专利名称：用于操纵微小物体的冰镊的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种对带有水分或置于悬浮液体中的微小物体进行操纵的操作装置，特别涉及一种利用液体冷冻时形成的冰球固定和操纵带有水分或置于悬浮液体中的微小物体的冰镊。
目前，在操纵液体环境中的微小物体如细胞等，光镊是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物体的方法，它使得可对落入以光镊的光所形成的光场中的微小颗粒进行牵引和操纵[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]，从而由此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。然而，光镊技术也存在一定不足，这主要体现在，①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、操纵和观测细胞，由此使得②整套机构庞大，设备复杂，费用昂贵；再者，③对于一些体积乃至质量较大的细胞等微小物体，激光光压的强度并不足以导致其发生位移，因而会使操作无效。
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物体，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。
目前，人们发现，热信号是控制一些“微小颗粒”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。基于以上的考虑，本实用新型利用热方法的独特性能，提供一种可以固定和操纵微小物体尤其是悬浮液环境中的微小物体如细胞等的装置，在一定程度上克服上述光镊等微操作装置的不足，成为操纵微小物体的一种安全有效的全新手段。
本实用新型的技术方案本实用新型提供的用于操纵微小物体的冰镊，其特征在于，该冰镊包括一半导体制冷器5，一微细探针1，该微细探针1的一端与半导体制冷器5冷端相接触，另一端固定连接至少一冰镊探头2，以及一微型电加热薄膜3，该微型电加热薄膜3包覆在微细探针1及冰镊探头2的部分或全部外表面上；所述的半导体制冷器5由一半导体制冷片51，一散热片52和一电源53组成，电源53通过导线54与半导体制冷片51和散热片52电连接；所述的半导体制冷片为立方体，其长、宽、高尺寸为1-50mm×1-50mm×0.1-50mm；所述的微细探针1为一圆柱体，其直径为1mm-5mm，长度为5mm-50mm，所述冰镊探头2为与该圆柱体型微细探针1成一体结构的圆锥体，圆锥体锥度为1-10°所述的微型电加热薄膜3为一种其外表面上覆盖有绝热膜的电加热丝构成的薄膜，所述电加热丝由镍-铬合金丝绕制而成，所述绝热膜为聚四氟乙烯膜；所述的微型电加热薄膜3厚度为1nm-1mm；所述的微细探针1和冰镊探头2由高热导率材料制成；所述的高热导率材料为不锈钢，铜，银或金；所述的冰镊探头2外表面上设有一温度传感器4；所述的温度传感器4为热电偶温度传感器；本实用新型提供的用于操纵微小物体的冰镊，还可进一步包括一操作控制装置，该操作控制装置包括一用于固定所述微细探针1，并使其作三维空间移动的微操作台81，一用于控制该微操作台81动作的微操作控制仪82，微操作控制仪82由一电脑83控制操作；所述的操作控制装置还包括一与电脑83连接的显微镜84。
综上所述，本实用新型提供的用于操纵微小物体的冰镊，由于采用半导体制冷，通过改变微型电加热薄上的电流大小实现不同的加热功能，从而用控制冰球的大小来实现微小物件的搬运和卸载，特别是，可以实现对较重样品的操作和卸载，而且其操作的连续性好，可控位移范围宽、速度响应快、结构简单、成本低，操作十分简便等优点。
在上述装置中，通过启动半导体制冷器5，使微细探针1尤其是冰镊探头2制冷到预定温度，从而在冰镊探头2与液体接触的尖部生成冰球；而通过改变微型电加热薄膜中加热电流的强度，可以控制生成冰球的大小；进一步加大微型电加热膜中加热电流的温度，可实现微小物件的卸载；同时冰镊探头2上的温度，可由固定在该冰镊探头2上的该温度传感器4监测并反馈。
本实用新型提供的冰镊对微小物体进行固定和操纵过程是这样实现的a).将微细探针1固定在微操作台81上，启动微操作控制仪82、电脑83与显微镜84；b).通过显微镜84的观察，使冰镊探头2的尖部靠近或接触置于液体中或带有水分的微小物体；启动半导体制冷器5，同时设置好微型电加热薄3上的电流大小；几秒钟后，冰球即在微小物体朝向冰镊尖部的表面形成，则该微小物体得到固定；c).结合显微镜84和微操作仪82，对固定在冰镊探头尖部的微小物体进行三维方向上的移动和旋转等操作，当样品到达目标地点时，加大微型电加热膜3上的电流，使冰球融化，即实现对该微小物体的卸载。
其中微细探针1 冰镊探头2 微型电加热膜3温度传感器4 半导体制冷器5 半导体制冷片51半导体散热片52液体环境86 样品台87电源53导线54 冰球6微小物体7 微操作台81 微操作控制仪82电脑83显微镜84容器85
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例进一步描述本实用新型请参阅
图1和图2，图1为本实用新型冰镊的结构示意图，图2为本实用新型冰镊对微小物体进行固定和操作的示意图。由图1和图2可知，本实用新型提供的用于操纵微小物体的冰镊，其特征在于，该冰镊包括一半导体制冷器5，一微细探针1，该微细探针1的一端与半导体制冷器5冷端相接触，另一端固定连接至少一冰镊探头2，以及一微型电加热薄膜3，该微型电加热薄膜3包覆在微细探针1及冰镊探头2的部分或全部外表面上；所述的半导体制冷器5由一半导体制冷片51，一散热片52和一电源53组成，电源53通过导线54与半导体制冷片51和散热片52电连接；半导体制冷片51和半导体散热片52进行封装后，通过导线54与电源53连接，并通过一开关实现该半导体制冷片51的制冷和复温，所述的半导体制冷片为立方体，其长、宽、高尺寸为1-50mm×1-50mm×0.1-50mm；所述的微细探针1为一圆柱体，其直径为1mm-5mm，长度为5mm-50mm，所述冰镊探头2为与该圆柱体型微细探针1成一体结构的圆锥体，圆锥体锥度为1-10°；所述的微型电加热薄膜3为一种其外表面上覆盖有绝热膜的电加热丝构成的薄膜，所述电加热丝由镍-铬合金丝绕制而成，所述绝热膜为聚四氟乙烯膜；所述的微型电加热薄膜3厚度为1nm-1mm；所述的微细探针1和冰镊探头2由高热导率材料制成；所述的高热导率材料为不锈钢，铜，银或金；所述的冰镊探头2外表面上设有一温度传感器4；所述的温度传感器4为热电偶温度传感器；本实用新型提供的用于操纵微小物体的冰镊，还可进一步包括一操作控制装置，该操作控制装置包括一用于固定所述微细探针1，并使其作三维空间移动的微操作台81，一用于控制该微操作台81动作的微操作控制仪82，微操作控制仪82由一电脑83控制操作；所述的操作控制装置还包括一与电脑83连接的显微镜84。
本实用新型提供的用于操纵微小物体的冰镊，由于冰镊探头2的尖部非常小，因而比较适合于与显微镜配合使用。在启动半导体制冷器5实施冷冻后，可以通过在冰镊探头2的尖部形成的冰球6固定微小物体7，并在三维方向上加以操作(如图2所示的方式可以实现这一目标)。在微细探针1和冰镊探头2外表面的局部或全部外表面上覆盖微型电加热薄膜3，该电加热薄膜的内部安装有电加热丝31，通过控制加热电流，不但可以控制形成冰球5的大小，而且可以卸载已固定的微小物件6，由此可以实现对液体环境内或在表面附有液体的微小物体进行固定、移动、旋转、碰撞、卸载等复杂操作；冰镊探头2的表面设置温度传感器4，具体为热电偶温度传感器，可以监测和反馈冰镊探头的温度；请参阅图3，其为本实用新型冰镊对液体环境中的微小物体进行固定和操作的示意图。该冰镊中的操作控制装置包括微操作台81，微操作控制仪82，电脑83，显微镜84，容器85，液体环境86，样品台87，并按图3中顺序进行连接。其中，微操作台81通过其上的夹持机构固定微细探针1，以控制该微细探针1在三维方向的运动，达到显微操作的目的；微操作控制仪82和电脑83为整套仪器的自动控制系统，通过专门的软件对显微操作进行控制；显微镜84是观察微观世界的工具，其通过数据采集卡和电脑83进行连接；微细探针安装在微操作台81上，在微操作控制仪82和电脑83的控制下，实现在三维方向上操纵液体环境86中的微小物体7。由于微细探针1和冰镊探头2可以加工到很小，因而比较适合于在显微镜84下进行观察。
使用本实施例中的冰镊，对置于液体环境中的微小物体进行固定和操纵过程是这样实现的a)对冰镊的微细探针1和冰镊探头2进行清洁，消毒后，将该冰镊固定在微操作台81上，启动微操作控制仪82、电脑83与显微镜84；b)在显微镜84的观察下，将微细探针伸入液体环境86中，冰镊探头2的尖部21靠近或接触目标微小物体7。连通半导体制冷器5的电路，同时设置好微型电加热薄膜3上的电流大小；几秒钟后，冰球6即在微小物体7朝向冰镊探头2的表面形成，则微小物件7得到固定；c)结合显微镜84和微操作仪82，对固定在冰镊探头2的尖部21的微小物体7即可进行三维方向上的移动和旋转等操作。当样品到达目标地点时，通过调整微型电加热薄膜3上的电流大小，使冰球6融化，即实现对微小物件10的卸载。
实际应用中，多个冰镊探头2可以同时使用，以更好地固定或操纵微小物体如微小生物样品或生物细胞等。冰镊探头2也可以和其他显微操作探针配合使用，可以实现对微小生物样品或生物细胞等的内部操作，如抽取和加入遗传物质，细胞膜打孔等复杂的研究内容。
在非液体情况下，本实用新型同样可以实现对微小对象的固定和操作，这在许多微/纳米加工领域的微小物体的搬运和操纵方面会有重要应用。比如通过对微小样品表面预先覆盖一层液体薄膜，冰镊探头2可对该液体薄膜进行冻结并完成对样品的抓取或卸载。此外，通过本实用新型的冰镊，也可对潮湿空气中的微小粒子等物体进行抓取或卸载等操作。
当冰镊探头2的尖部接近或触及带有水份或置于液体环境中的微小物体时，会迅速在二者之间形成一个冰球6(由于二者间的结合力很大，这一微小冰球可以带动质量很大的物体)，这是因为微小物体7面向冰镊探头尖部的表面实际上充当了一个结冰的成核区域，因而结冰极易发生在微小物体7的表面而不是周围的液体中，所以，冰镊操纵微小物体往往显得准确而快速。而冰球6的大小和温度由于微型电加热薄膜3的存在，可以得到充分的控制，因而对液体内的微小物体7的操作是相当安全的。
本实用新型具有很多优点首先，采用半导体冷冻技术可以加快在冰镊探头2的尖部形成冰球6的速度，使用方便，可通过改变微型电加热薄膜3的加热电流大小实现多种调控方案；另一方面，由于冰镊探头2极小，产生的冰球6可以精确地固定和操纵微小物体，且不会损坏生物样品等微小物体；该冰镊可以在现有的显微操作系统上使用，无需引入其他装置，结构紧凑，对于实验研究比较有利。正是由于这些综合因素，使得本实用新型冰镊的制造成本价格较低，相比以往的光镊等技术在某些方面具有一定优势。
权利要求1.一种用于操纵微小物体的冰镊，其特征在于，该冰镊包括一半导体制冷器(5)，一微细探针(1)，该微细探针(1)的一端与半导体制冷器(5)冷端相接触，另一端固定连接至少一冰镊探头(2)，以及一微型电加热薄膜(3)，该微型电加热薄膜(3)包覆在微细探针(1)及冰镊探头(2)的部分或全部外表面上。
2.如权利要求1所述的用于操纵微小物体的冰镊，其特征在于，所述的半导体制冷器(5)由一半导体制冷片(51)，一散热片(52)和一电源(53)组成，电源(53)通过导线(54)与半导体制冷片(51)电连接。
3.如权利要求1所述的用于操纵微小物体的冰镊，其特征在于，所述的微细探针(1)为一圆柱体型，其直径为1mm-5mm，长度为5mm-50mm，所述冰镊探头(2)为与该圆柱体型微细探针(1)成一体结构的圆锥体，其圆锥体锥度1-10°。
4.如权利要求1所述的用于操纵微小物体的冰镊，其特征在于，所述的微型电加热薄膜(3)为一种其外表面上覆盖有绝热膜的电加热丝构成的薄膜，所述电加热丝由镍-铬合金丝绕制而成，所述绝热膜为聚四氟乙烯膜。
5.如权利要求1或3所述的用于操纵微小物体的冰镊，其特征在于，所述的微细探针(1)和冰镊探头(2)由高热导率材料制成。
6.如权利要求5所述的用于操纵微小物体的冰镊，其特征在于，所述的高热导率材料为不锈钢，铜，银或金。
7.如权利要求1或4所述的用于操纵微小物体的冰镊，其特征在于，所述的微型电加热薄膜(3)厚度为1nm-1mm。
8.如权利要求1或2所述的用于操纵微小物体的冰镊，其特征在于，所述的半导体制冷片为立方体，其长、宽、高尺寸为1-50mm×1-50mm×0.1-50mm。
9.如权利要求1所述的用于操纵微小物体的冰镊，其特征在于，所述的冰镊探头(2)外表面上设有一温度传感器(4)。
10.如权利要求9所述的用于操纵微小物体的冰镊，其特征在于，所述的温度传感器(4)为热电偶温度传感器。
11.如权利要求1所述的用于操纵微小物体的冰镊，其特征在于，还进一步包括一操作控制装置，该操作控制装置包括一用于固定所述微细探针(1)，并使其作三维空间移动的微操作台(81)，一用于控制该微操作台(81)动作的微操作控制仪(82)，微操作控制仪(82)由一电脑(83)控制操作。
12.如权利要求11所述的用于操纵微小物体的冰镊，其特征在于，所述的操作控制装置还包括一与电脑(83)连接的显微镜(84)。
专利摘要本实用新型涉及的用于操纵微小物体的冰镊，包括半导体制冷器，一端与半导体制冷器冷端相接触，另一端固定连接冰镊探头的微细探针，包覆在微细探针及冰镊探头外表面上的微型电加热薄膜，其半导体制冷器由半导体制冷片，散热片和电源组成，电源通过导线与半导体制冷片电连接；圆柱体型微细探针和锥度在1－10°的圆锥体型冰镊探头成一体结构；该冰镊由于采用半导体制冷，通过改变微型电加热薄上的电流大小实现不同的加热，从而用控制冰球的大小来实现微小物件的操作和卸载，而且其操作的连续性好，可控位移范围宽、速度响应快、力量大、结构简单、成本低，操作十分简便等优点。
文档编号G12B21/00GK2574187SQ02257290
公开日2003年9月17日 申请日期2002年10月10日 优先权日2002年10月10日
发明者于天骅, 刘静 申请人:中国科学院理化技术研究所