一种基于低频振动探针的颗粒操控装置和方法

1.本发明属于压电作动器操控领域，尤其涉及一种基于低频振动探针的颗粒操控装置和方法。


背景技术：

2.随着现代科技的进步，生物医学工程、微纳米器件制造、3d打印等领域都对微纳米尺度物体的操纵技术提出了迫切的需求。近几年在纳米制造、生物传感、微电子器件制造等多个领域中，对于纳米物质的操控吸引了诸多研究者关注。纳米物质由于其特有的纳米效应，在运动控制方面有很大的难度。传统的操控方法有介电泳技术、电磁场场技术、激光光镊技术、超声技术、膜分离技术等。这些方法通常对工作环境和被操控颗粒都有比较苛刻的要求，如被控微颗粒需要带电、控制方式需高电压作为驱动或者需要磁性微粒作为载体等。并且，有的操控方法效率较低，如激光光镊一般只能对少量微颗粒进行操控，并对微颗粒的光学性质有一定的要求，对所捕获粒子的透明度和折射率有较严格的要求。有的操控方法成本高，如膜分离技术，且膜分离技术容易产生膜堵塞。同时，利用这些方法操控活性颗粒或细胞时，都会造成一定程度的损伤。


技术实现要素：

3.针对上述技术问题，本发明提出了一种基于低频振动探针的颗粒操控装置，该装置利用低频振动进行微纳米颗粒操控，基于流体的低速涡流对被控微纳米颗粒进行驱动，可对大量的活体颗粒或细胞进行有效的无损操控，本发明操作简单、成本低廉、操纵过程持续稳定、可靠性高、对操纵物体无选择性、操控颗粒量大、对活体颗粒或细胞的操控过程无损害。
4.本发明通过以下技术方案实现的，所述基于低频振动探针的颗粒操控装置，包括至少一个压电悬臂梁振子、至少一个金属探针、容器、显微镜、计算机和信号发生器；
5.所述压电悬臂梁振子与信号发生器连接；所述金属探针的一端与压电悬臂梁振子连接，另一端插入容器内混合有微纳米颗粒的流体中，所述显微镜位于容器的下方，所述容器的底部为透明材质制成的，显微镜与计算机连接，显微镜用于观察和采集金属探针颗粒的操控信息，并传送给计算机。
6.上述方案中，还包括xyz三维可调节载物台；所述压电悬臂梁振子置于xyz三维可调节载物台上。
7.上述方案中，还包括支架；所述容器和显微镜从上之下依次安装在支架上。
8.上述方案中，所述压电悬臂梁振子包括铜基底和压电材料；所述压电材料位于铜基底的上部。
9.上述方案中，还包括功率放大器；所述信号发生器通过功率放大器与压电悬臂梁振子连接。
10.进一步的，所述信号发生器输出电压幅值低于100v，输出频率低于500hz，功率放
大器的输出电压为100v～200v。
11.上述方案中，所述金属探针呈弯折的杆状，所述金属探针弯折的一端插入容器的流体中，弯折的角度为10
°
～90
°
；所述金属探针的直径为0.2～0.8mm；所述金属探针的自由端与容器底部不接触、且距离容器底部最大距离为20mm。
12.上述方案中，所述流体在容器中的液面高度为5mm—200mm。
13.上述方案中，还包括万向灯；所述万向灯位于容器的上方。
14.上述方案中，所述显微镜为倒置高速显微镜，镜头放大倍数为500～1000，显微镜与容器底部的距离为1.5mm～2mm，最高扫描速度为30帧/秒。
15.一种根据所述基于低频振动探针的颗粒操控装置的操控方法，包括以下步骤：
16.调节所述金属探针的针头位置，金属探针的下部浸没于容器中的含有微纳米颗粒的流体中，信号发生器发出信号对压电悬臂梁振子的端部进行激励，使其振动，通过压电悬臂梁振子对金属探针根部励振，使金属探针跟随压电悬臂梁振子作振动，振动的金属探针在其周围产生低速涡流，利用该涡流对流体底部的微纳米颗粒进行操控，所述显微镜位于容器的下方，显微镜与计算机连接，通过显微镜观察和采集金属探针对颗粒的操控信息，并传送给计算机。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.本发明利用低频振动进行微颗粒操控，基于流体的低速涡流对被控颗粒进行驱动，可实现对微纳米微颗粒的捕捉、移动、转移和释放，具有结构简单、操作方便、对被操控颗粒无选择性，对于活性颗粒或细胞的无伤操控等优点。
附图说明
19.图1是本发明一实施方式的基于低频振动探针的颗粒操控装置结构示意图。
20.图2是本发明一实施方式的聚集散落的聚苯乙烯颗粒实验过程图，其中，图2a为t＝0s时刻金属探针开始工作实验图，图2b～2g分别为每隔5s金属探针聚集过程实验图，过程中聚苯乙烯颗粒渐渐向探针下方移动、聚集，图2h为t＝35s时刻探针停止工作，聚集过程结束实验图。
21.图3是本发明一实施方式的活性酵母菌颗粒实验过程图。
22.图中，1、压电悬臂梁振子；2、压电材料；3、铜基底；4、金属探针；5、容器；6、显微镜；7、支架；8、计算机；9、xyz三维可调节载物台；10、信号发生器；11、功率放大器；12、万向灯。
具体实施方式
23.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
24.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相
对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
25.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
26.图1所示为所述基于低频振动探针的颗粒操控装置的一种较佳实施方式，所述基于低频振动探针的颗粒操控装置包括至少一个压电悬臂梁振子1、至少一个金属探针4、容器5、显微镜6、计算机8和信号发生器10；所述压电悬臂梁振子1与信号发生器10连接；所述金属探针4的一端与压电悬臂梁振子1连接，另一端插入容器5内混合有微纳米颗粒的流体中，所述容器5的底部为透明材质制成的，所述显微镜6位于容器5的下方，显微镜6与计算机8连接，显微镜6用于观察和采集金属探针4对颗粒的操控信息，并将金属探针对颗粒的操控图像传送给计算机8。
27.根据本实施例，优选的，还包括xyz三维可调节载物台9；所述压电悬臂梁振子1置于xyz三维可调节载物台9上。
28.优选的，还包括支架7；所述容器5和显微镜6从上之下依次安装在支架7上。
29.优选的，所述压电悬臂梁振子1包括铜基底3和压电材料2；所述压电材料2位于铜基底3的上部。
30.优选的，还包括功率放大器11；所述信号发生器10通过功率放大器11与压电悬臂梁振子1连接。
31.优选的，所述信号发生器10输出电压幅值低于100v，输出频率低于500hz，功率放大器11的输出电压为100v～200v。优选的，所述金属探针4呈弯折的杆状。优选的，所述金属探针4弯折的一端插入容器5的流体中，弯折的角度为10
°
～90
°
。优选的，所述金属探针4的直径为0.2～0.8mm。所述金属探针的自由端与容器底部不接触、且距离容器底部最大距离为20mm。所述流体在容器中的液面高度为5mm—200mm。基于上述参数，可以实现颗粒操控。
32.优选的，还包括万向灯12；所述万向灯12位于容器5的上方，万向灯12的斜向照射增大了被操控粒子与流体透光性的差异，提升了粒子对比度与区分度。
33.优选的，所述显微镜6为倒置高速显微镜，镜头放大倍数为500～1000，显微镜6与容器5底部的距离为1.5mm～2mm，最高扫描速度为30帧/秒。由于所述容器5中的被操控颗粒观察方式采用倒置高倍显微镜，避免了液面波动以及操控探头的遮挡造成的负面影响。
34.一种根据所述基于低频振动探针的颗粒操控装置的操控，包括以下步骤：
35.调节所述金属探针4的针头位置，金属探针4的下部浸没于容器5中的含有微纳米颗粒的流体中，信号发生器10发出信号对压电悬臂梁振子1的端部进行激励，使其振动，通过压电悬臂梁振子1对金属探针4根部励振，使金属探针4跟随压电悬臂梁振子1作振动，振动的金属探针4在其周围产生低速涡流，利用该涡流对流体底部的微纳米颗粒进行操控，所述显微镜6位于容器5的下方，显微镜6与计算机8连接，通过显微镜6观察和采集金属探针4对颗粒的操控信息，并传送给计算机8。
36.本发明优选的，利用xyz三维可调节载物台9调节金属探针4的针头位置，利用功率放大器11对信号发生器10的输出信号进行放大处理，对压电悬臂梁振子1的端部进行激励，使其振动，通过压电悬臂梁振子1对粘连在另一端的金属探针4根部励振，使其跟随压电悬臂梁振子1作振动。金属探针4的下部浸没于容器5中的含有微纳米颗粒的流体中，振动的金属探针4在其周围产生低速涡流，利用该涡流对流体底部的微纳米颗粒进行聚集和移动，以及转移和释放，所述转移是指还未达到聚集的状态下从探针的一侧转移到另外一侧。为了便于对金属探针4进行实时操控，用xyz三维可调节载物台9搭载压电悬臂梁振子1，通过xyz三维可调节载物台9来确保金属探针4端部在显微镜6的视野范围内，调整xyz三维可调节载物台9在z方向运动来控制微纳米颗粒的操控效果，调整xyz三维可调节载物台9在xy方向运动以实现对微纳米颗粒移动的控制，使得操控的效率更高。
37.本次用于对金属探针4进行机械励振机构的压电悬臂梁振子1由两块压电材料2压电陶瓷片夹持铜基底3所制成。用于操控的为一根均匀直径的金属探针4，优选的，探针总长90mm，分为前后两段，第一段为水平方向，连接压电悬臂梁振子1，长度为50mm，第二段长度为40mm，与水平方向夹角为45
°
，第二段的末端浸没于容器5中的含有微纳米颗粒的流体中。弯曲方向与压电悬臂梁振子1的能量辐射面相垂直。金属探针4直径为0.39mm，金属探针4的自由端与容器5底部不接触、且距离容器5底部距离为10mm。微纳米流体选择聚苯乙烯悬浊液用水按1:200稀释，流体在容器5中的液面高度为40mm。容器5为培养皿，直径为100mm。聚苯乙烯颗粒直径为20μm。操控颗粒时，信号发生器10的电压为5v，频率为200hz的交流电压被功率放大器11放大到200v施加到压电悬臂梁振子1上，如图2所示，图2中a～h为操控聚苯乙烯粒子过程中利用倒置高速显微镜拍摄的微颗粒聚集试验图片。粒子从探针延伸线向探针下方聚集，金属探针4自由端的位移幅度为300μm时，聚苯乙烯颗粒在35s内被移动了7mm，并在金属探针4下方聚集堆叠区聚集。
38.本发明采用压电悬臂梁振子1带动金属探针4在容器5内的流体中进行低频振动，进而对容器5内的悬浮颗粒进行操控。由于本发明具有低频低压的特点，探针振动驱使流场内部产生微涡流，从而通过流体的粘滞力间接带动悬浮颗粒运动。相比于其他方式的微颗粒操控方法，本发明可大大降低被控颗粒的受损程度。
39.图3为操控酵母菌粒子的试验图，酵母菌粒子从金属探针4延伸线方向向探针下方聚集堆叠区聚集，已聚集的粒子在低速区停留、堆叠和旋转，正在聚集的粒子在聚集过程区向聚集堆叠区移动。
40.应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
41.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。