CN101481653B - 显微注射用单细胞微操作装置 - Google Patents

显微注射用单细胞微操作装置 Download PDF

Info

Publication number
CN101481653B
CN101481653B CN2008100190918A CN200810019091A CN101481653B CN 101481653 B CN101481653 B CN 101481653B CN 2008100190918 A CN2008100190918 A CN 2008100190918A CN 200810019091 A CN200810019091 A CN 200810019091A CN 101481653 B CN101481653 B CN 101481653B
Authority
CN
China
Prior art keywords
end effector
cell
right sides
inverted microscope
micro
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN2008100190918A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101481653A (zh
Inventor
章维一
侯丽雅
田桂中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Science and Technology
Original Assignee
Nanjing University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Science and Technology filed Critical Nanjing University of Science and Technology
Priority to CN2008100190918A priority Critical patent/CN101481653B/zh
Publication of CN101481653A publication Critical patent/CN101481653A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101481653B publication Critical patent/CN101481653B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

本发明公开了一种显微注射用单细胞微操作装置。该装置的气源及压力控制阀分别通过夹持器内的通道与左右末端执行器形成密封气路，该左右末端执行器分别通过夹持器与左右三维微动平台连接，该左右三维微动平台对称安装于倒置式显微镜工作台的左右两边，所述的左右末端执行器在倒置式显微镜工作台上形成流速分布可控的单细胞微操作流场；计算机采集图像检测处理单元的信号分别控制压力控制阀和左右三维微动平台。本发明有效控制细胞的操作环境流场，形成稳定的、流速分布可控的单细胞微操作流场，驱动细胞运动，在三维正交平面内实现任意调整细胞角度，精确控制细胞三自由度姿态；调节细胞三维空间位置，实现细胞位置与姿态的精确定位。

Description

显微注射用单细胞微操作装置
技术领域
本发明属于微系统技术，涉及基于机械运动与流场流动耦合作用的单细胞微操作装置，特别是一种显微注射用单细胞微操作装置。 
背景技术
在不同的细胞工程应用场合，显微注射对细胞的操作目标是不同的，如受精卵原核注射的雌原核、卵母细胞极体重组的极体、单精子显微注射的纺锤体等，要求精确定位被操作细胞的位置和姿态。现有单细胞微操作方式分接触式和非接触式两种，即： 
1、接触式，以现有手工调节显微注射系统的机械操作方式为主，如日本Narishige公司的NT-88NE型显微注射系统。该系统中用于细胞操作的末端执行器仅有1支吸持针，实现细胞的吸持和释放等简单操作。实验过程中，单支吸持针无法有效控制细胞操作环境流场的流动状况，不能调节细胞的姿态。细胞被吸持固定后，借助于微操作手机械运动，操作人员以手工方式调节细胞位置。现有接触式机械操作方式存在以下缺点：调节细胞位置和姿态的操作难度大，受操作人员主观因素影响严重，对操作人员的培训周期长，成本高，可自动化性差，无法精确调节细胞姿态，显微实验效率低，易伤害被操作细胞，实验成功低。 
2、非接触式，包括激光势阱、电场力、超声波振动等操作方式。以中国科技大学研究的激光势阱操作单细胞方式为例，在一定条件下，光不但具有产生辐射压力的线性动量，而且带有角动量，包括自旋角动量和轨道角动量，这些动量均可产生光致旋转，控制细胞转动(2003年第40卷第10期《激光与光电子学进展》杂志在“激光光阱中微粒的光致旋转”)。非接触式细胞微操作方式，适合于操作空间狭小或常规末端执行器不能到达的场合，但激光势阱、电场力和超声波等非接触式操作方式下的细胞是很难固定静止的。由于显微注射中注射针是刺入细胞内部进行基因物质传输的，会产生一定的轴向作用力，要求细胞保持静止，且需一定的支撑来平衡注射针的轴向作用力。因此，非接触式细胞微操作方式无法满足细胞显微注射的应用要求。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种显微注射用单细胞微操作装置，基于细胞操作环境流场流动和微操作手机械运动耦合控制方式，在细胞工程的各类应用场合中，对被操作细胞进行精确的位置和姿态调节，提高显微注射实验效率和成功率，具有计算机自动控制功能，进而实现自动化细胞显微注射。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种显微注射用单细胞微操作装置，包括气源及压力控制阀、图像检测处理单元、具有图像采集和自动伺服功能的计算机以及倒置式显微镜工作台，所述图像检测处理单元由倒置式显微镜的物镜、CCD摄像头和图像采集处理卡组成，所述的气源及压力控制阀分别通过夹持器内的通道与左右末端执行器形成密封气路，该左右末端执行器分别通过夹持器与左右三维微动平台连接，该左右三维微动平台对称安装于倒置式显微镜工作台的左右两边，所述的左右末端执行器在倒置式显微镜工作台上形成流速分布可控的单细胞微操作流场；计算机采集图像检测处理单元的信号分别控制压力控制阀和左右三维微动平台。 
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)在左右末端执行器作用下，有效控制细胞的操作环境流场，形成稳定的、流速分布可控的单细胞微操作流场，驱动细胞运动，在三维正交平面内实现任意调整细胞角度，精确控制细胞三自由度姿态；左右三维微动平台与夹持器可分别控制细胞末端执行器的三维平动和沿轴向转动，调节细胞三维空间位置，实现细胞位置与姿态的精确定位。在流场流动和机械运动耦合作用下，实现了被操作细胞的接触式和非接触式混合控制，减轻对被操作细胞的机械损伤，提高实验成功率；(2)结合图像处理和自动伺服技术，利用计算机实时控制左右微动工作台三维位置和左右末端执行器内部压力，可实现被操作细胞位置和姿态调节自动化，降低了对操作人员的依赖程度，提高了显微注射的自动化程度和实验效率；(3)末端执行器结构简单，无需嵌入微电极或施加电场，简化了细胞微操作装置系统结构；无需涂覆化学催化剂，消除了对被操作细胞的刺激；细胞末端执行器具有几何旋转对称的裸微特性，内部无可动件，使用寿命长，制造工艺简洁，成本低，光学性能好，便于监测。 
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。 
附图说明
图1为本发明显微注射用单细胞微操作装置的结构与组成示图。 
图2为图1所示末端执行器与被操作细胞相对位置关系的显微示图。 
图3为图2所示实施方式末端执行器控制被操作细胞在水平面内旋转的俯视图。 
图4为图2所示实施方式末端执行器控制被操作细胞在垂直面内滚动的正视图。 
图5为图2所示实施方式末端执行器夹持器控制被操作细胞沿轴向转动的左视图。 
具体实施方式
结合图1，本发明显微注射用单细胞微操作装置，包括气源1及压力控制阀2、图像检测处理单元、具有图像采集和自动伺服功能的计算机6以及倒置式显微镜工作台10，所述图像检测处理单元由倒置式显微镜的物镜9、CCD摄像头8和图像采集处理卡7组成，所述的气源1及压力控制阀2分别通过夹持器12、4内的通道与左右末端执行器13、3形成密封气路，该左右末端执行器13、3分别通过夹持器12、4与左右三维微动平台11、5连接，该左右三维微动平台11、5对称安装于倒置式显微镜工作台10的左右两边，所述的左右末端执行器13、3在倒置式显微镜工作台10上形成流速分布可控的单细胞微操作流场；计算机6采集图像检测处理单元的信号分别控制压力控制阀2和左右三维微动平台11、5。其中，左右末端执行器13、3与倒置式显微镜工作台10呈10°～30°夹角。 
如图2，细胞末端执行器13、3由玻璃毛细管经拉制、磨削、锻造等工序制作而成，具有几何旋转对称的裸微结构，内部无可动件或嵌入式电路。且宏夹持端尺寸与玻璃毛细管的一致，微操作端尺寸与被操作细胞的相近，具有平整的微操作端面，为注射针穿刺细胞膜提供支撑，微操作端内径与外径尺寸比例在1∶4和3∶4之间，具有吸持固定细胞和控制流场流动的双重功能；末端执行器夹持器12、4具有高度同轴的、沿轴向旋转自由度，该夹持器旋转角度由精密电机控制。所述的末端执行器夹持器12、4控制细胞在垂直面内的旋转角度；三维微动平台11、5具有三维微米级精密定位功能，可由计算机6自动控制；气源1及压力控制阀2具有正压、负压和置零三项功能，可由计算机6自动控制；图像检测处理单元7、8、9具有识别生物细胞结构功能，为计算机6提供反馈信号；被操作细胞14具有可视觉识别的工程化结构特征，以小鼠卵母细胞为例，oc为卵母细胞中心，A为卵母细胞的卵细胞，B为卵母细胞的极体。 
本发明装置的被操作细胞位姿调节操作分为姿态调整和位置定位两步。图3～图5 为图2所示被操作细胞姿态调整实施方式： 
如图3，在细胞操作过程中，左右末端执行器13、3在倒置式显微镜工作台10上形成稳定的、速度分布可控的单细胞微操作流动场，调节被操作细胞姿态。左右末端执行器13、3以被操作细胞14的oc为对称中心分布，在气源1及压力控制阀2施加相等压力情况下，内部细胞培养液以相同速度流出端口，在倒置式显微镜工作台10上形成以oc为中心的涡漩流场。被操作细胞14在培养液粘性拖拉力作用下，受到平面力偶，产生水平面内旋转运动。通过设定左右末端执行器13、3的压力值和作用时间等参数，可任意调节被操作细胞14在水平面内旋转角度。 
如图4，左右末端执行器13、3关于被操作细胞14对称分布，在端口射出的培养液“吹打”下，被操作细胞14受到一组过中心oc的相对推力，由于与倒置式显微镜工作台10底壁间的黏附力，被操作细胞14向气源压力小的末端执行器滚动，滚动角度与滚动距离保持一致。当滚到指定位置后，使左右末端执行器3、3的气源压力相等，被操作细胞14静止，即实现垂直平面内的滚动定位。 
如图5，以右末端执行器3为例。当被操作细胞14滚到右末端执行器3端口处，右末端执行器3产生负压，将其吸持股定。右末端执行器3沿轴向旋转，可在第三平面内调整被操作细胞14的姿态，被操作细胞14转过的角度与右末端执行器3一致，与细胞尺寸无关。左末端执行器13功能同上。 
被操作细胞14的姿态调整完成，被右末端执行器3吸持固定，进入空间位置定位阶段。被操作细胞14的位置定位由右三维微动平台5实现的，根据显微注射中注射针的三维位置信息，可由计算机6自动控制。注射完成后，右末端执行器3在气源1、压力控制阀2和右三维微动平台5作用下，将已注射细胞释放在指定的位置或器皿内。 
上述所有操作，均由具有图像采集和伺服功能的计算机6控制完成的。经姿态调整和位置定位两阶段操作，在流场流动和机械运动耦合作用下，可实现被操作细胞三自由度姿态和三维空间位置的自动化调节和精确控制。 

Claims (5)

1.一种显微注射用单细胞微操作装置，包括气源(1)及压力控制阀(2)、图像检测处理单元、具有图像采集和自动伺服功能的计算机(6)以及倒置式显微镜工作台(10)，所述图像检测处理单元由倒置式显微镜的物镜(9)、CCD摄像头(8)和图像采集处理卡(7)组成，其特征在于：气源(1)及压力控制阀(2)分别通过夹持器(12、4)内的通道与左右末端执行器(13、3)形成密封气路，该左右末端执行器(13、3)分别通过夹持器(12、4)与左右三维微动平台(11、5)连接，该左右三维微动平台(11、5)对称安装于倒置式显微镜工作台(10)的左右两边，所述的左右末端执行器(13、3)在倒置式显微镜工作台(10)上形成流速分布可控的单细胞微操作流场；计算机(6)采集图像检测处理单元的信号分别控制压力控制阀(2)和左右三维微动平台(11、5)。
2.根据权利要求1所述的显微注射用单细胞微操作装置，其特征在于：左右末端执行器(13、3)与倒置式显微镜工作台(10)呈10°～30°夹角。
3.根据权利要求1所述的显微注射用单细胞微操作装置，其特征在于：左右末端执行器(13、3)具有几何旋转对称的裸微结构特性，内部无可动件或嵌入式电路。
4.根据权利要求3所述的显微注射用单细胞微操作装置，其特征在于：所述左右末端执行器(13、3)为玻璃毛细管拉制而成的微管道，该微管道的前端具有平整的微操作面，该微操作面内外径之比为1∶4～3∶4。
5.根据权利要求1所述的显微注射用单细胞微操作装置，其特征在于：所述夹持器(12、4)具有高度同轴的、沿轴向旋转自由度，该夹持器旋转角度由精密电机控制。
CN2008100190918A 2008-01-11 2008-01-11 显微注射用单细胞微操作装置 Expired - Fee Related CN101481653B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2008100190918A CN101481653B (zh) 2008-01-11 2008-01-11 显微注射用单细胞微操作装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2008100190918A CN101481653B (zh) 2008-01-11 2008-01-11 显微注射用单细胞微操作装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101481653A CN101481653A (zh) 2009-07-15
CN101481653B true CN101481653B (zh) 2011-12-07

Family

ID=40878943

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2008100190918A Expired - Fee Related CN101481653B (zh) 2008-01-11 2008-01-11 显微注射用单细胞微操作装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN101481653B (zh)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101880626B (zh) * 2010-05-28 2013-04-17 华南理工大学 单细胞位姿全方位调节方法及混合驱动式全方位调节装置
CN102268363B (zh) * 2011-06-22 2013-06-05 苏州大学 显微注射机构
CN102328419A (zh) * 2011-09-30 2012-01-25 南开大学 一种皮升级显微注射控制方法和显微注射控制系统
CN102835389B (zh) * 2012-09-11 2014-11-05 苏州大学 玻璃化冷冻自动化操作系统及操作方法
CN102994371B (zh) * 2012-12-31 2014-12-10 南京大学 一种用于有机污染物毒性测试的显微注射系统及显微注射方法和应用
CN103087898A (zh) * 2013-01-04 2013-05-08 华南理工大学 一种基于漩流的单细胞姿态调节方法
CN104630050B (zh) * 2015-01-19 2017-06-27 中国科学院物理研究所 一种细胞注入和提取的微纳米吸管装置
CN105607686B (zh) * 2016-01-11 2017-02-01 浙江大学 基于纳米级微操的单细胞亚纳米级运动控制系统
CN105567550B (zh) * 2016-01-11 2017-07-14 浙江大学 基于水压的亚纳米级单细胞运动控制系统
CN108504538B (zh) * 2017-02-23 2021-06-18 香港城市大学深圳研究院 用于单细胞的旋转注射装置及方法
CN108070618B (zh) * 2017-12-12 2021-03-05 浙江海洋大学 一种显微注射操作的方法
CN108410690B (zh) * 2018-01-12 2021-07-27 北京理工大学 一种用于卵细胞显微注射的操作系统及方法
CN108676699B (zh) * 2018-06-01 2021-11-09 苏州大学 基于卵母细胞弹性模量的压电超声显微注射方法
CN109239406B (zh) * 2018-10-08 2020-03-31 西安交通大学 一种用于细胞器药物定位投递检测装置及投药检测方法
US11402331B2 (en) * 2019-05-08 2022-08-02 City University Of Hong Kong Imaging and manipulation of biological sample
CN112522098B (zh) * 2020-11-27 2022-03-22 北京理工大学 一种声波与微气泡共驱动的多功能微操作装置和方法
CN114591827B (zh) * 2022-01-25 2023-04-07 浙江大学 基于微流控芯片的高通量细胞显微操作装置及控制方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1763170A (zh) * 2004-10-19 2006-04-26 章维一 细胞显微注射仪
CN101020892A (zh) * 2007-03-02 2007-08-22 清华大学 一种用于单细胞电穿孔的纳电极和系统

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1763170A (zh) * 2004-10-19 2006-04-26 章维一 细胞显微注射仪
CN101020892A (zh) * 2007-03-02 2007-08-22 清华大学 一种用于单细胞电穿孔的纳电极和系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN101481653A (zh) 2009-07-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101481653B (zh) 显微注射用单细胞微操作装置
Zhao et al. Robotic cell rotation based on the minimum rotation force
CN101294953B (zh) 一种运动细胞实时跟踪系统及实时跟踪方法
CN204019261U (zh) 一种微细沟槽超精密加工机床
Wang et al. Visual servoed three-dimensional cell rotation system
CN108858202A (zh) 基于“对准-趋近-抓取”的零件抓取装置的控制方法
CN101691203B (zh) 一种玻璃微纳流控芯片对准装配方法及对准装配装置
CN103264385B (zh) 自动微操作装置
CN101865928A (zh) 一种基于电场作用的超疏水表面微液滴操控方法
Gauthier et al. Control of a particular micro-macro positioning system applied to cell micromanipulation
CN203380882U (zh) 自动微操作装置
CN102607880B (zh) 压电显微切割系统、切割深度定位方法及切割方法
CN113305885A (zh) 一种用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统
CN104959971B (zh) 一种面向微米级软管与微球组件的装配系统
Shakoor et al. A high-precision robot-aided single-cell biopsy system
CN104140077A (zh) 基于原子力显微镜在薄壁微小球面加工微纳米结构的五轴加工装置及方法
CN111468199A (zh) 一种微纳流控芯片的夹持吸附装置及其自动对准方法
CN109491409B (zh) 一种用于体外自动化提取目标细胞线粒体的方法
Huang et al. Integrated vision and force control in suspended cell injection system: Towards automatic batch biomanipulation
Wang et al. A fully automated robotic system for three-dimensional cell rotation
CN101880626B (zh) 单细胞位姿全方位调节方法及混合驱动式全方位调节装置
CN214724385U (zh) 用于空间站在轨生命科学实验的微操作机器人系统
CN215375455U (zh) 一种紫外激光液体自驱动平台
CN104625437A (zh) 一种用于激光钻切异形孔精密加工的扫描机构
Huang et al. Automatic suspended cell injection under vision and force control biomanipulation

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20111207

Termination date: 20220111

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee