一种超高压转移冷冻过程原位观测装置和方法

1.本发明涉及超高压冷冻测试技术领域，具体涉及一种超高压转移冷冻过程原位观测装置和方法。


背景技术：

2.高压转移冷冻技术作为一种新兴的食品冷冻技术，已经被证实可以获得相比传统冷冻更加优质的产品，拥有良好的发展前景。高压转移冷冻技术的原理是通过快速地改变压力促进亚稳态条件的产生以及冰晶的瞬时生成。高压转移冷冻卸压后生成的冰晶的尺寸和数量直接决定了产品组织结构的破坏程度，间接影响了产品的品质。然而，由于现有设备存在的局限性在于难以实现对高压转移冷冻卸压后生成的冰晶进行原位观测，从而难以对产品结构损伤进行直接评估，同时也限制了该技术在结晶机制、传热传质等基础研究上的发展。
3.现有的超高压冷冻设备需要选用具有一定厚度的金属材料以承载高压，因此无法用肉眼观察产品在冷冻过程中的状态。目前，为了获取腔体内产品的状态，常规的方法是通过在高压腔体中设置温度传感器来记录高压转移冷冻过程中产品的温度变化，通常认为当产品的温度剧烈上升时，产品释放潜热生成冰晶。然而，温度传感器作为一种局部的接触式探针，在监测过程中难以避免其对产品冻结过程的影响，也难以监测样品整体的状态。此外，otero等人通过能量守恒公式建立了高压转移冷冻过程的传质数值模型，用于预测卸压后的瞬时冰晶生成量，然而，该模型为简化计算对实际的成核压力进行修正，目前没有一种方法可以对该模型进行检验。上述两种用于获取高压转移过程中样品的状态的方法都存在一定的局限性，因此，开发一种能够用于高压转移冷冻原位观测的方法及装置具有重要的意义。
4.金刚石对顶砧技术是一种在地质学、物理学以及材料学等多个学科中广泛应用的技术。与食品工业中使用的高压技术不同，该技术的特点在于能够利用小体积的金刚石对顶砧压机获得高压环境，同时可以搭载制冷系统，进而满足小型、可控的高压转移冷冻实验条件。同时，该技术能够与光谱、磁电、显微镜以及声学技术等原位测试技术配合使用。此外，在食品冷冻领域中，拉曼光谱由于能够提供物质内部的结构有序性和相变等诸多信息，被认为是分析相态最有力的工具之一，并且拉曼光谱分析技术还可以达到不接触样品的效果，从而避免了外加设备对于原位观测的影响。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种超高压转移冷冻过程原位观测装置和方法，可对超高压转移冷冻过程中样品的光学显微图像以及拉曼光谱进行记录，以评估超高压冷冻转移的效率。
6.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种超高压转移冷冻过程原位观测装置，包括金刚石对顶砧压机、低温原位观测系统、显微镜和拉曼光谱仪；低温原位观测
系统包括原位池、温度控制箱、液氮储罐、冷却水循环机、真空泵和计算机终端；原位池包括冷却水循环机接口、真空泵接口、液氮接口和用于放置金刚石对顶砧压机的空腔，原位池通过冷却水循环接口连接冷却水循环机，真空泵连接真空泵接口，液氮储罐连接液氮接口，真空泵接口和液氮接口均连通空腔，原位池内设有半导体制冷片和温度探测器，半导体制冷片和温度探测器均电连接温度控制箱，温度控制箱与计算机终端电连接。
7.采用这种结构后，空腔的大小与金刚石对顶砧压机的大小相匹配，金刚石对顶砧压机可为样品提供小型、可控的超高压环境，液氮储罐和冷却水循环机用于对原位池内的空腔进行降温，利用显微镜和拉曼光谱仪可以直观的获取超高压转移冷冻过程中样品的状态，方便地实现超高压转移冷冻过程的实时原位观测。
8.作为一种优选，显微镜为激光共聚焦显微镜，原位池还包括用于观测样品状态的观测窗口，观测窗口处设有蓝宝石窗口片，金刚石对顶砧压机的材料包括铍铜。
9.一种超高压转移冷冻过程原位观测方法，采用上述的一种超高压转移冷冻过程原位观测装置，包括如下步骤，
10.s1，将样品与压力标定物装入金刚石对顶砧压机中的样品腔内，然后进行升压操作，直至样品腔内的压力升至100～500mpa；
11.s2，将金刚石对顶砧压机装入原位池中，并将原位池放置于显微镜的载物台上，采集样品的光学显微图像以及拉曼光谱；
12.s3，对金刚石对顶砧压机及其内部的样品进行降温；
13.s4，当样品的温度降低至预设值并稳定后，卸除样品腔中的压力，并采集卸压后30～90s内，样品的光学显微图像以及拉曼光谱；
14.s5，对采集到的所有的拉曼光谱进行平滑处理、基线校正处理以及面积归一化处理，对步骤s4和步骤s2中采集到的拉曼光谱的强度进行比较。
15.作为一种优选，样品为液体样品。
16.作为一种优选，样品为纯水、蔗糖溶液或食盐溶液。
17.作为一种优选，压力标定物为石英颗粒。
18.作为一种优选，步骤s1的升压操作过程中，分多次进行加压，每次加压后静置2-5min，然后进行压力计算。
19.作为一种优选，步骤s3中，依次启动冷却水循环机、真空泵和液氮循环系统，进行降温。
20.作为一种优选，步骤s3中，将降温速率控制在2-5℃/min。
21.作为一种优选，步骤s4中，卸除压力的时间为4-8s。
22.总的说来，本发明具有如下优点：
23.(1)本发明利用金刚石对顶砧压机配合低温制冷系统构建了一个微型超高压冷冻平台，同时借助拉曼光谱和激光共聚焦显微镜可以直观的获取超高压转移冷冻过程中样品的状态，首次实现了超高压转移冷冻过程的实时原位观测。
24.(2)本发明利用拉曼光谱监测样品的状态，该方法操作简单且耗时短，通过比较不同条件下获得的冰的拉曼光谱强度对超高压转移冷冻的效率评估，进而为真实食品体系进行超高压冷冻的工艺参数选择提供了指导意见。
附图说明
25.图1为低温原位观测系统的示意图。
26.图2为实施例一中的纯水在加压后的光学显微图像。
27.图3为实施例一中的纯水在卸压前的光学显微图像。
28.图4为实施例一中的纯水在卸压后的光学显微图像。
29.图5为实施例一中的纯水在加压后、卸压前和卸压后的拉曼光谱图。
30.图6为实施例二中的纯水在不同条件下卸压后的归一化拉曼光谱强度与理论计算值之间的回归分析结果。
31.其中，1为原位池，2为温度控制箱，3为计算机终端，4为液氮储罐，5为冷却水循环机，6为真空泵。
具体实施方式
32.下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
33.实施例一
34.如图1所示，一种超高压转移冷冻过程原位观测装置，包括金刚石对顶砧压机、低温原位观测系统、显微镜和拉曼光谱仪；低温原位观测系统包括原位池、温度控制箱、液氮储罐、冷却水循环机、真空泵和计算机终端；原位池包括冷却水循环机接口、真空泵接口、液氮接口和用于放置金刚石对顶砧压机的空腔，原位池通过冷却水循环接口连接冷却水循环机，真空泵连接真空泵接口，液氮储罐连接液氮接口，真空泵接口和液氮接口均连通空腔，原位池内设有半导体制冷片和温度探测器，半导体制冷片和温度探测器均电连接温度控制箱，温度控制箱与计算机终端电连接。
35.空腔的大小与金刚石对顶砧压机的大小相匹配，原位池包括可拆卸的上盖和底座，空腔由上盖和底座之间的空间形成。温度探测器为pt100铂热电阻。水循环接口连接有水循环通道，水循环通道位于腔体的外侧并与腔体之间进行热交换。
36.显微镜为激光共聚焦显微镜，原位池还包括用于观测样品状态的观测窗口，观测窗口处设有蓝宝石窗口片，金刚石对顶砧压机的材料包括铍铜。
37.一种超高压转移冷冻过程原位观测方法，采用上述的一种超高压转移冷冻过程原位观测装置，包括如下步骤，
38.s1，将样品与压力标定物装入金刚石对顶砧压机中的样品腔内，然后进行升压操作，直至样品腔内的压力升至100～500mpa；
39.步骤s1中，样品为纯水，压力标定物为石英颗粒，按照高压试验固体样品加样方式，用钨针挑取一颗长宽高约为20um*10um*5um的石英颗粒于金刚石对顶砧压机的上砧面，测定常压下石英的拉曼频移波数并记录为初始频移；再按照液体加样方式，用注射器吸取纯水样品滴于样品腔内，随后立刻合上金刚石对顶砧的上、下砧面并旋紧加压螺丝使两砧面靠近挤压形成超高压，根据石英的拉曼频移波数变化确定样品腔压力。石英光谱采集范围为400～600cm-1
，选用785nm激光器，光栅为600gr/mm，hole为500，激光强度为100％，采集时间为5s，积累次数为3次，压力计算公式如下所示：
40.p＝0.36079*(ν
1-ν0)2 110.86*(ν
1-ν0)
41.其中ν0是常压下石英的拉曼频移波数，ν1是加压后石英的拉曼频移波数，该式的适
用范围为温度区间-50℃～100℃和压力区间0～2gpa。
42.升压操作过程中，分多次进行加压，每次加压后静置2-5min，然后进行压力计算，直至样品腔中的压力值达到210mpa。
43.s2，将金刚石对顶砧压机装入原位池中，并将原位池放置于显微镜的载物台上，采集样品的光学显微图像以及拉曼光谱；
44.显微镜为共聚焦显微镜，物镜优选为20倍长焦物镜，样品的光谱采集所用的激光器优选为532nm激光器，其中光栅大小为600gr/mm，hole为500，扫描范围为2700～3800cm-1
；采集条件优选为：采集时间10s，累积次数2次，激光能量为100％。
45.s3，对金刚石对顶砧压机及其内部的样品进行降温；
46.步骤s3中，设置温度控制箱的降温速率为3℃/min，最终温度为-20℃，依次启动水冷循环机、真空泵和液氮循环制冷系统进行降温。当温度控制箱的温度降至-20℃时，保持温度稳定5min，然后采集-20℃时样品腔内纯水样品的显微光学图像和拉曼光谱。纯水的光谱采集范围为2800～3800cm-1
，选用532nm激光器，光栅为600gr/mm，hole为500，激光强度为100％，采集时间为10s，积累次数为2次。
47.s4，在8s内快速拧松原位池上盖的加压螺柱卸除样品腔中的压力，并采集卸压后1min时样品腔中样品的光学显微图像以及拉曼光谱。
48.s5，对采集到的所有的拉曼光谱进行平滑处理、基线校正处理以及面积归一化处理，对步骤s4和步骤s2中采集到的拉曼光谱的强度进行比较。
49.平滑处理、基线校正处理和面积归一化处理优选采用labspec 6软件进行处理，其中，平滑窗口大小优选为20，平滑因子优选为20，基线校正类型优选为线性，基线校正阶次优选为1，基线校正最大点数优选为100。
50.如图2所示为纯水在加压后的光学显微图像，如图3所示为纯水在卸压前的光学显微图像，如图4所示为纯水在卸压后的光学显微图像。图2和图3表明升压后和卸压前的纯水样品的状态是均匀且透明的，而从图4可以看出，当压力被卸除后，能在显微镜下观察到冰晶的生成。此外，图5所示为纯水在加压后、卸压前和卸压后的拉曼光谱图，其中，纯水的拉曼光谱在卸压前与卸压后的显著变化意味着样品从液态转变为固态。因此，本发明能够有效地实现超高压转移冷冻过程的原位观测。
51.实施例二
52.按照实施例一中的一种超高压转移冷冻过程原位观测方法，改变超高压冷冻条件，得到不同超高压转移冷冻条件卸压后的冰的归一化拉曼光谱强度，通过现有的超高压转移冷冻过程的传质数值模型得出冰晶生成量的理论计算值。将卸压后的冰的归一化拉曼光谱强度与冰晶生成量的理论计算值进行比较，结果如表1所示。
53.结果表明，两者的变化趋势是一致的。进一步的，对两者的值进行了线性回归分析，结果表明两者呈良好的线性正相关关系，线性拟合结果为y＝540.26*x-160.07，线性拟合相关系数高达0.99384，结果如图6所示。因此，本发明能够为理论计算提供可靠的实验支撑，同时，为超高压转移冷冻的基础研究提供新的技术支持。
54.表1
[0055][0056][0057]
上述实施例为发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。