CN101818118A - 基于永磁体的生物粒子三维操纵装置 - Google Patents

基于永磁体的生物粒子三维操纵装置 Download PDF

Info

Publication number
CN101818118A
CN101818118A CN 201010148871 CN201010148871A CN101818118A CN 101818118 A CN101818118 A CN 101818118A CN 201010148871 CN201010148871 CN 201010148871 CN 201010148871 A CN201010148871 A CN 201010148871A CN 101818118 A CN101818118 A CN 101818118A
Authority
CN
China
Prior art keywords
bio
particle
permanent magnet
main shaft
manipulation device
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.)
Pending
Application number
CN 201010148871
Other languages
English (en)
Inventor
张卫平
李世鹏
陈文元
刘武
胡牧风
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.)
Shanghai Jiaotong University
Original Assignee
Shanghai Jiaotong University
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 Shanghai Jiaotong University filed Critical Shanghai Jiaotong University
Priority to CN 201010148871 priority Critical patent/CN101818118A/zh
Publication of CN101818118A publication Critical patent/CN101818118A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M35/00—Means for application of stress for stimulating the growth of microorganisms or the generation of fermentation or metabolic products; Means for electroporation or cell fusion
    • C12M35/06—Magnetic means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/20—Material Coatings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M35/00—Means for application of stress for stimulating the growth of microorganisms or the generation of fermentation or metabolic products; Means for electroporation or cell fusion
    • C12M35/02—Electrical or electromagnetic means, e.g. for electroporation or for cell fusion

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

一种生命科学技术领域的基于永磁体的生物粒子三维操纵装置，包括：底座、主轴、移动平台、夹持器、腔室、顺磁性溶液和磁源，底座上固定设有主轴，主轴上活动设有移动平台，夹持器套接于主轴上，夹持器夹持腔室，磁源设于移动台上，腔室内设有顺磁性溶液，夹持器位于移动平台之上。本发明结构简单，在常温非超导强磁环境下便可实现生物活性粒子的非接触、无损伤的空间捕获、定位、移动等多种形式的空间生物粒子微操纵。

Description

基于永磁体的生物粒子三维操纵装置
技术领域
本发明涉及的是一种生命科学技术领域的专用设备，尤其涉及的是一种基于永磁体的生物粒子三维操纵装置。
背景技术
在生命科学领域，对单个或数个生物粒子在无损伤条件下，实施俘获、移动等操纵是实现生物学对象操作、加工、测试的基础，这种对生物粒子的微操纵方法在基因分析、染色体和细胞分析、蛋白质和核酸聚合分析、新物种产生等生命科学领域，具有重大的理论和现实意义。
目前生物粒子的微操纵主要有接触式机械微钳、非接触式磁钳、非接触式光钳、基于介电泳的生物微操纵等多种方法，接触式微操纵方法易对生物粒子的活性产生影响，磁钳类生物微操纵方法需要第三者即磁球，对于需要直接操纵生物粒子的场合则不适用，光钳类生物微操纵方法需要较为复杂的设备，激光的高能量可能会对生物粒子造成未知的伤害，介电泳式生物微操纵方法不适合系统的微型化，且控制复杂。因此，突破现有生物微操纵模式，探索新的非接触无损伤生物微操纵途径，成为人们关注的焦点。
经过对现有技术的检索发现，Adam Winkleman等在Applied physics letters(应用物理学快报)，2004，85(12)：2411～2413，发表了：Amagnetic trap for living cells suspendedin a paramagnetic buffer(顺磁性缓冲液中悬浮活细胞的磁阱)，该文仅作为一种学术研究的角度提及用磁阿基米德抗磁悬浮技术来悬浮物质，但没有对相应技术的实施方案作出说明。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于永磁体的生物粒子三维操纵装置，将抗磁悬浮技术用于生物微操纵，利用大多数生物粒子自身的抗磁性，借助磁阿基米德效应，无需超导强磁环境、不需借助第三者(如磁性微球)，在常温、永磁体产生的磁场环境下，便可实现非接触、无机械或光损伤的生物粒子微操纵，且实现方法简单、可靠。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：底座、主轴、移动平台、夹持器、腔室、顺磁性溶液和磁源，其中：底座上固定设有主轴，主轴上活动设有移动平台，夹持器套接于主轴上，夹持器夹持腔室，磁源设于移动台上，腔室内设有顺磁性溶液，夹持器位于移动平台之上。
所述的顺磁性溶液和生物粒子兼容，生物粒子是顺磁性时，顺磁性溶液的磁化率大于生物粒子的磁化率。
所述的磁源是永磁体组合。
所述的移动平台是滑台导轨结构或者压电线性马达。
所述的夹持器和主轴的连接处设有锁紧机构。
所述的腔室是PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)或玻璃材料，腔室的内部覆有牛血清蛋白。
所述的底座、主轴、移动平台和夹持器是无磁性或弱磁性材料。
本发明利用生物粒子的抗磁性或弱顺磁性，将生物粒子放入顺磁性溶液中，然后将它们整体置于磁源产生的磁场环境中，生物粒子在竖直方向会受到重力、浮力和抗磁力，水平方向会受到抗磁力和顺磁性溶液对它的阻力，在合适的顺磁性溶液中，生物粒子在竖直方向和水平方向受力都会达到平衡，进而实现稳定悬浮，调节磁源位置，磁场环境发生改变，生物粒子会运动到下一个稳定悬浮点，从而实现生物粒子的三维操纵。
本发明相比现有技术具有以下优点：整个装置利用了磁阿基米德效应，使得不需要超导强磁环境，无需借助第三者(如磁性微球)，在常温、永磁体产生的磁场环境下即可实现非接触、无机械或光热等损伤的生物粒子的三维操纵，整个装置结构简单且易操控。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是腔室的局部示意图；
图3是磁源的局部示意图；
图4是生物粒子的受力分析图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：底座1、主轴2、移动平台3、夹持器4、腔室5、顺磁性溶液6、磁源7和生物粒子8，其中：底座1上固定设有主轴2，主轴2上活动设有移动平台3，夹持器4套接于主轴2上，夹持器4夹持腔室5，磁源7设于移动台上，腔室5内设有顺磁性溶液6，顺磁性溶液6内放置生物粒子8，夹持器4位于移动平台3之上。
如图2所示，腔室5是玻璃制成，腔室5的内部覆有牛血清蛋白，采用玻璃加工技术或MEMS(Micro-electromechanical Systems微型机电系统)工艺制作腔室5。
其他实施例中，如果腔室5是PDMS制成，则采用MEMS工艺制作腔室5。
所述的顺磁性溶液6和生物粒子8兼容，可选用GdCl3水溶液，当生物粒子8是顺磁性时，顺磁性溶液6的磁化率大于生物粒子8的磁化率。
如图3所示，磁源7是永磁体组合。本实施例选用的是4个相同参数的NdFeB永磁体组合，这四个永磁体的磁化方向沿轴向且相邻磁极方向相反。
本实施例中，移动平台3是滑台导轨结构，它主要由不同方向的滑台和导轨搭配而成，调节方式为手动调节。
其他实施例中，为实现纳米精度的生物粒子的操纵控制，移动平台3可是压电线性马达。
所述的夹持器4套接在主轴2上，可以在主轴2上移动，夹持器4和主轴2的相接处设有锁紧机构，可以固定在主轴2上的任意位置，其形状类似夹钳。
所述的底座1、主轴2、移动平台3和夹持器4是无磁性或弱磁性材料制成，可以选用奥氏体不锈钢或有机材料。
如图4所示，调节夹持器4和移动平台3使腔室5位于磁源7正上方的合适位置，这时，由于磁源7是轴对称排列，生物粒子8悬浮时会位于磁源7中轴线上某一点处，当生物粒子8偏离中轴线时，它会受到磁源7给它的一个回复力使其向中轴线移动，在竖直方向，当生物粒子8所受的重力、浮力和抗磁力满足方程：
( ρ 1 - ρ 2 ) g = B ∂ B ∂ z ( χ 1 - χ 2 μ 0 )
其中：ρ1、χ1分别是生物粒子8的密度和磁化率，ρ2、χ2分别是顺磁性溶液6的密度和磁化率，g是重力加速度，B是磁感应强度，z是竖直方向的位移，μ0是真空磁导率，其值为μ0＝4π×10-7H/m。
此时，生物粒子8稳定悬浮。在三维空间，通过调节移动平台3和改变磁源7的位置，进而改变磁场环境，生物粒子8的受力会发生变化，在重力、浮力、抗磁力等力的作用下，生物粒子8会运动到下一个平衡位置处，实现生物粒子8的三维操纵。

Claims (8)

1.一种基于永磁体的生物粒子三维操纵装置，其特征在于，包括：底座、主轴、移动平台、夹持器、腔室、顺磁性溶液和磁源，其中：底座上固定设有主轴，主轴上活动设有移动平台，夹持器套接于主轴上，夹持器夹持腔室，磁源设于移动台上，腔室内设有顺磁性溶液，夹持器位于移动平台之上。
2.根据权利要求1所述的基于永磁体的生物粒子三维操纵装置，其特征是，所述的顺磁性溶液和生物粒子兼容。
3.根据权利要求1所述的基于永磁体的生物粒子三维操纵装置，其特征是，所述的磁源是永磁体组合。
4.根据权利要求1所述的基于永磁体的生物粒子三维操纵装置，其特征是，所述的移动平台是滑台导轨结构或者压电线性马达。
5.根据权利要求1所述的基于永磁体的生物粒子三维操纵装置，其特征是，所述的夹持器和主轴的连接处设有锁紧机构。
6.根据权利要求1所述的基于永磁体的生物粒子三维操纵装置，其特征是，所述的腔室是PDMS或玻璃材料。
7.根据权利要求6所述的基于永磁体的生物粒子三维操纵装置，其特征是，所述的腔室的内部覆有牛血清蛋白。
8.根据权利要求1所述的基于永磁体的生物粒子三维操纵装置，其特征是，所述的底座、主轴、移动平台和夹持器是无磁性或弱磁性材料。
CN 201010148871 2010-04-17 2010-04-17 基于永磁体的生物粒子三维操纵装置 Pending CN101818118A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 201010148871 CN101818118A (zh) 2010-04-17 2010-04-17 基于永磁体的生物粒子三维操纵装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN 201010148871 CN101818118A (zh) 2010-04-17 2010-04-17 基于永磁体的生物粒子三维操纵装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN101818118A true CN101818118A (zh) 2010-09-01

Family

ID=42653397

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN 201010148871 Pending CN101818118A (zh) 2010-04-17 2010-04-17 基于永磁体的生物粒子三维操纵装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN101818118A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101974422A (zh) * 2010-10-02 2011-02-16 上海交通大学 线圈阵列的微型生物粒子操纵系统
CN102911865A (zh) * 2012-11-12 2013-02-06 南京东纳生物科技有限公司 细胞磁标仪
CN105543092A (zh) * 2016-01-06 2016-05-04 西北工业大学 动态非接触式细胞力学刺激加载装置
CN114054107A (zh) * 2021-10-28 2022-02-18 重庆大学 一种开放式抗磁性液滴磁力操控方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN88100507A (zh) * 1987-02-04 1988-08-17 苏联科学院西伯利亚分院固体化学和矿石加工研究所 测定溶液中顺磁离子浓度的装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN88100507A (zh) * 1987-02-04 1988-08-17 苏联科学院西伯利亚分院固体化学和矿石加工研究所 测定溶液中顺磁离子浓度的装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《Applied Physics Letters》 20041231 Winkleman A, et al. A magnetic trap for living cells suspended in a paramagnetic buffer 2411-2413 1-8 第85卷, 第12期 2 *
《IEEE Transducers》 20070614 Garmim D,et al. Diamagnetically levitated MEMS accelerometers NJ: IEEE Press 1203-1206 1-8 , 2 *
《Methods and Devices for Optical and Electrical Metrology with Application to Phase-Shifting Interferometers, Torsional Microstructures, and Levitated Accelerometers》 20070920 Garmire D Methods and Devices for Optical and Electrical Metrology with Application to Phase-Shifting Interferometers, Torsional Microstructures, and Levitated Accelerometers 122-133 1-8 , 1 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101974422A (zh) * 2010-10-02 2011-02-16 上海交通大学 线圈阵列的微型生物粒子操纵系统
CN101974422B (zh) * 2010-10-02 2013-05-01 上海交通大学 线圈阵列的微型生物粒子操纵系统
CN102911865A (zh) * 2012-11-12 2013-02-06 南京东纳生物科技有限公司 细胞磁标仪
CN102911865B (zh) * 2012-11-12 2014-02-26 南京东纳生物科技有限公司 细胞磁标仪
CN105543092A (zh) * 2016-01-06 2016-05-04 西北工业大学 动态非接触式细胞力学刺激加载装置
CN114054107A (zh) * 2021-10-28 2022-02-18 重庆大学 一种开放式抗磁性液滴磁力操控方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gao et al. Label-free manipulation via the magneto-Archimedes effect: fundamentals, methodology and applications
Wang et al. A three-dimensional magnetic tweezer system for intraembryonic navigation and measurement
Schuerle et al. Three-dimensional magnetic manipulation of micro-and nanostructures for applications in life sciences
Carlsen et al. Magnetic steering control of multi-cellular bio-hybrid microswimmers
US9322804B2 (en) Quality control of diamagnetic materials using magnetic levitation
Donolato et al. Magnetic domain wall conduits for single cell applications
CN101818118A (zh) 基于永磁体的生物粒子三维操纵装置
Gauthier et al. Control of a particular micro-macro positioning system applied to cell micromanipulation
Anil‐Inevi et al. Magnetic levitation assisted biofabrication, culture, and manipulation of 3D cellular structures using a ring magnet based setup
Boukallel et al. Smart microrobots for mechanical cell characterization and cell convoying
Torres-Cruz et al. A review on future prospects on magnetic levitation for disease diagnosis
US10208282B2 (en) System and method for magnetic self-assembly
CN101851577A (zh) 基于线圈的生物粒子三维操纵装置
US20220181054A1 (en) Magnetic levitation apparatus and measurement apparatus using the same
Wang et al. Robotic intracellular manipulation: 3D navigation and measurement inside a single cell
CN101974422B (zh) 线圈阵列的微型生物粒子操纵系统
Frénéa-Robin et al. Contactless diamagnetic trapping of living cells onto a micromagnet array
CN108120660B (zh) 一种基于磁阿基米德的磁操纵方法
JP2017051138A (ja) 細胞パターニング装置及び細胞パターニング方法
Das et al. Image guided automated non-prehensile magnetic micromanipulation of cells
Boukallel et al. Micromanipulation tasks using passive levitated force sensing manipulator
Wang et al. Three-dimensional robotic control of a 5-micrometer magnetic bead for intra-embryonic navigation and measurement
Cherry et al. Microforce sensor for microbiological applications based on a floating-magnetic principle
Shipeng et al. Bio-micro-manipulation Chip Based on Magneto-Archimedes Effect
Martel et al. Magnetotactic bacteria as dispatched oxygen sensors

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20100901