CN101982780A

CN101982780A - 机器人微纳混合生物活体细胞实时检测、操纵及诊断技术与系统

Info

Publication number: CN101982780A
Application number: CN2010102714239A
Authority: CN
Inventors: 刘洋; 王作斌; 杨光; 宋正勋; 胡贞; 翁占坤; 李景梅; 曲英敏; 刘兰娇; 徐佳
Original assignee: Changchun University of Science and Technology
Current assignee: Changchun University of Science and Technology
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2011-03-02

Abstract

本发明公开了一种机器人微纳混合生物活体细胞实时检测、操纵及诊断系统。机器人微纳混合生物活体细胞实时检测、操纵及诊断系统是利用扫描探针显微镜与倒置/正置光学显微镜以及光镊捕获系统相结合实现细胞个体精确定位以及局域可选扫描检测、操纵及诊断。由于其工作环境与细胞生活环境一致，还可实现生物活体细胞操作以及实时跟踪观测。该系统由于与光镊捕获系统相结合，使得微纳米对象间的定位与组装更加准确、容易。

Description

机器人微纳混合生物活体细胞实时检测、操纵及诊断技术与系统

技术领域

本发明涉及一种机器人微纳混合生物活体细胞实时检测、操纵及诊断技术与系统，其潜在应用包括几乎所有科技领域：生物科学、医学、材料制造、电子学、计算机科学、环境科学、能源科学、航天航空以及农业科学等。

技术背景

在本世纪，微纳米技术将在科技社会与经济发展中处于主导地位，疾病防治、食品安全、环境保护、新型能源、高性能材料、器件与系统将依赖于微纳米技术的发展。目前机器人微米或纳米操作是用各种不同的力进行微米或纳米操作而实现针对原子、分子和其它纳米物体的操纵，探索微米或纳米尺度现象，构建原型微纳米器件。应用领域包括生物技术(如研究细胞、DNA、核糖体和蛋白质等)、微纳米制造和材料表征等。

1982年，G.Binning和H.Rohner在IBM发明了扫描隧道显微镜(STM)，四年后，Binning，C.F.Quate和C.Gerber发明了原子力显微镜(AFM)。以STM和AFM为基础，衍生出了多种类型的扫描探针显微镜(SPM)。扫描探针显微镜(SPM)标志着对微纳领域的探索开辟了新纪元，1990年DonEigler第一次用SPM操纵氙原子写出“IBM”的标志，之后科学家开始广泛将SPM应用于微纳领域的研究，2004年Hoshi等首次尝试了用AFM观察液体环境中的染色体，实现了对染色体体积的测量及染色体显带、染色体高级结构和畸变的研究。随着微纳操纵技术的发展，在很多应用中由于SPM固有的物理结构使其不适合三维操作，并且，其操作与成像不能同时完成。随后又出现了机械钳/机械手，实现微纳三维操作，其中KNT制造的机械钳其分辨率可达1nm。利用SPM或机械钳/机械手实现的微纳操纵都属于机械微纳操纵，难免对被操作物体有损伤，而且对于机械操纵而言“粗手指”和“放不下”一直是尚未解决的两大问题。1986年美国贝尔实验室科学家Arthur Ashkin首次将光镊这种激光技术用于生命科学的研究，这有利于非接触无损操作及显微活体的研究。目前，人们开发了光镊对细胞、细胞器及染色体进行捕获、分选、操纵、弯曲细胞骨架、克服分子马达力引起的细菌旋转动力、测定马达蛋白作用力、及对膜体系进行定量研究。此外，光镊技术还可应用于微小颗粒的捕获、排列和显微制造等领域。

然而，当前制约微纳米技术广泛应用的重要因素之一是缺少通用微纳操纵制造的技术与工具。在本系统中，充分融合了扫描探针与光镊捕获系统的优势，弥补了机械微纳操纵系统的不足，并实现了目前微纳操纵中较难实现的被操作对象的实时检测、悬浮扫描以及无损操作等应用，可将其推广到其他应用领域(生物、医学、电子、材料等)。

参考文献

1.G.Binning，C.F.Quate and C.Gerber，“Atomic force microscope”，Physical Review Letters，Vol.56，No.9，pp.930-933，1986.

2.P.Kim and C.M.Lieber，“Nanotube nanotweezer”，Science，Vol.286，pp.2148-2150，1999.

3.F.Fukuda，F.Arai and L.Dong，“Nanorobotic world-from micro to nano”，Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation，pp.632-637，2001.

4.A.Ashkin and J.M.Dziedzic，“Observation of a single-beam gradient forceoptical trap for dielectric particles”，Optics Letters，Vol.11，No.5，pp.288-290，1986.

5.H.Zhang and K.K.Liu，“Optical tweezers for single cells”.Journal of the Royal Society Interface，Vol.5，pp.671-690，2008.

6.J.E.Molloy and M.J.Padgett，“Lights，action：optical tweezers”，Contemporary Physics，Vol.4，No.4，pp.241-258，2002.

7.王燕华、张德添，“原子力显微镜及其在生命科学领域应用”，新技术应用，Vol.5，pp.31-32，2010.

8.郭红莲、曹勤红等，“激光光钳法细胞膜弹性测量技术的建立和白细胞膜弹性的测量”，科学通报，Vol.48，No.3，pp.246-251，2003.

9.Z.Wang，M.Yang，A.Almansa and R.Li，“Object localization with subpixel accuracy for automated microinjection”，Proceedings of IEEE International Conference on Mechatronics and Automation，pp.428-433，2007.

10.Z.Wang，S.Fatikow，S.Su，M.Yang and H.Hülsen，“Robotic nanoassembly”，Proceedings of IEEE International Conference on Mechatronicsand Automation，pp.422-427，2007.

发明内容

本发明的目的在于提供一种机器人微纳混合生物活体细胞实时检测、操纵及诊断系统，可对单个或多个细胞生长过程进行实时监控，通过光镊捕获系统拉伸细胞，使其发生形变，实现对悬浮细胞(被操作物体)形态改变时的表面检测，可对细胞进行微细手术，分析细胞的寿命及其特性以及实现微纳米操作工具和被操纵微纳米物体之间的精确定位。

本发明的实现方法为：利用倒置/正置光学显微镜形成光镊捕获系统与扫描探针显微镜相结合，即可实现细胞或其它被操作物体的微米级精确定位又可将两种微纳操作系统结合使用。再将机器人微纳操作系统放置于适合生物细胞生长的培养环境中，真正实现活体细胞实时观测、操作与分析。

本发明与现有系统相比其优点：

扫描探针显微镜与倒置/正置光学显微镜相结合可实现微纳混合检测和操纵，提高扫描效率与扫描精准度。同时利用此倒置光学显微镜还可实现光捕获系统。

扫描探针显微镜与光镊捕获系统的结合使用使目前很难实现的悬浮细胞(或其他被操作物体)扫描成为现实，同时还可实现细胞发生形变的同时对其进行扫描、观测。利用光捕获系统捕获粒子作为‘探针’与细胞作用，可实现细胞表面的无损操作。

整个机器人微纳混合生物活体细胞实时检测、操纵及诊断系统与培养环境的结合使用，通过对生物活体细胞在生长环境中实时检测、操纵及诊断可在选定条件下直接获得其与不同物质的作用结果，确保结果的准确性和唯一性，并极大地缩短生物医学研究周期。为生命科学领域提供了直接在细胞、亚细胞及分子水平研究生命现象的技术与工具。

附图说明

图1为本发明机器人微纳混合生物活体细胞实时检测、操纵及诊断系统的原理说明示意图，其中细胞操纵系统可由扫描探针显微镜与光镊捕获系统融合构成。此系统中可采用倒置/正置光学显微镜实现细胞的精确定位、可选扫描区域以及实时检测。图1中光学显微镜系统1，其镜筒尺寸以及物镜适合原子力显微镜操纵的空间。系统的分辨率可达1微米，可通过CCD实时监控细胞生长的全过程，可根据具体需要附加多个光学显微镜进行多方位细胞个体观测。原子力显微镜2。光镊捕获系统3(可采用光学光镊捕获系统或光纤光镊捕获系统等，图中为光纤光镊捕获系统)。载物旋转平台4，其可在XY方向移动，a为X方向移动旋钮，b为Y方向移动旋钮。细胞培养环境5。

图2所示为原子力显微镜与光学显微镜结合构成的机器人微纳混合生物活体细胞实时检测、操纵及诊断系统示意图。

图3所示为利用光学显微镜拍摄的培养初期的仓鼠肾细胞BHK-21光学图像。

图4所示为利用原子力显微镜对培养初期仓鼠肾细胞BHK-21表面的实时检测扫描图。图a为原子力扫描的仓鼠肾细胞BHK-21表面形貌图，图b为其相应的相位图。

具体实施方法

如图2所示，本机器人微纳混合操纵系统包括扫描探针显微镜1，光学显微镜2，光学光镊捕获系统3，细胞培养环境4。通过光学显微镜2可实现细胞的精确定位，提高扫描、操作效率，图3为利用光学显微镜拍摄的仓鼠肾细胞BHK-21光学图像。光学光镊捕获系统3可通过光学显微镜来形成，结合扫描探针显微镜1和光镊捕获系统3可实现细胞悬浮扫描、无损扫描、微细手术以及力学特性研究等生物医学研究，并对细胞的形变、疾病及寿命进行检测与诊断。图4为利用原子力显微镜对仓鼠肾细胞BHK-21表面的实时检测扫描图像。通过将整个混合生物活体细胞实时检测、操纵及诊断系统放置于密闭培养环境4内，通过腔体手套可手动调节混合操纵系统，实现对生物活体细胞的实时检测、扫描、操作以及分析诊断。

Claims

1.机器人微纳混合生物活体细胞实时检测、操纵及诊断技术与系统的特征是：通过将扫描探针显微镜与倒置/正置光学显微镜以及光镊捕获系统相结合共同放置于适合生物细胞生活的培养环境内，可对单个或多个活体细胞进行扫描，实现实时观测，以及对其进行操作、特性分析等。

2.根据权利要求1所述的机器人微纳混合生物活体细胞实时检测、操纵及诊断技术与系统，其特征为，可以利用倒置/正置光学显微镜进行细胞定位，精准选择扫描、操作的位置，提高效率。

3.根据权利要求1所述的机器人微纳混合生物活体细胞实时检测、操纵及诊断技术与系统，其特征为，利用扫描探针显微镜的探针对细胞进行纳米级定位、成像及操作。

4.根据权利要求1至3所述的机器人微纳混合生物活体细胞实时检测、操纵及诊断技术与系统，其特征为，利用扫描探针显微镜与光捕获系统相结合实现微纳操作，对细胞膜的力学特性进行表征。

5.根据权利要求1至4所述的机器人微纳混合生物活体细胞实时检测、操纵及诊断技术与系统，其特征为，可对活体细胞进行细胞骨架形变的研究进而延伸到细胞骨架改变与疾病的关系。通过光捕获系统拉伸细胞形变，利用扫描探针显微镜进行实时扫描、动态检测，即可实现对悬浮细胞(或其它被操作物体)形变的表面扫描。

6.根据权利要求1至5所述的机器人微纳混合生物活体细胞实时检测、操纵及诊断技术与系统，其特征为，可直接通过对特定环境中细胞寿命或形态的检测，分析与诊断环境及形态改变对细胞产生的影响。

7.根据权利要求1至3所述机器人微纳混合生物活体细胞实时检测、操纵及诊断技术与系统，可做到无损操作。其特征为，通过利用光捕获系统捕获纳米级颗粒作为‘探针’与细胞作用，实现对细胞进行真正非机械接触式扫描，对表面真实结构精确成像。对于细胞等软表面物体可以真正做到无损操作。

8.根据权利要求1至3及7所述机器人微纳混合生物活体细胞实时检测、操纵及诊断技术与系统，可实现多细胞同时监测。其特征为，利用光捕获系统捕获的纳米级颗粒形成的‘探针’可对多细胞进行分时扫描。

9.根据权利要求1至4所述机器人微纳混合生物活体细胞实时检测、操纵及诊断技术与系统，可实现微细手术。其特征为，系统可直接利用微纳注射针研究细胞中注射物质的作用，也可用扫描探针、光捕获系统及其它纳米镊子对细胞进行微细手术，分析并研究细胞内部结构及所注射物质与细胞的相互作用机理。

10.根据权利要求1至4及9所述的机器人微纳混合生物活体细胞实时检测、操纵及诊断技术与系统，其特征为，系统可直接操纵纳米到微米级物质粒子，包括病毒、细菌、无机或有机微/纳米粒子，在培养环境中研究上述的微/纳米粒子与细胞的相互作用，分析微/纳米粒子的毒理性或药理性。

11.根据权利要求1至10机器人微纳混合生物活体细胞实时检测、操纵及诊断技术与系统，其特征为，使用参考标尺图案及实时对象模式识别来处理机器人微纳操作工具和被控对象之间的精确相互作用，用以消除由于环境变化所造成的误差。

12.根据权利要求1至10所述的机器人微纳混合生物活体细胞实时检测、操纵及诊断技术与系统，其特征为，操作都在所设定的细胞生存环境下完成，实现生物活体细胞实时检测、操纵及诊断。