一种微观颗粒绕三坐标轴旋转的微流控芯片及其控制方法与流程

本发明提供了一种对微观颗粒进行三维旋转的方法，涉及微机电系统领域,特别是通过微观电作用力对细胞进行多自由度旋转的领域。

背景技术：

细胞显微操作是现代生物工程中一项非常重要的技术，该技术被广泛应用于生物医学工程、生命科学、物理、化学等领域。随着生物技术的发展，当前显微操作已进入亚细胞级的操作水平。细胞位置和姿态调节是细胞显微操作中的重要一环，因此，开展细胞位置姿态自动化调节研究具有重要意义。在许多显微操作中，如卵胞浆内单精子显微注射、胚胎极体活性检测、卵母细胞核移植和克隆等，均需要在操作前对细胞进行操控，以调节其位置和姿态。另外，对单个细胞位置和姿态的调节，亦能够促进对细胞表面分子或主要受体进行高分辨率识别的研究。在利用原子力显微镜研究细胞表面形貌或者物理特性时，如果配以细胞三维旋转的主动控制，则能够使得相应研究的灵活度进一步深化。这里的细胞位置通常是指二维平面内的位置，而细胞姿态则涉及三个旋转自由度。

近年来，国内外相关机构对细胞显微操控技术的研究非常活跃，机械法、激光法、微流控法、磁场法和电场法等被用于细胞操作。在正交直角坐标系中，细胞在外部力场（由电场、流场、磁场等引起的力场）的作用下，能够在X轴、Y轴、Z轴方向上的三个平移自由度。例如，在介电泳器件中，细胞可以在平面微电极阵列的激励下，产生相对于微电极的二维平面位置移动。有时在三维介电笼中亦可以使得细胞产生空间移动，但由于三维介电笼中的微电极位置固定，难以实现细胞在指定位置处的三维旋转。在基于电场、流场或磁场的微机电器件中，均难以在指定位置处同时实现细胞沿着XY轴、YZ轴和XZ轴的旋转。总体而言，在各种微观力场的作用下，细胞的三个旋转自由度难以在同一指定位置处实现。

因此，如果能够提供一种新方法，能够在承载细胞的器件中的任一位置处，同时实现细胞的三个自由度的旋转，且同时能够控制细胞在器件的二维操作腔中的平面位置，则可以在各应用领域中都实现更加灵活的细胞微操控和位置姿态调整，进而对显微注射、细胞表面形貌检测等方面技术的进步起到更大的推动作用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种微流控芯片及其控制方法，以针对目前在微观颗粒（细胞）的显微操作中，细胞的三个旋转自由度难以在同一指定位置处实现的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种微流控芯片，自上而下依次包括上铟锡氧化物薄膜、微流体腔（高度记为h₁,其内的溶液电导率记为σ₀）、光电导层（厚度记为h₀）和下铟锡氧化物薄膜；其中所述上、下铟锡氧化物薄膜适于分别连接一交变电压信号源的输出端、接地端,或者分别连接任意两个具有相位差的交变电压信号源；以及相应光图形通过分别透过下铟锡氧化物薄膜照射光电导层的下端面(光电导层亮态电导率和暗态电导率分别记为σ_l和σ_d)，以调节微流体腔内的细胞姿态和/或位置。为了保证流体腔内明暗交界区域的电场具有适度的非均匀程度，上述的参量值需要满足：2σ₀/σ_l < h₁/h₀ < 0.5σ₀/σ_d , 即微流体腔高度与光电导层厚度的比值大于流体电导率与光电导层亮态电导率比值的两倍，同时微流体腔高度与光电导层厚度的比值小于流体电导率与光电导层暗态电导率比值的1/2。

进一步，所述光电导层包括：自下而上依次沉积的本征氢化非晶硅层、N+型氢化非晶硅层和氮化硅层；以及所述微流体腔的上部设有若干流道口，以及其侧面设有水平流道口。

又一方面，本发明还提供了一种微流控芯片的控制方法，通过相应光图形调整微流控芯片中微流体腔内的细胞姿态和/或位置。

进一步，调整细胞姿态的方法包括：在水平面定义细胞的水平虚拟转轴，且控制细胞以水平虚拟转轴翻转；即根据细胞的位置，投射一矩形光图形，使该矩形光图形在光电导层的下端面形成的一明暗交界线，该明暗交界线垂直向上映射至细胞，以作为水平虚拟转轴；以及通过细胞内产生的等效电偶极矩与矩形光图形在光电导层形成的虚拟光电极所生成的非均匀电场配合，使细胞以所述水平虚拟转轴翻转。

进一步，调整细胞姿态的方法还包括：控制细胞水平旋转。

进一步，所述控制细胞水平旋转的方法包括：根据细胞的位置，投射一对平行光图形阵列，使光电导层在细胞两侧产生一对平行间断条状虚拟光电极；且两间断条状虚拟光电极适于同时与细胞的两侧边缘相接触；当两平行光图形做相向或相背运动时，两间断条状虚拟光电极带动细胞水平旋转。

进一步，所述控制细胞水平旋转的方法包括：

根据细胞的位置，投射一带有开口的环状光图形，使光电导层产生一带有开口的环状虚拟光电极以套于细胞，且所述环状虚拟光电极的开口宽度小于细胞直径；所述开口适于捕获住细胞，以使环状虚拟光电极跟随环状光图形转动时，带动细胞水平旋转。

进一步，调整细胞的位置的方法包括：通过环状光图形位移使环状虚拟光电极带动细胞位移，以调整细胞的位置。

本发明的有益效果是，本发明提供了对细胞进行三维旋转进而进行位姿调整的方法，避免了在芯片上制作复杂的物理实体电极阵列或者其他的接触式操纵部件；具有非接触、可实时重构、且无损操控电中性微粒的优点，其通过投射至操控芯片光电导层上的缩微光图形（虚拟光电极）使得微流体环境内产生与虚拟电极几何形状一致的非均匀电场分布，进而使细胞受到特定介电泳力场作用而产生预期的平移与三维旋转运动。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1 为本发明的微流控芯片的结构侧视图；

图2 为本发明的微流控芯片的等效电路示意图；

图3 为本发明实施例中细胞在旋转电场中产生旋转的原理示意图；

图4（a）为本发明实施例中光电导层对应的投射光图形中明暗界线的位置和方向的俯视图一；

图4（b）为与图4（a）对应的A-A剖面细胞旋转方向的关系示意图；

图5（a）为本发明实施例中光电导层对应的投射光图形中明暗界线的位置和方向的俯视图二；

图5（b）为与图5（a）对应的A-A剖面细胞旋转方向的关系示意图；

图6为本发明实施例中通过细胞两侧相对运动的虚拟条状光电极驱动细胞实现其绕垂直轴（z轴）旋转的示意图；

图7（a）为本发明实施例中带有缺口的环形光电极内的靠近微粒体腔底部的水平面内的电场近似分布示意图；

图7（b）为本发明实施例中带有缺口的环形光电极对捕获住的细胞进行旋转时细胞与环状虚拟光电极缺口的相对位置示意图；

图7（c）为本发明实施例中带有缺口的环形光电极带动细胞移动的示意图。

图中：

上铟锡氧化物薄膜1，光图形100，微流体腔2，光电导层3，本征氢化非晶硅层31，N+型氢化非晶硅层32，氮化硅层33，下铟锡氧化物薄膜4，细胞5，RC等效电路121、122、131、132，流道口201、202、203，暗片区域301，明片区域302，间断条状虚拟光电极101、102，环状虚拟光电极103，开口104。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

实施例1

如图1所示，本发明的一种微流控芯片，其自上而下依次包括上铟锡氧化物薄膜1、微流体腔2、光电导层3和下铟锡氧化物薄膜4；其中上、下铟锡氧化物薄膜为透明导电薄膜，且所述上、下铟锡氧化物薄膜适于分别连接一交变信号源的输出端、接地端；以及相应光图形（缩微光图形）通过分别透过下铟锡氧化物薄膜照射光电导层的下端面，以调节微流体腔内的细胞姿态和/或位置。

上铟锡氧化物薄膜1可以通过上铟锡氧化物薄膜1对细胞操作进行观测。

本微流控芯片适于在利用缩微光图形阵列产生的介电泳力以及电渗流的综合作用效果下，对电中性的细胞或其他微观颗粒进行在指定位置处的三维旋转。

上下铟锡氧化物薄膜分别连接在一交变信号源的两极（图1中的v1 和GND）。微流体腔2和光电导层3的等效电路均可用阻容并联的形式来描述，如图2中的虚线框121、122、141、142所示，即每层都具备其自身特定的交流阻抗（在明暗配对的缩微光图形照射时，由于被照亮的那部分光电层、未被照亮的那部分光电层的等效电路均为电阻电容电路，且二者的复阻抗不同）。当光电导层3被光图形照射时，上层电极（铟锡氧化物薄膜）、下层明区（图1的右半边）和下层暗区（图1的左半边为光电导层3的阴影部分）三个区域处固液界面的电压相位均不同，由于交变信号源，其电压相位和幅值均呈周期性变化。本芯片流体腔内电场的方向随着各电极幅值和相位的变化发生周期性变化及发生周期性旋转。如图2和图3所示，被极化的细胞5内部产生等效电偶极矩p，而该等效电偶极矩p的方向总是趋向于电场E的方向且保持一个相位差，因此细胞产生旋转。

为了保证流体腔内明暗交界区域的电场具有适度的非均匀程度，微流体腔高度与光电导层厚度的比值大于流体电导率与光电导层亮态电导率比值的两倍，同时微流体腔高度与光电导层厚度的比值小于流体电导率与光电导层暗态电导率比值的1/2。

具体的，所述光电导层包括：自下而上依次沉积的本征氢化非晶硅层、N+型氢化非晶硅层和氮化硅层；以及所述微流体腔的上部设有若干流道口，以及其侧面设有水平流道口，用于进样或者将被执行完注射或其他操作的细胞输运到外部装置。

本微流控芯片内的细胞的旋转速率与方向均可以通过调节频率、信号幅值、溶液电导率等操作实现，简单易行，具体的，关于频率、信号幅值、溶液电导率的具体调节参数，本领域技术人员可以通过实验经验获得。

本微流控芯片仅需一路正弦激励信号，且所需电压很低，在调整细胞姿态和/或位置后还能保持细胞的活性。

实施例2

在实施例1基础上，本实施例2提供了一种微流控芯片的控制方法。

所述微流控芯片的控制方法，即通过相应光图形（缩微光图形）调整微流控芯片中微流体腔内的细胞姿态和/或位置。

所述微流控芯片适于采用如实施例1所述的微流控芯片。

调整细胞姿态的方法包括：在水平面定义细胞的水平虚拟转轴，且控制细胞以水平虚拟转轴翻转；即根据细胞的位置，投射一矩形光图形，使该矩形光图形在光电导层的下端面形成的一明暗交界线（投射处为明片区域，未投射处为暗片区域），该明暗交界线垂直向上映射至细胞，以作为水平虚拟转轴；以及通过细胞内产生的等效电偶极矩与矩形光图形在光电导层形成的虚拟光电极所生成的非均匀电场配合，使细胞以所述水平虚拟转轴翻转。

本芯片的设计相较于传统姿态调整芯片，能够更加灵活方便的在多个自由度上调整细胞的姿态。

具体的，通过构建x轴、y轴平面坐标系对细胞姿态控制进行详细论述，在使用时，投射光图形的光源可以但不限于采用激光，以提高入射光功率密度，再通过数字微镜系统对产生的明暗光图形交界面的方向和位置任意改变。由于细胞的旋转受明暗交界面位置、方向影响，所以细胞翻转时的水平虚拟转轴的方向与光图形明暗交界面的几何位置有关。光图形的投射方式可以任意设置，图4（a）、图4（b）和图5（a）、图5（b）所示了光图形的两种特殊投射方式：图4（a）为光线投射在y轴左侧，明暗分界面为y轴，细胞此时绕y轴旋转，图5(a)为光线投射在x轴下侧，此时同理可知细胞绕x轴旋转。由此可见，本芯片设计使得细胞的姿态调整极为灵活便捷，能够在多个自由度上调整细胞的姿态。所以，这种方法使得细胞既完成了绕X轴旋转，又完成了绕y轴旋转。

调整细胞姿态的方法还包括：控制细胞水平旋转。

所述控制细胞水平旋转的方法包括：根据细胞的位置，投射一对平行光图形阵列，使光电导层在细胞两侧产生一对平行间断条状虚拟光电极；且两间断条状虚拟光电极适于同时与细胞的两侧边缘相接触；当两平行光图形做相向或相背运动时，两间断条状虚拟光电极带动细胞水平旋转，即使细胞绕Z轴（垂直于光电导层的平面（x轴、y轴平面坐标系）水平转动，达到三维控制的目的。

如图6所示，平行间断条状虚拟光电极相向运动，如F1和F2所示，则细胞顺时针旋转。

进一步，实现细胞沿着z轴旋转，还可以采用图7（a）和图（b）所示的虚拟光电极形式，所述控制细胞水平旋转的方法包括：根据细胞的位置，投射一带有开口的环状光图形，使光电导层产生一带有开口104的环状虚拟光电极103以套于细胞，且所述环状虚拟光电极的开口宽度小于细胞直径；所述开口104适于捕获住细胞，以使环状虚拟光电极跟随环状光图形转动时，带动细胞水平旋转，由于细胞直径非常小，因此，可以把环状虚拟光电极103的中心转轴与细胞的中心转轴看成是重合的，定义为z轴。

具体的，由于本环状虚拟光电极其圆周非对性，在微粒体腔底部的电场的水平分量会产生如图7（a）环状虚拟光电极内箭头分布所示，这种圆周非对称的电场分别将会在细胞内部诱导出同样圆周非对称的偶极矩。当环状虚拟光电极绕环中心自旋时，其内部电场的水平分量将展现出圆周方向的旋转特征，于是细胞在其内部偶极矩和旋转电场的作用下，产生自旋运动。当细胞受到负介电泳力作用时，其会在旋转的同时，贴近环状虚拟光电极的缺口之后，达到捕获细胞的目的，如图7（b）所示。

本微流控芯片及其控制方法在目前的微观颗粒的显微操作中，实现了在同一指定位置处实现细胞的三个旋转自由度旋转，进而达到微观颗粒（细胞）姿态和位置调整的目的。

如图7（c）所示，并且，调整细胞的位置的方法包括：通过环状光图形位移使环状虚拟光电极带动细胞位移，以调整细胞的位置。

具体的，通过环状虚拟光电极捕获细胞后，细胞会跟随环状虚拟光电极移动，因此，达到调整细胞位置的目的。

并且，可以在所述环形光电极对捕获住的细胞进行旋转的同时，带动细胞跟随环状虚拟光电极移动，同步完成旋转和移位动作。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。