專利名稱：控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運動的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及對一種對懸浮液體中微小質(zhì)粒進行操縱的裝置，特別涉及一種利用流體熱脹冷縮特性來達到操縱懸浮液中微小質(zhì)粒(特別是生物細胞)運動的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運動的裝置。
背景技術：
當前自然科學與工程技術發(fā)展的一個重要趨勢是朝微型化發(fā)展，人們的注意力逐漸從宏觀物體轉(zhuǎn)向那些發(fā)生在小尺度中的現(xiàn)象及其相應器件上，其中對微小質(zhì)粒規(guī)則運動的操縱是一大類重要問題，比如在許多微/納米器件應用場合及加工情況下，需要實現(xiàn)精密的位移控制；近期，人們提出了在液體環(huán)境中實現(xiàn)對微小質(zhì)粒的激光加工，而這也有賴于微操作；特別是，在生物醫(yī)學技術研究方面，對微小細胞體進行主動控制長期為細胞生物學家所夢寐以求，按照Bell實驗室科學家Ashkin(1986年提出光鑷技術)的說法[李銀妹編譯，光鑷原理、技術和應用，合肥中國科學技術大學，1996]，“將細胞器從其正常位置移走的能力，為我們打開了精確研究細胞功能的大門”。
目前，在控制液體環(huán)境中的微小質(zhì)粒如細胞體，光鑷是其中最有前景的技術之一，這是一種基于激光光學效應引起的光壓操縱微小質(zhì)粒的方法，其可迅速捕捉和輸運染色體、細菌、病毒甚至細胞，該技術為細胞導入外源基因、研究和改變?nèi)旧w結(jié)構(gòu)、研究細胞器的結(jié)構(gòu)功能以及進行物種雜交等生命科學前沿課題展示了廣闊的前景。以往，盡管各種顯微鏡的出現(xiàn)均從各自的角度開拓了對活細胞的研究，但這些方法都沒有解決在保持細胞正常生命活動的條件下束縛和控制細胞的技術，而這一技術是所有活細胞研究首先要解決的問題[李銀妹編譯，光鑷原理、技術和應用，合肥中國科學技術大學出版社，1996]。以往單細胞操作中存在技術難度大、細胞易受機械損傷這樣的致命弱點。光鑷技術的發(fā)明為此開辟了較有效的途徑，目前幾乎所有的單細胞操作都可用光鑷替代傳統(tǒng)的實驗技術。然而，光鑷技術也同樣存在不足，這主要體現(xiàn)在，難以控制的激光能量可能會導致所操縱細胞的溫升過高以至破壞細胞，從而使活體細胞研究中斷；而且，實現(xiàn)一套激光光鑷系統(tǒng)需要激光器及其調(diào)節(jié)裝置，光鑷技術使用中要通過顯微鏡將光束聚集到亞微米大小的光點，再輔以精密機械定位系統(tǒng)、光學顯微鏡以及其它技術進行精確定位、操作和觀測細胞，由此使得整套機構(gòu)龐大，設備復雜，費用昂貴；再者，對于一些體積乃至質(zhì)量較大的細胞，激光光壓的強度有時尚難使之發(fā)生位移，因而會使操縱無效。除光鑷技術外，人們也嘗試采用其他方式如電、磁、聲等作用機制來控制微小質(zhì)粒，但這些方式都無一例外地要引入外場效應，從而會改變物體本身的某些物理化學行為，以至影響對真實物理過程的理解。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中存在的不足，而提供一種利用流體熱脹冷縮乃至相變特性來達到控制微小質(zhì)粒特別是生物細胞的微/納米級精確操縱的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運動的裝置，其響應速度快、結(jié)構(gòu)緊湊、操作十分簡便，可與幾乎所有顯微鏡配合使用。
本發(fā)明的實施方案如下本發(fā)明提供的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運動的裝置，其特征在于，包括玻璃容器2、微/納米級槽道3和微樣品室5，所述微樣品室5的兩側(cè)或周圍規(guī)則對稱布置裝有工作介質(zhì)21的玻璃容器2，每一玻璃容器2器壁上設置與微樣品室5相連通的微/納米級槽道3，每一玻璃容器2的基底或側(cè)面上固定安置有帶加熱電源8的電加熱薄膜4；還進一步包括透明基底1，玻璃容器2制作在透明基底1上；整體裝置的各部件由玻璃或硅透明材料制做；所述玻璃容器2的形狀為立方體筒形，其具體尺寸為1mm×1mm×1mm到5cm×5cm×5cm之間；所述玻璃容器2的形狀為圓柱筒形，其直徑為1mm-50mm；所述微樣品室5為立方體筒形，其具體尺寸為所述0.01mm×0.01mm×0.01mm到1cm×1cm×1cm之間；所述微樣品室5為圓柱筒形，其直徑為0.01mm-10mm；所述微/納米級槽道3的直徑為10nm到1mm之間；所述工作介質(zhì)21為具有熱膨脹特性的流體；所述微/納米級槽道3下方的透明基底1上設有對微/納米級槽道3中的工作介21進行降溫冷卻的半導體制冷片6；所述微/納米級槽道3內(nèi)設置活塞；所述樣品室5內(nèi)增設可對微小質(zhì)粒實施電泳及電穿孔功能微電極。
玻璃容器2的內(nèi)腔可采用常規(guī)玻璃制造技術預先成型，而電加熱薄膜4固定在玻璃容器2的基底或一側(cè)，之后，在透明基底1的選定表面上利用一些成熟技術如光刻技術、X-射線蝕刻、離子束及電子束研磨技術等刻蝕出微/納米級槽道3，由此構(gòu)成特定的流路網(wǎng)絡通道，最后用中心開空的玻璃蓋板將流路網(wǎng)絡通道覆蓋，通過高溫使玻璃蓋板與透明基底1熔合在一起，即形成微/納米級槽道3與玻璃容器2連通為一體的本發(fā)明的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運動的裝置，玻璃容器2內(nèi)可設置熱電偶10，以便監(jiān)測其內(nèi)溶液的溫度。
綜上所述，本發(fā)明提供的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運動的裝置，結(jié)構(gòu)緊湊簡單，具有很高的性能價格比，其原理在于將細胞或微小質(zhì)粒限制在微小空間內(nèi)再從多個方向通過微小流體的流動來加以控制，無需閥門、泵等，且不引入外場效應，更加安全可靠，還因為沿途的微小流體可以輕而易舉地被冷卻；本發(fā)明由于采用封裝在一定空間內(nèi)的流體21的熱漲冷縮來操縱對象，僅需通過改變電流大小即可實現(xiàn)不同的加熱功能，從而使微槽內(nèi)流體21發(fā)生不同程度的位移而操縱微樣品室5內(nèi)的微小對象，且連續(xù)性好，能較好地滿足三維移動的要求，具有可控位移范圍寬、響應速度快、結(jié)構(gòu)簡單、成本低，操作十分簡便等優(yōu)點。
附圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為附圖1的A-A剖面示意圖；附圖3為本實用新型一具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖4-1為本實用新型另一具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖4-2和4-3分別為附圖4-1的A-A剖面示意圖和B-B剖面示意圖；其中透明基底1玻璃容器2 微樣品室5微/納米級槽道3 電加熱薄膜4 半導體制冷片6工作介質(zhì)21 電源8溫度傳感器10實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施例進一步描述本發(fā)明圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，也是本發(fā)明的一個實施例；由圖可知，本發(fā)明提供的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運動的裝置，包括玻璃容器2、微/納米級槽道3和微樣品室5，所述微樣品室5的兩側(cè)或周圍規(guī)則對稱布置裝有工作介質(zhì)21的玻璃容器2，每一玻璃容器2器壁上設置與微樣品室5相連通的微/納米級槽道3，每一玻璃容器2的基底或側(cè)面上固定安置有帶加熱電源8的電加熱薄膜4；還進一步包括透明基底1，玻璃容器2制作在透明基底1上；整體裝置的各部件由玻璃或硅透明材料制做；所述玻璃容器2的形狀為立方體筒形，其具體尺寸為1mm×1mm×1mm到5cm×5cm×5cm之間；所述玻璃容器2的形狀為圓柱筒形，其直徑為1mm-50mm；所述微樣品室5為立方體筒形，其具體尺寸為所述0.01mm×0.01mm×0.01mm到1cm×1cm×1cm之間；所述微樣品室5為圓柱筒形，其直徑為0.01mm-10mm；所述微/納米級槽道3的直徑為10nm到1mm之間；所述工作介質(zhì)21為具有熱膨脹特性的流體；所述微/納米級槽道3下方的透明基底1上設有對微/納米級槽道3中的工作介21進行降溫冷卻的半導體制冷片6；所述微/納米級槽道3內(nèi)設置活塞；所述樣品室5內(nèi)增設可對微小質(zhì)粒實施電泳及電穿孔功能微電極。
玻璃容器2的內(nèi)腔可采用常規(guī)玻璃制造技術預先成型，而電加熱薄膜4則固定在容器的基底或一側(cè)，之后，在透明基底1的選定表面上利用一些成熟技術如光刻技術、X-射線蝕刻、離子束及電子束研磨技術等刻蝕出微/納米級槽道3，由此構(gòu)成特定的流路網(wǎng)絡通道，最后用中心開空的玻璃蓋板將流路網(wǎng)絡通道覆蓋，通過高溫使玻璃蓋板與透明基底1熔合在一起，即形成微/納米級槽道3與玻璃容器2連通為一體的本發(fā)明的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運動的裝置，玻璃容器2內(nèi)可設置溫度傳感器(熱電偶)10，以便監(jiān)測其內(nèi)溶液的溫度。
微/納米級槽道3的制作如圖1所示，圖2為圖1的A-A剖面圖；由圖可知，首先在玻璃或硅片基底1上采用微加工技術刻蝕出如圖1所示的微/納米級槽道3，并在基底中心加工出微樣品室5，再在其上覆蓋一中心開孔的玻璃或硅片，玻璃或硅片的中心孔與微樣品室5相對應，基底1和玻璃或硅片之間通過高溫融合在一起，由此形成如圖1所示的中心為樣品室5，四周為微/納米級槽道3的微操作裝置，微/納米級槽道3可保持水平，也可與水平面成一定角度。圖1給出的僅是一種實施例結(jié)構(gòu)，實際上，其結(jié)構(gòu)形式可以多種多樣，如圖4-1至圖4-3所示的是另一種樣品室與微/納米級槽道3的組合形式，實際制造時可以根據(jù)需要確定具體的形式。另外，需要補充說明的是，微/納米級槽道3尺寸也可以略大，此時在其內(nèi)可設置有微活塞，由此通過流體的熱膨脹來推動樣品室5為非懸浮液環(huán)境時其內(nèi)的物體。而且，微樣品室5內(nèi)還可增設其他部件如微電極等，以滿足對細胞實施電泳及電穿孔等功能的需要。
如圖3所示的是本發(fā)明最簡單的結(jié)構(gòu)形式，其微樣品室5位于中間，兩側(cè)設有玻璃容器2，玻璃容器2和微樣品室5由微/納米級槽道3連通，玻璃容器2內(nèi)裝有帶加熱電源8的電加熱薄膜4和溫度傳感器10；本發(fā)明提供的裝置可在一些較寬范圍如儀器、醫(yī)療、生物系統(tǒng)、機器人、設計等領域得到應用。目前，人們發(fā)現(xiàn)，熱信號是控制一些“微小”機器的最合適的工具之一[劉靜，微米/納米尺度傳熱學，北京科學出版社，2001]。與熱驅(qū)動相比，一些傳統(tǒng)微致動技術如堆型壓電驅(qū)動器若要實現(xiàn)較大的力輸出，則其位移相對較小(＜10μm)；而雙壓電晶片雖可獲得大的位移，但輸出力又相對較小；此外，電力驅(qū)動則對顆粒和潮濕環(huán)境非常敏感；而磁致動又不易加工到亞毫米尺度。本發(fā)明利用的正是熱方法的獨特性能即液體熱漲冷縮特性來控制微小對象，其有可能成為操縱細胞的一種安全有效的全新手段。
本發(fā)明具有很多優(yōu)點，首先，微電加熱膜4的響應極其快速，方便，可通過改變電流大小實現(xiàn)多種調(diào)控方案；另一方面，由于微/納米級槽道3直徑極小，因而略微的加熱即可實現(xiàn)其內(nèi)流體大的位移，操縱精度高；該器件無需引入其他裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，對于實驗研究極為有利；正是由于這些綜合因素，使得本發(fā)明提供的器件制造成本、價格較低，相比以往的光鑷技術在某些方面具有一定優(yōu)勢。
本發(fā)明裝置的使用過程如下1.對本發(fā)明裝置進行清潔，消毒，并在玻璃容器2及微/納米級槽道3內(nèi)灌裝合乎要求的工作介質(zhì)21，使工作介質(zhì)21充滿整個玻璃容器2、微/納米級槽道3及微樣品室5；2.將待操縱質(zhì)粒如細胞等置入微樣品室5內(nèi)，設置好微電加熱膜4上的電流大小，然后根據(jù)需要調(diào)整的方向和位移大小開通相應的多個電加熱膜，分別予以控制，即可實現(xiàn)在三維方向上操縱微小對象；同時，半導體制冷片6也可同時開通，以調(diào)整進入微樣品室5內(nèi)的流體溫度，從而避免溫度過高損傷微樣品室內(nèi)的質(zhì)粒；3.結(jié)合顯微鏡，即可對微樣品室內(nèi)的微小質(zhì)粒進行操作和觀察，從而開展一系列研究工作。
權(quán)利要求
1.一種控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運動的裝置，其特征在于，包括玻璃容器(2)、微/納米級槽道(3)和微樣品室(5)，所述微樣品室(5)的兩側(cè)或周圍規(guī)則對稱布置裝有工作介質(zhì)(21)的玻璃容器(2)，每一玻璃容器(2)器壁上設置與微樣品室(5)相連通的微/納米級槽道(3)，每一玻璃容器(2)的基底或側(cè)面上固定安置有帶加熱電源(8)的電加熱薄膜(4)。
2.按權(quán)利要求1所述的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運動的裝置，其特征在于，還進一步包括透明基底(1)，玻璃容器(2)制作在透明基底(1)上。
3.按權(quán)利要求1所述的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運動的裝置，其特征在于，整體裝置的各部件由玻璃或硅透明材料制做。
4.按權(quán)利要求1所述的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運動的裝置，其特征在于，所述玻璃容器(2)的形狀為立方體筒形，其具體尺寸為1mm×1mm×1mm到5cm×5cm×5cm之間。
5.按權(quán)利要求1所述的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運動的裝置，其特征在于，所述玻璃容器(2)的形狀為圓柱筒形，其直徑為1mm-50mm。
6.按權(quán)利要求1所述的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運動的裝置，其特征在于，所述微樣品室(5)為立方體筒形，其具體尺寸為所述0.01mm×0.01mm×0.01mm到1cm×1cm×1cm之間。
6.按權(quán)利要求1所述的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運動的裝置，其特征在于，所述微樣品室(5)為圓柱筒形，其直徑為0.01mm-10mm。
7.按利要求1所述的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運動的裝置，其特征在于，所述微/納米級槽道(3)的直徑為10nm到1mm之間。
8.按利要求1所述的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運動的裝置，其特征在于，所述工作介質(zhì)(21)為具有熱膨脹特性的流體。
9.按利要求1所述的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運動的裝置，其特征在于，所述微/納米級槽道(3)下方的透明基底(1)上設有對微/納米級槽道(3)中的工作介質(zhì)(21)進行降溫冷卻的半導體制冷片(6)。
10.按利要求1所述的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運動的裝置，其特征在于，所述微/納米級槽道(3)內(nèi)設置活塞。
11.按利要求1所述的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運動的裝置，其特征在于，所述樣品室(5)內(nèi)增設可對微小質(zhì)粒實施電泳及電穿孔功能微電極。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運動的裝置包括玻璃容器、微/納米級槽道和微樣品室，所述微樣品室兩側(cè)或周圍規(guī)則對稱布置裝有工作介質(zhì)的玻璃容器，每一玻璃容器器壁上設置與微樣品室相連通的微/納米級槽道，每一玻璃容器的基底或側(cè)面上固定安置有帶加熱電源的電加熱薄膜；還可包括透明基底，玻璃容器制作在透明基底上；槽道下方的基底上設半導體制冷片；槽道內(nèi)還可設活塞；樣品室內(nèi)可增設微電極；本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊簡單，具有很高的性能價格比，無需閥門、泵等，不引入外場效應，更加安全可靠，而且具有連續(xù)性好，可控位移范圍寬、響應速度快、結(jié)構(gòu)簡單、成本低，操作十分簡便等優(yōu)點，與顯微鏡配套使用，效果更佳。
文檔編號B81B1/00GK1441274SQ0210424
公開日2003年9月10日 申請日期2002年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月25日
發(fā)明者劉靜 申請人:中國科學院理化技術研究所