对生理盐水的外施电场；

5.)当阶段二结束时，弹回信号发生器3的信号输入按钮，在阶段三和阶段四停止对生理盐水的外施电场；

6.)当阶段四结束时，由差示扫描量热仪1导出热流曲线并存储至计算机2中。

图6示出了对4μl的生理盐水在低温冷冻过程中分别施加0Hz、100kHz、1MHz电场参数并复温后得到的DSC热流曲线，其中，低温峰是由于盐离子的加入形成的低共熔混合物含盐冰的熔融峰，高温峰是纯水冰的熔融峰。可以看出，在低温冷冻过程中对生理盐水施加电场后，生理盐水的低温峰消失，熔融峰峰高显著降低，峰面积明显减小。因此，在低温冷冻过程中对生理盐水施加电场可以有效地减少其冰晶的形成，由图6可推断出，本实施例的最佳外施电场参数为1MHz，当外施电场参数为1MHz时，生理盐水中冰晶含量最少，故能够有效的抑制由冰晶形成所造成的生物材料低温损伤，提高低温保存效率。

因此，本发明的可施加电场的DSC电极系统可以在生物材料低温保存领域得到应用，具备一定的工业实用性。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。