专利名称：控制悬浮液中微小质粒规律运动的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及对一种对悬浮液体中微小质粒进行操纵的装置，特别涉及一种利用流体热胀冷缩特性来达到操纵悬浮液中微小质粒(特别是生物细胞)运动的控制悬浮液中微小质粒规律运动的装置。
背景技术：
当前自然科学与工程技术发展的一个重要趋势是朝微型化发展，人们的注意力逐渐从宏观物体转向那些发生在小尺度中的现象及其相应器件上，其中对微小质粒规则运动的操纵是一大类重要问题，比如在许多微/纳米器件应用场合及加工情况下，需要实现精密的位移控制；近期，人们提出了在液体环境中实现对微小质粒的激光加工，而这也有赖于微操作；特别是，在生物医学技术研究方面，对微小细胞体进行主动控制长期为细胞生物学家所梦寐以求，按照Bell实验室科学家Ashkin(1986年提出光镊技术)的说法[李银妹编译，光镊原理、技术和应用，合肥中国科学技术大学，1996]，“将细胞器从其正常位置移走的能力，为我们打开了精确研究细胞功能的大门”。
目前，在控制液体环境中的微小质粒如细胞体，光镊是其中最有前景的技术之一，这是一种基于激光光学效应引起的光压操纵微小质粒的方法，其可迅速捕捉和输运染色体、细菌、病毒甚至细胞，该技术为细胞导入外源基因、研究和改变染色体结构、研究细胞器的结构功能以及进行物种杂交等生命科学前沿课题展示了广阔的前景。以往，尽管各种显微镜的出现均从各自的角度开拓了对活细胞的研究，但这些方法都没有解决在保持细胞正常生命活动的条件下束缚和控制细胞的技术，而这一技术是所有活细胞研究首先要解决的问题[李银妹编译，光镊原理、技术和应用，合肥中国科学技术大学出版社，1996]。以往单细胞操作中存在技术难度大、细胞易受机械损伤这样的致命弱点。光镊技术的发明为此开辟了较有效的途径，目前几乎所有的单细胞操作都可用光镊替代传统的实验技术。然而，光镊技术也同样存在不足，这主要体现在，难以控制的激光能量可能会导致所操纵细胞的温升过高以至破坏细胞，从而使活体细胞研究中断；而且，实现一套激光光镊系统需要激光器及其调节装置，光镊技术使用中要通过显微镜将光束聚集到亚微米大小的光点，再辅以精密机械定位系统、光学显微镜以及其它技术进行精确定位、操作和观测细胞，由此使得整套机构庞大，设备复杂，费用昂贵；再者，对于一些体积乃至质量较大的细胞，激光光压的强度有时尚难使之发生位移，因而会使操纵无效。除光镊技术外，人们也尝试采用其他方式如电、磁、声等作用机制来控制微小质粒，但这些方式都无一例外地要引入外场效应，从而会改变物体本身的某些物理化学行为，以至影响对真实物理过程的理解。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，而提供一种利用流体热胀冷缩乃至相变特性来达到控制微小质粒特别是生物细胞的微/纳米级精确操纵的控制悬浮液中微小质粒规律运动的装置，其响应速度快、结构紧凑、操作十分简便，可与几乎所有显微镜配合使用。
本发明的实施方案如下本发明提供的控制悬浮液中微小质粒规律运动的装置，其特征在于，包括玻璃容器2、微/纳米级槽道3和微样品室5，所述微样品室5的两侧或周围规则对称布置装有工作介质21的玻璃容器2，每一玻璃容器2器壁上设置与微样品室5相连通的微/纳米级槽道3，每一玻璃容器2的基底或侧面上固定安置有带加热电源8的电加热薄膜4；还进一步包括透明基底1，玻璃容器2制作在透明基底1上；整体装置的各部件由玻璃或硅透明材料制做；所述玻璃容器2的形状为立方体筒形，其具体尺寸为1mm×1mm×1mm到5cm×5cm×5cm之间；所述玻璃容器2的形状为圆柱筒形，其直径为1mm-50mm；所述微样品室5为立方体筒形，其具体尺寸为所述0.01mm×0.01mm×0.01mm到1cm×1cm×1cm之间；所述微样品室5为圆柱筒形，其直径为0.01mm-10mm；所述微/纳米级槽道3的直径为10nm到1mm之间；所述工作介质21为具有热膨胀特性的流体；所述微/纳米级槽道3下方的透明基底1上设有对微/纳米级槽道3中的工作介21进行降温冷却的半导体制冷片6；所述微/纳米级槽道3内设置活塞；所述样品室5内增设可对微小质粒实施电泳及电穿孔功能微电极。
玻璃容器2的内腔可采用常规玻璃制造技术预先成型，而电加热薄膜4固定在玻璃容器2的基底或一侧，之后，在透明基底1的选定表面上利用一些成熟技术如光刻技术、X-射线蚀刻、离子束及电子束研磨技术等刻蚀出微/纳米级槽道3，由此构成特定的流路网络通道，最后用中心开空的玻璃盖板将流路网络通道覆盖，通过高温使玻璃盖板与透明基底1熔合在一起，即形成微/纳米级槽道3与玻璃容器2连通为一体的本发明的控制悬浮液中微小质粒规律运动的装置，玻璃容器2内可设置热电偶10，以便监测其内溶液的温度。
综上所述，本发明提供的控制悬浮液中微小质粒规律运动的装置，结构紧凑简单，具有很高的性能价格比，其原理在于将细胞或微小质粒限制在微小空间内再从多个方向通过微小流体的流动来加以控制，无需阀门、泵等，且不引入外场效应，更加安全可靠，还因为沿途的微小流体可以轻而易举地被冷却；本发明由于采用封装在一定空间内的流体21的热涨冷缩来操纵对象，仅需通过改变电流大小即可实现不同的加热功能，从而使微槽内流体21发生不同程度的位移而操纵微样品室5内的微小对象，且连续性好，能较好地满足三维移动的要求，具有可控位移范围宽、响应速度快、结构简单、成本低，操作十分简便等优点。
附图1为本实用新型的结构示意图；附图2为附图1的A-A剖面示意图；附图3为本实用新型一具体实施例的结构示意图；附图4-1为本实用新型另一具体实施例的结构示意图；附图4-2和4-3分别为附图4-1的A-A剖面示意图和B-B剖面示意图；其中透明基底1玻璃容器2 微样品室5微/纳米级槽道3 电加热薄膜4 半导体制冷片6工作介质21 电源8温度传感器10实施方式下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明图1为本发明的结构示意图，也是本发明的一个实施例；由图可知，本发明提供的控制悬浮液中微小质粒规律运动的装置，包括玻璃容器2、微/纳米级槽道3和微样品室5，所述微样品室5的两侧或周围规则对称布置装有工作介质21的玻璃容器2，每一玻璃容器2器壁上设置与微样品室5相连通的微/纳米级槽道3，每一玻璃容器2的基底或侧面上固定安置有带加热电源8的电加热薄膜4；还进一步包括透明基底1，玻璃容器2制作在透明基底1上；整体装置的各部件由玻璃或硅透明材料制做；所述玻璃容器2的形状为立方体筒形，其具体尺寸为1mm×1mm×1mm到5cm×5cm×5cm之间；所述玻璃容器2的形状为圆柱筒形，其直径为1mm-50mm；所述微样品室5为立方体筒形，其具体尺寸为所述0.01mm×0.01mm×0.01mm到1cm×1cm×1cm之间；所述微样品室5为圆柱筒形，其直径为0.01mm-10mm；所述微/纳米级槽道3的直径为10nm到1mm之间；所述工作介质21为具有热膨胀特性的流体；所述微/纳米级槽道3下方的透明基底1上设有对微/纳米级槽道3中的工作介21进行降温冷却的半导体制冷片6；所述微/纳米级槽道3内设置活塞；所述样品室5内增设可对微小质粒实施电泳及电穿孔功能微电极。
玻璃容器2的内腔可采用常规玻璃制造技术预先成型，而电加热薄膜4则固定在容器的基底或一侧，之后，在透明基底1的选定表面上利用一些成熟技术如光刻技术、X-射线蚀刻、离子束及电子束研磨技术等刻蚀出微/纳米级槽道3，由此构成特定的流路网络通道，最后用中心开空的玻璃盖板将流路网络通道覆盖，通过高温使玻璃盖板与透明基底1熔合在一起，即形成微/纳米级槽道3与玻璃容器2连通为一体的本发明的控制悬浮液中微小质粒规律运动的装置，玻璃容器2内可设置温度传感器(热电偶)10，以便监测其内溶液的温度。
微/纳米级槽道3的制作如图1所示，图2为图1的A-A剖面图；由图可知，首先在玻璃或硅片基底1上采用微加工技术刻蚀出如图1所示的微/纳米级槽道3，并在基底中心加工出微样品室5，再在其上覆盖一中心开孔的玻璃或硅片，玻璃或硅片的中心孔与微样品室5相对应，基底1和玻璃或硅片之间通过高温融合在一起，由此形成如图1所示的中心为样品室5，四周为微/纳米级槽道3的微操作装置，微/纳米级槽道3可保持水平，也可与水平面成一定角度。图1给出的仅是一种实施例结构，实际上，其结构形式可以多种多样，如图4-1至图4-3所示的是另一种样品室与微/纳米级槽道3的组合形式，实际制造时可以根据需要确定具体的形式。另外，需要补充说明的是，微/纳米级槽道3尺寸也可以略大，此时在其内可设置有微活塞，由此通过流体的热膨胀来推动样品室5为非悬浮液环境时其内的物体。而且，微样品室5内还可增设其他部件如微电极等，以满足对细胞实施电泳及电穿孔等功能的需要。
如图3所示的是本发明最简单的结构形式，其微样品室5位于中间，两侧设有玻璃容器2，玻璃容器2和微样品室5由微/纳米级槽道3连通，玻璃容器2内装有带加热电源8的电加热薄膜4和温度传感器10；本发明提供的装置可在一些较宽范围如仪器、医疗、生物系统、机器人、设计等领域得到应用。目前，人们发现，热信号是控制一些“微小”机器的最合适的工具之一[刘静，微米/纳米尺度传热学，北京科学出版社，2001]。与热驱动相比，一些传统微致动技术如堆型压电驱动器若要实现较大的力输出，则其位移相对较小(＜10μm)；而双压电晶片虽可获得大的位移，但输出力又相对较小；此外，电力驱动则对颗粒和潮湿环境非常敏感；而磁致动又不易加工到亚毫米尺度。本发明利用的正是热方法的独特性能即液体热涨冷缩特性来控制微小对象，其有可能成为操纵细胞的一种安全有效的全新手段。
本发明具有很多优点，首先，微电加热膜4的响应极其快速，方便，可通过改变电流大小实现多种调控方案；另一方面，由于微/纳米级槽道3直径极小，因而略微的加热即可实现其内流体大的位移，操纵精度高；该器件无需引入其他装置，结构紧凑，对于实验研究极为有利；正是由于这些综合因素，使得本发明提供的器件制造成本、价格较低，相比以往的光镊技术在某些方面具有一定优势。
本发明装置的使用过程如下1.对本发明装置进行清洁，消毒，并在玻璃容器2及微/纳米级槽道3内灌装合乎要求的工作介质21，使工作介质21充满整个玻璃容器2、微/纳米级槽道3及微样品室5；2.将待操纵质粒如细胞等置入微样品室5内，设置好微电加热膜4上的电流大小，然后根据需要调整的方向和位移大小开通相应的多个电加热膜，分别予以控制，即可实现在三维方向上操纵微小对象；同时，半导体制冷片6也可同时开通，以调整进入微样品室5内的流体温度，从而避免温度过高损伤微样品室内的质粒；3.结合显微镜，即可对微样品室内的微小质粒进行操作和观察，从而开展一系列研究工作。
权利要求
1.一种控制悬浮液中微小质粒规律运动的装置，其特征在于，包括玻璃容器(2)、微/纳米级槽道(3)和微样品室(5)，所述微样品室(5)的两侧或周围规则对称布置装有工作介质(21)的玻璃容器(2)，每一玻璃容器(2)器壁上设置与微样品室(5)相连通的微/纳米级槽道(3)，每一玻璃容器(2)的基底或侧面上固定安置有带加热电源(8)的电加热薄膜(4)。
2.按权利要求1所述的控制悬浮液中微小质粒规律运动的装置，其特征在于，还进一步包括透明基底(1)，玻璃容器(2)制作在透明基底(1)上。
3.按权利要求1所述的控制悬浮液中微小质粒规律运动的装置，其特征在于，整体装置的各部件由玻璃或硅透明材料制做。
4.按权利要求1所述的控制悬浮液中微小质粒规律运动的装置，其特征在于，所述玻璃容器(2)的形状为立方体筒形，其具体尺寸为1mm×1mm×1mm到5cm×5cm×5cm之间。
5.按权利要求1所述的控制悬浮液中微小质粒规律运动的装置，其特征在于，所述玻璃容器(2)的形状为圆柱筒形，其直径为1mm-50mm。
6.按权利要求1所述的控制悬浮液中微小质粒规律运动的装置，其特征在于，所述微样品室(5)为立方体筒形，其具体尺寸为所述0.01mm×0.01mm×0.01mm到1cm×1cm×1cm之间。
6.按权利要求1所述的控制悬浮液中微小质粒规律运动的装置，其特征在于，所述微样品室(5)为圆柱筒形，其直径为0.01mm-10mm。
7.按利要求1所述的控制悬浮液中微小质粒规律运动的装置，其特征在于，所述微/纳米级槽道(3)的直径为10nm到1mm之间。
8.按利要求1所述的控制悬浮液中微小质粒规律运动的装置，其特征在于，所述工作介质(21)为具有热膨胀特性的流体。
9.按利要求1所述的控制悬浮液中微小质粒规律运动的装置，其特征在于，所述微/纳米级槽道(3)下方的透明基底(1)上设有对微/纳米级槽道(3)中的工作介质(21)进行降温冷却的半导体制冷片(6)。
10.按利要求1所述的控制悬浮液中微小质粒规律运动的装置，其特征在于，所述微/纳米级槽道(3)内设置活塞。
11.按利要求1所述的控制悬浮液中微小质粒规律运动的装置，其特征在于，所述样品室(5)内增设可对微小质粒实施电泳及电穿孔功能微电极。
全文摘要
本发明涉及一种控制悬浮液中微小质粒规律运动的装置包括玻璃容器、微/纳米级槽道和微样品室，所述微样品室两侧或周围规则对称布置装有工作介质的玻璃容器，每一玻璃容器器壁上设置与微样品室相连通的微/纳米级槽道，每一玻璃容器的基底或侧面上固定安置有带加热电源的电加热薄膜；还可包括透明基底，玻璃容器制作在透明基底上；槽道下方的基底上设半导体制冷片；槽道内还可设活塞；样品室内可增设微电极；本发明结构紧凑简单，具有很高的性能价格比，无需阀门、泵等，不引入外场效应，更加安全可靠，而且具有连续性好，可控位移范围宽、响应速度快、结构简单、成本低，操作十分简便等优点，与显微镜配套使用，效果更佳。
文档编号B81B1/00GK1441274SQ0210424
公开日2003年9月10日 申请日期2002年2月25日 优先权日2002年2月25日
发明者刘静 申请人:中国科学院理化技术研究所