CN103985428A - 基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置及其控制方法，其中，操作装置包括：绝缘基底；多个周向电极，多个周向电极间隔开地设置在绝缘基底的上表面上，多个周向电极之间形成有类空腔结构；底部电极，底部电极设置在绝缘基底的上表面上且位于类空腔结构内，底部电极在垂直于绝缘基底的上表面的方向上的高度低于多个周向电极的高度。该操作装置可以解决对微小颗粒在空间上进行三维旋转的技术难题，实现三维旋转，更加有利于对微小颗粒的观察和操作，提高了实验的精确度，使实验结果更加精确。

Description

基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及微机电技术领域，特别涉及一种基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置及其控制方法。
背景技术
对从纳米到毫米级别的微小颗粒，如微球、DNA、蛋白质、细胞等的三维定位和旋转是现在物理、化学和生物研究领域中非常基础的一项操作。三维定位微小颗粒的方法很多，但是三维旋转微小颗粒的装置和方法还很少见。在所见的文献技术中，对微小颗粒绕单一轴的旋转报道较多，对微小颗粒绕三轴(也即三维)的旋转很少。
相关技术中，对微小颗粒的旋转，常用的技术例如介电泳(DEP)、光诱导介电泳(ODEP)、光镊(Optical tweezers)、磁场、以及机械式旋转等。然而，在相关技术中，三维旋转方法的使用具有很大的限制，例如有限的旋转速度和角度范围，有限的能旋转的颗粒种类等，没有很好地解决对微小颗粒在空间上进行三维旋转的技术难题，导致对微小颗粒的观察和操作出现误差，使实验结果不精确。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种能实现三维旋转，更加有利于对微小颗粒的观察和操作的基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置。
本发明的另一个目的在于提出一种基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置的控制方法。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置，包括：绝缘基底；多个周向电极，所述多个周向电极间隔开地设置在所述绝缘基底的上表面上，所述多个周向电极之间形成有类空腔结构；以及底部电极，所述底部电极设置在所述绝缘基底的上表面上且位于所述类空腔结构内，所述底部电极在垂直于所述绝缘基底的上表面的方向上的高度低于所述多个周向电极的高度。
根据本发明实施例提出的基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置，在绝缘基底的上表面上设置的多个周向电极和底部电极，从而解决对微小颗粒在空间上进行三维旋转的技术难题，实现三维旋转，更加有利于对微小颗粒的观察和操作，提高了实验的精确度，使实验结果更加精确。
另外，根据本发明上述实施例的基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一个实施例中，所述底部电极在垂直于所述绝缘基底的上表面的方向上的高度低于所述多个周向电极的高度至少1μm。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多个周向电极沿与所述绝缘基底的上表面垂直的方向设置。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多个周向电极为四个，且两两相对设置。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述底部电极可以为多个。
本发明另一方面实施例提出的一种基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置的控制方法，包括以下步骤：将微小颗粒装入类空腔结构中；分别对多个周向电极中所有或者部分周向电极施加电压，并根据施加电压的周向电极控制所述底部电极保持浮置或者接地，以产生旋转电场实现对所述微小颗粒的三维旋转操作。
根据本发明实施例提出的基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置的控制方法，在绝缘基底的上表面上设置的多个周向电极和底部电极，从而解决对微小颗粒在空间上进行三维旋转的技术难题，实现三维旋转，更加有利于对微小颗粒的观察和操作，提高了实验的精确度，使实验结果更加精确。
另外，根据本发明上述实施例的基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置的控制方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一个实施例中，所述底部电极在垂直于绝缘基底的上表面的方向上的高度低于所述多个周向电极的高度至少1μm。
进一步地，在本发明的一个实施例中，上述方法还包括：根据所述施加电压控制所述底部电极连接至直流恒压电源。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多个周向电极沿与所述绝缘基底的上表面垂直的方向设置。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述多个周向电极为四个，且两两相对设置。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述底部电极可以为多个。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置的结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的周向电极的结构示意图；
图3为根据本发明一个实施例的底部电极的结构示意图；
图4为根据本发明一个实施例的周向电极和底部电极配合形成的基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置的结构示意图；
图5为根据本发明一个实施例的基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置的控制方法的流程图；
图6为根据本发明一个实施例的基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置的核心电极的俯视示意图；
图7为当四个周向电极被施加交流电压时，在一个周期内，对于电极围成的腔内中心的某一点，沿z轴产生的旋转电场示意图；
图8为当四个周向电极被施加交流电压时，在一个周期内，对于电极围成的腔内中心的某一点，沿y轴产生的旋转电场示意图；以及
图9为对牛卵母细胞进行绕z轴顺时针旋转的结构示意图。
具体实施方式
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，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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的具体含义。
下面在描述根据本发明实施例提出的基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置及其控制方法之前，先来简单描述一下相关技术中的微小颗粒的旋转操作。
早期的技术主要是介电泳。介电泳技术需要利用器件产生非均匀的电场，任何颗粒，自身不需带电，即可以在电场作用下其内部形成等量的正负电荷聚集区，这些电荷区在非均匀电场的作用下，会产生介电泳力或介电泳力矩，前者让颗粒直线运动，后者让颗粒旋转运动。为了让颗粒持续旋转，需要将电极合理布置，并对电极施加合理的交流电压或者直流电压，以在电极构成的腔内产生一个旋转的电场。该技术在理论上的研究已经比较透彻，比较经典的文献参见Holzapfel C,Vienken J,Zimmermann U(1982)Rotation of cells in analternating electric field:Theory and experimental proof.Journal of Membrane Biology67:13–26。和Huang Y,Holzel R,Pethig R Wang XB(1992)Differences in the AC electrodynamicsof viable and non-viable yeast cells determined through combined dielectrophoresis andelectrorotation studies.Phys Med Biol37:1499。但是最大的问题是，现在实现的旋转均只是绕单一轴的，尚未见有使用介电泳技术实现三维旋转的报道。
最近的研究表明，使用光照，也能引起称为光诱导介电泳的ODEP现象。由此，ODEP也被用于颗粒旋转，它与DEP的最大区别就是用光照在光敏电极上产生需要的电压，从而无需给光敏电极施加外来电压。虽然如此，它最大的缺点是光诱导产生的电压强度不够产生力矩来旋转尺寸较大的颗粒，如10μm级别以上的。且器件上部被光敏电极封闭，人为形成使用障碍。如Liang YL,Huang YP,Lu YS,Hou MT,Yeh JA(2010)Cell rotation usingoptoelectronic tweezers.Biomicrofluidics4:043003.这篇文章通过对透明ITO电极上照射光，引起电势变化，利用此电势产生的电场来旋转酵母细胞。因光照功率的限制，它并不能旋转尺寸在10μm级别以上的颗粒，且只能实现单一轴的旋转。同时，器件上方需要一块ITO电极用于颗粒旋转，形成封闭的旋转腔体，不利于颗粒装入和旋转时对颗粒的接触式或非接触式操作，这种形成封闭旋转空间阻止外部接触颗粒的器件结构是一大缺点。Chau L-H,Liang W,Cheung FWK,Liu WK,Li WJ,et al.(2013)Self-Rotation of Cells in an Irrotational ACE-Field in an Opto-Electrokinetics Chip.PLoS ONE8(1):e51577.此文章类似于biomicrofluidics文章，都使用光诱导介电泳optical dielectrophoresis(ODEP)，不过此技术不依靠旋转电场，实验中细胞为什么能旋转的机制尚不明朗，所适用的颗粒种类还未明确，且也只能单轴旋转。
通过光场直接产生的力矩也可以旋转颗粒，这种技术通常叫做光镊。在激光的聚光点处，颗粒在光束内会产生力矩，这个力矩带动颗粒旋转。但是通常，因为激光束聚光点较小，产生的力矩也较小，通常小于1万pN nm，旋转纳米级别的颗粒，进行高空间分辨率的旋转是合适的。但是，对于旋转较大尺寸的微米级颗粒，这类技术相对来讲能力有限。如Zijie Yan,Julian Sweet,Justin E.Jureller,Mason J.Guffey,Matthew Pelton,and Norbert F.Scherer,Controlling the Position and Orientation of Single Silver Nanowires on a Surface UsingStructured Optical Fields,ACS Nano,6(9),8144-8155,2012.这篇文章使用结构光场，通过光力来控制银纳米线的位置和取向。该技术使用的是基于光场的光力，虽然有一定的旋转能力，但是旋转也局限于一个轴，且旋转对象尺寸在纳米级别。限于较低的光力，对于旋转更大如微米级别的颗粒，光场并不是一种很有效的方法。Braulio Gutiérrez-Medina,Johan O.L.Andreasson,William J.Greenleaf,Arthur LaPorta,and Steven M.Block,An optical apparatusfor rotation and trapping,Methods Enzymol.475,377–404,2010.这篇文章使用光镊的原理，其实也类似于前面文章的原理。该技术也仅限于绕单一轴的旋转，且旋转力矩小于1万pN nm，也仅能旋转纳米级的颗粒，如DNA分子。European patent,OPTICAL ROTATION OFMICROSCOPIC PARTICLES,EP1344432B1，该专利使用光镊，也仅限于获得绕单一轴的旋转。Arthur La Porta and Michelle D.Wang,Optical Torque Wrench:Angular Trapping,Rotation,and Torque Detection of Quartz Microparticles,Physical Review Letters,92(19),190801,2004.该文章所报告的技术也是利用光线来获得绕单一轴的旋转，所演示的是针对1μm级别尺寸的各向异性的石英颗粒的旋转。
为了防止光镊中聚集的激光点作用在颗粒如细胞上时对颗粒的损伤，研究人员也尝试了使用光镊来间接旋转颗粒。如Fumihito Arai,Toshiaki Endo,Ryuji Yamuchi,Toshio Fukuda,3D6DOF Manipulation of Micro-object Using Laser Trapped Microtool,Proceedings of the2006IEEE International Conference on Robotics and Automation,Orlando,Florida,1390-1395,May2006.这篇文章使用光镊操作微球，让微球与被旋转的颗粒直接接触；或者当颗粒悬浮在溶液中时，通过搅动颗粒周围溶液产生的流体力来旋转颗粒。首先，该方法如果要获得三维旋转，需要复杂的光路系统来控制微球，因此只是给出了三维旋转的概念，并没有演示多轴旋转的实验结果；此外，旋转的角度也有限，不能实现360度旋转，旋转的速度也受限制。使用接触式方法来旋转，对于表面具有粘性和弹性的颗粒，会对其形态产生影响。而如果采用搅动溶液的方法，无法有效控制旋转的速度和角度。
对于磁性颗粒，也可以外加旋转磁场来旋转颗粒。如Charlie Gosse and Vincent Croquette,Magnetic tweezers:micromanipulation and force measurement at the molecular level,Biophysical Journal,82,3314-3329,June2002.这篇文章使用6块垂直布置的电磁铁(electromagnets)柱，这些柱子沿圆周排列，当磁珠位于电磁铁柱中间的腔体时，可以被电磁力移动或者旋转。该技术虽然可以旋转颗粒，但是颗粒必须带有磁性，且也只实现了绕单一轴(竖直轴)的转动。Elbez R,McNaughton BH,Patel L,Pienta KJ,Kopelman R(2011)Nanoparticle Induced Cell Magneto-Rotation:Monitoring Morphology,Stress and DrugSensitivity of a Suspended Single Cancer Cell.PLoS ONE6(12):e28475.doi:10.1371/journal.pone.0028475.这篇文章介绍了一种侵入式旋转细胞的技术。该技术需要对细胞转染(embedded)上30nm的磁性纳米珠，这样具有磁性的细胞置入旋转磁场中会产生旋转。该技术也仅实现了单一轴的旋转，且需要将外部纳米磁珠装入细胞内部，虽然实验数据并没有发现纳米磁珠对细胞活力有负面影响，但是对于某些无法装入磁珠的颗粒，此技术将无能为力。
机械接触式旋转则大大不同于在宏观世界里对较大物体的旋转那么简单直接。如C.Leung,Z.Lu,X.P.Zhang,and Y.Sun,"Three-dimensional rotation of mouse embryos,"IEEETrans.Biomedical Engineering,Vol.59,pp.1049-56,2012.这篇文章用视觉控制的方法加上自动化操作，使用玻璃吸管，通过机械接触的方式对在溶液中的细胞进行吸、放的重复过程，直到细胞的感兴趣的部分对准需要的角度。这种技术虽然具有三维旋转细胞的能力，但是系统结构复杂，成功率最高只能90％，对细胞并不是连续的旋转，吸、放过程费时。因为它涉及到使用视觉系统观察细胞的特征，对于视觉特征不明显的颗粒，通用性会很差。
本发明正是基于上述问题，而提出了一种基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置与一种基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置的控制方法。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置及其控制方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置。参照图1所示，该操作装置包括：绝缘基底(图中未示出)、多个周向电极(例如图中所示的周向电极201、周向电极202、周向电极203和周向电极204)和底部电极200。
其中，多个周向电极间隔开地设置在绝缘基底的上表面上，多个周向电极之间形成有类空腔结构。底部电极200设置在绝缘基底的上表面上且位于类空腔结构内，底部电极200在垂直于绝缘基底的上表面的方向上的高度低于多个周向电极的高度。需要说明的是，类空腔结构指上部敞开，四周可以有空隙，并不是全封闭式的空腔，其中，为了描述方便，参照图1所示，以下简称空腔100。在本发明的一个实施例中，底部电极在垂直于绝缘基底的上表面的方向上的高度低于多个周向电极的高度至少1μm。本发明实施例的操作装置可以解决对微小颗粒在空间上进行三维旋转的技术难题，实现三维旋转，更加有利于对微小颗粒的观察和操作，提高了实验的精确度，使实验结果更加精确。
在本发明的一个实施例中，多个周向电极沿与绝缘基底的上表面垂直的方向设置。具体地，在本发明的实施例中，本发明实施例的操作装置的最核心部分包括底部电极200和一系列绕底部电极周围布置的、比底部电极高的周向电极。底部电极200和周向电极必须在电气上绝缘，同时多个周向电极之间也必须在电气上绝缘。周向电极和底部电极200形成一个敞口的空腔100，置于此空腔100内的颗粒能够通过电极施加的电场实现三维旋转。其中，电极与外接电源相连，在空腔100内形成旋转电场。
具体地，在本发明的实施例中，本发明实施例的操作装置拥有一个敞开的空腔100，该空腔100提供了装置与颗粒交互的界面，在空腔100内的颗粒，在旋转电场作用下，实现三维旋转。进一步地，在本发明的一个实施例中，颗粒的尺度范围在微米到厘米级别，材料不限，类型不限，但是典型的类型包括微米珠(microbeads)、细胞、细胞内亚结构(cell organelles)、DNA、蛋白质、微小动物例如秀丽隐杆线虫等。另外，在本发明的实施例中，该操作装置可以在空气中使用，可以在真空中使用，可以完全浸没在溶液中使用。
进一步地，在本发明的一个实施例中，参照图1所示，多个周向电极可以为四个，且两两相对设置。另外，在本发明的一个实施例中，底部电极200可以为多个。
其中，在本发明的一个实施例中，每一个电极可以指的是一整块导电物质，如果多块导电物质通过导电介质或半导体相互连接在一起则也可以理解为指一个电极。其中，每一个电极的形状可以是规则或不规则的任意几何形状，且在每一个方向上的有效尺寸在1μm-10cm之间，以及电极与外接电源相连，在空腔100内形成旋转电场。进一步地，周向电极和底部电极200位于同一块绝缘基底即绝缘基底上，其中，绝缘基底可以是绝缘体，也可以是非绝缘体，可以是透明材料，也可以是非透明材料。另外，在本发明的一个实施例中，周向电极指包含有一定高度(1μm以上)的电极，周向电极在竖直方向上的外轮廓并非一定需要垂直于水平面，外轮廓形状可以是规则或不规则的任意几何形状，且周向电极的个数最少是两个，可以是三个、四个、一直到一百个，甚至更多。进一步地，在本发明的一个实施例中，底部电极200的形状可以是规则或不规则的任意几何形状，厚度从纳米级别到厘米级别，且底部电极200的个数最少是一个，也可以是多于一个即多个。需要注意的是，周向电极必须高于底部电极的上表面1μm以上。另外，在本发明的一个实施例中，电极材料可以是任意的导电物质，且底部电极200可以是透明材料，也可以是非透明材料。
在本发明的实施例中，本发明实施例在空间上布置至少2个周向电极和至少1个底部电极，且各电极必需通过适当的方式，例如相互分离、或者通过绝缘体连接等方式，实现相互绝缘，以便施加独立的互不影响的电压。另外，本发明实施例必需对电极组合施加合适的电压(包括电压的幅度、角频率和初相位)，以在腔体中产生旋转电场，通过旋转电场进而旋转在腔内的颗粒。此外，电极的几何形状和尺寸决定了腔内瞬时电场强度在空间上的分布，且为减小旋转中需要的电压幅度，电极的几何形状和尺寸可以通过建模仿真进行优化。进一步地，为获得更加精确的旋转角度，电极的数目也可以加以调整，通过建模仿真进行优化，并且为能控制旋转的速度，可以通过调整施加的电压幅度、角频率和初相位来实现。本发明实施例通过使用透明电极作为底部电极，可以允许使用者在显微镜下通过透射光观察颗粒来实现颗粒成像和操作，如果用户对底部电极的透明性没有要求，也可以使用非透明电极。
进一步地，本发明实施例可以在单一器件上，复用电极实现三轴旋转，且本发明实施例的腔体敞开，在实现x轴或y轴旋转时，并没有像传统技术那样需要使用上表面电极而形成封闭的腔体，这样就提供了一个无障碍的颗粒-腔体界面，大大便利了颗粒的装入，以及颗粒旋转中和完毕后的后续操作，特别是接触式操作。
进一步地，本发明实施例通过非接触方式来旋转颗粒，避免了对颗粒造成机械损伤，尤其是对结构精巧易变形的生物细胞三维旋转具有特别的优势。使用中，无需对颗粒添加任何附着物(如表面或内部连接磁珠)，既节省了成本，也控制了原材料消耗和对环境的影响。另外，本发明实施例结构简单，加工容易，使用方便，易于与现有的x-y-z位移台集成使用，构成完整的x-y-z位移和角度控制系统，成为一种通用性更强的基本的颗粒操作工具。
在本发明的一个具体实施例中，参照图1所示，本发明实施例的操作装置包括数个(本发明实施例以4个为例)周向电极和数个(本发明实施例以1个为例)底部电极。周向电极201、周向电极202、周向电极203和周向电极204之间互相绝缘，周向电极201、周向电极202、周向电极203、周向电极204和底部电极200也相互绝缘，电极之间形成一个敞口的腔，对颗粒的三维旋转即在此空腔100内实现。为实现颗粒绕z轴的旋转，在对各周向电极施加电压的同时，保持底部电极200的浮置，在腔内产生一个绕z轴的旋转电场，这个旋转电场将驱动颗粒在腔内绕z轴旋转，其中，某个电极浮置意味着该电极不与任何电压源连接。为实现颗粒绕x轴的旋转，对周向电极202和周向电极204以及底部电极200施加电压，保持其它电极的浮置，在腔内产生一个绕x轴的旋转电场，这个旋转电场将驱动颗粒在腔内绕x轴旋转。同理，为实现颗粒绕y轴的旋转，对周向电极201和2周向电极03以及底部电极200施加电压，保持其它电极的浮置，在腔内产生一个绕y轴的旋转电场，这个旋转电场将驱动颗粒在腔内绕y轴旋转。
进一步地，在本发明的实施例中，底部电极200、周向电极201、周向电极202、周向电极203、周向电极204的个数、形状、尺寸、材料和制作是可以按需调整、灵活使用的，整个器件的结构和制作也可以有多个变体。拥有个数更多的电极，可以实现更准确的角度控制。对电极施加交替直流电场，可以替代连续交流电场。此外，底部电极200、周向电极201、周向电极202、周向电极203、周向电极204的形状并不仅限于前述形状，可以是任何规则或不规则形状。本发明实施例限定电极在每一个方向上的有效尺寸在1μm-10cm。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置的制作方法。其中，制作的方式有很多种，下面举例一种简单实用的方法，以便于对本发明实施例提出的基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置进行理解。该制作方法单独制作周向电极和底部电极，然后把两部分装配到一起构成一个整体，以组成基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置。
具体地，在本发明的一个实施例中，参照图2所示，多个周向电极制作方法包括以下步骤：
S1，将一导电介质与一片非导电介质300紧密固定在一起，非导电介质300可以用有机玻璃(PMMA)、聚碳酸酯(简称PC)、塑料或树脂等。
S2，使用合适的加工工具，穿透导电介质及非导电介质300，在中心制作出一个空腔305，即图1所示的空腔100。
S3，在空腔305的四个角落处开始切割把整个导电介质切分成四块，形成四个单独的导电介质作为周向电极301、周向电极302、周向电极303、周向电极304，即为图1所述的周向电极201、周向电极202、周向电极203、周向电极204。
根据上述步骤制作完成周向电极。其中，各部件的实际尺寸并不按照图中比例。
进一步地，在本发明的一个实施例中，参照图3所示，底部电极200的制作方法包括以下步骤：
S11，将绝缘基底400洗净并干燥，绝缘基底400可选透明玻璃片。
S12，利用光刻加工方法在基底上形成一层透明导体401，如氧化铟锡(ITO)。
S13，在透明导体之上对应于底部电极之外的地方形成一层绝缘层402，如氧化锌(ZnO)。此绝缘层402也可以使用其它任何绝缘材料，只要把底部电极401即图1所示的底部电极200露出来即可，也就是在底部电极上方形成一个微腔403。
根据上述步骤制作完成底部电极，其中，各部件的实际尺寸并不按照图中比例。
进一步地，参照图4所示，把多个周向电极和底部电极401小心地对齐，以底部电极401匹配于四个周向电极中间为标准，并把多个周向电极和底部电极401两者紧密固定在一起。其中让孔腔305和微腔403对齐即可实现周向电极301、周向电极302、周向电极303、周向电极304与底部电极401绝缘。另外，对四个周向电极和底部电极401加上引脚，以便对电极施加外部电压。在使用操作装置时，可以把此装置完全或部分浸没于溶液中，或者置于空气中。通过适当的方式把颗粒装入器件腔体中，然后对电极施加外部电压，即可实现对颗粒的三维旋转。
根据本发明实施例提出的基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置，在绝缘基底的上表面上设置的多个周向电极和底部电极，从而基于介电泳原理，底部透明，上部敞开，电极高度集成复用，通过产生旋转电场实现颗粒绕三个正交轴的旋转，解决对微小颗粒在空间上进行三维旋转的技术难题，与颗粒无需机械式接触，属于非侵入式操作，更加有利于对微小颗粒的观察和操作，提高了实验的精确度，使实验结果更加精确。
下面参照附图描述根据上述发明实施例提出的基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置的控制方法。
图5为根据本发明实施例的基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置的控制方法的流程图。参照图5所示，该控制方法包括以下步骤：
S501，将微小颗粒装入类空腔结构中。
在本发明的实施例中，通过适当的方式把颗粒装入器件腔体中，且微小颗粒的尺度在微米到厘米级别，微小颗粒的类型包括微米珠、细胞、细胞内亚结构、DNA、蛋白质、微小动物。
S502，分别对多个周向电极中所有或者部分周向电极施加电压，并根据施加电压的周向电极控制底部电极保持浮置或者接地，以产生旋转电场实现对微小颗粒的三维旋转操作。
其中，在本发明的一个实施例中，该控制方法还包括：根据施加电压控制底部电极连接至直流恒压电源。
进一步地，在本发明的一个实施例中，底部电极在垂直于绝缘基底的上表面的方向上的高度低于多个周向电极的高度至少1μm。
进一步地，在本发明的一个实施例中，多个周向电极沿与绝缘基底的上表面垂直的方向设置。其中，周向电极为一整块导电物质或多块导电物质通过导电介质或半导体相互连接在一起，由多块导电物质形成周向电极时，周向电极之间在电气上绝缘。
进一步地，在本发明的一个实施例中，多个周向电极为四个，且两两相对设置。其中，周向电极的个数可以为2-100个，下面实施例以四个周向电极进行详细描述。
进一步地，在本发明的一个实施例中，底部电极为多个。其中，底部电极的个数至少为1个。另外，电极材料可以是任意的导电物质，底部电极可以是透明材料，也可以是非透明材料。
具体地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的控制方法对底部电极、周向电极施加的电压为交流电压或是直流电压。在实现绕z轴的旋转时，对周向电极同时施加交流电压或者对周向电极交替施加直流电压，保持底部电极浮置，在腔内产生绕z轴的旋转电场。其中，交流电压的振幅50V以下，角频率最高达到1010rad/s，各周向电极的初相位依次增加。为实现反方向的旋转，需要调整各周向电极的初相位使腔内产生反向的旋转电场。在实现绕y轴的旋转时，对以y-z平面对称的周向电极施加初相位不同的交流电压或交替施加直流电压，保持底部电极接地或者连接到直流恒压源，保持其它周向电极浮置，在腔内产生绕y轴的旋转电场。其中，交流电压的振幅50V以下，角频率最高达到1010rad/s。为实现反方向的旋转，需要调整各周向电极的初相位使腔内产生反向的旋转电场。在实现绕x轴的旋转时，对以x-z平面对称的周向电极施加初相位不同的交流电压或交替施加直流电压，保持底部电极接地或者连接到直流恒压源，保持其它周向电极浮置，在腔内产生绕x轴的旋转电场。其中，交流电压的振幅50V以下，角频率最高达到1010rad/s。为实现反方向的旋转，需要调整各周向电极的初相位使腔内产生反向的旋转电场。
其中，在本发明的实施例中，对周向电极和底部电极施加电压产生旋转电场，进而对在空腔内的颗粒产生三维旋转。该方法属于非接触式旋转，且无需给颗粒连接任何外来物质，也属于非侵入式旋转。对电极施加的电压可以是交流电压，也可以是直流电压，但是必须在空腔内产生三维旋转电场。对不同轴的旋转需要对不同的电极组合施加电压，并保持某些电极浮置。另外，通过调整输入电压实现对三轴中任一轴的正、反两方向的旋转。该方法在施加电压时旋转颗粒，停止施加电压后颗粒可停止旋转。
具体地，为实现对微小颗粒的三维旋转，如上所述，本发明实施例至少需要2个周向电极和1个底部电极。其中，电极的个数、形状可以随意，尺寸和材料也可以按需调整。图6为4个周向电极和1个底部电极的俯视图，参照图1和图6说明具体实施方式。
为实现绕z轴的某一方向上的旋转，周向电极201、周向电极202、周向电极203、周向电极204可交替施加直流电压或者连续施加交流电压Vi＝V0sin(ωt+Φi)(i＝1，2，3，4，对应于相邻电极的编号)。为了解释上的方便，本发明实施例通过对所有电极连续施加交流电压，且交流电压振幅(V0)和角频率(ω)相同。但是实际上具体实施中每个电极上的电压振幅和角频率也是可以有所差别的。V0的具体数值可根据旋转的目标速度来确定，取决于腔的大小、颗粒的物理特性、颗粒周围的介质等等诸多因素，一般可以在100V以下。角频率的范围很广，可以达到1010rad/s。初相位可以简单地取为Φi＝(i-1)π/2，也就是每两个相邻电极的初相位差别为π/2。这个值在具体实施中也是可以调整的。在实现绕z轴的旋转时，底部电极200保持浮置。参照图7所示，对四个电极施加交流电压时，在一个电压周期内，在四个电极内形成的腔内的中心点处可以明显观察到绕z轴旋转的电场，此电场会带动场内的颗粒旋转。
对同一颗粒绕z轴的另一方向上的旋转可以简单地仅仅通过交换周向电极202和周向电极204的初相位来实现，也就是交换周向电极202和周向电极204的交流电压源。
为实现颗粒绕y轴的某一方向上的旋转，周向电极201、周向203和底部电极200要施加电压，底部电极200接地或者接到一个直流源上，周向电极202、周向204此时浮置。周向电极201和周向203上的交流电压可分别为V0sin(ωt)和V0sin(ωt+π/2)。当然这两电极施加交流电场的初相位也可以是别的值，并非局限于这里的0和π/2。参照图8所示，为两个周向电极和底部电极200施加相应的电压时，在一个电压周期内，在四个电场内形成的腔内的中心点处可以明显观察到绕y轴旋转的电场，此电场会带动场内的颗粒旋转。
对同一颗粒绕y轴的另一方向上的旋转可以简单地仅仅交换周向电极201和周向电极203的初相位来实现，也就是交换周向电极201和周向电极203的交流电压源。
为实现颗粒绕x轴的某一方向上的旋转，周向电极202、周向204和底部电极200要施加电压，底部电极200接地或者接到一个直流源上，周向电极201、周向203此时浮置。周向电极202和周向204上的交流电压可分别为V0sin(ωt)和V0sin(ωt+π/2)。当然这两电极施加交流电场的初相位也可以是别的值，并非局限于这里的0和π/2。
对同一颗粒绕x轴的另一方向上的旋转可以简单地仅仅交换周向电极202和周向电极204的初相位来实现，也就是交换周向电极201和周向电极203的交流电压源。
在本发明的一个实施例中，参照图9所示，图9显示了对牛卵母细胞进行z轴旋转的实验效果。在实验中，周向电极的高度为500μm，腔体为正方形，边长为750μm，牛卵母细胞尺寸为120μm，器件和牛卵母细胞均浸没在溶液中，外加交流电压振幅在50V以下，角频率在30K-300000K rad/秒，细胞的旋转速度观察为6-150度/秒。其中，a为0秒时细胞所在角度。b为9秒时细胞所在角度。c为14秒时细胞所在角度。d为22秒时细胞所在角度。
根据本发明实施例提出的基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置的控制方法，在绝缘基底的上表面上设置的多个周向电极和底部电极，从而基于介电泳原理，底部透明，上部敞开，电极高度集成复用，通过产生旋转电场实现颗粒绕三个正交轴的旋转，解决对微小颗粒在空间上进行三维旋转的技术难题，与颗粒无需机械式接触，属于非侵入式操作，更加有利于对微小颗粒的观察和操作，提高了实验的精确度，使实验结果更加精确。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。另外，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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (11)

1.一种基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置，其特征在于，包括：
绝缘基底；
多个周向电极，所述多个周向电极间隔开地设置在所述绝缘基底的上表面上，所述多个周向电极之间形成有类空腔结构；以及
底部电极，所述底部电极设置在所述绝缘基底的上表面上且位于所述类空腔结构内，所述底部电极在垂直于所述绝缘基底的上表面的方向上的高度低于所述多个周向电极的高度。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述底部电极在垂直于所述绝缘基底的上表面的方向上的高度低于所述多个周向电极的高度至少1μm。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个周向电极沿与所述绝缘基底的上表面垂直的方向设置。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述多个周向电极为四个，且两两相对设置。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述底部电极为多个。
6.一种如权利要求1-5所述的基于介电泳的微小颗粒三维旋转的操作装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
将微小颗粒装入类空腔结构中；
分别对多个周向电极中所有或者部分周向电极施加电压，并根据施加电压的周向电极控制所述底部电极保持浮置或者接地，以产生旋转电场实现对所述微小颗粒的三维旋转操作。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：根据所述施加电压控制所述底部电极连接至直流恒压电源。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述底部电极在垂直于绝缘基底的上表面的方向上的高度低于所述多个周向电极的高度至少1μm。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述多个周向电极沿与所述绝缘基底的上表面垂直的方向设置。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述多个周向电极为四个，且两两相对设置。
11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述底部电极为多个。
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