CN104990665A - 具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法及实现该方法的装置 - Google Patents
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Abstract
具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法及实现该方法的装置,涉及微/纳颗粒操作技术。它为了解决现有基于毛细力的微/纳颗粒转移方法无法实现毛细力检测的问题。本发明首先在微/纳颗粒待释放位置分配一滴操作液滴;利用具有微力传感功能的操作探针蘸取液滴,将操作探针移动至微/纳颗粒上方,依靠拾取液滴的毛细力实现微/纳颗粒的拾取;将操作探针移动至待释放位置,利用释放液滴的毛细力实现微/纳颗粒的释放。本发明能够实时检测微/纳颗粒转移过程中的液桥毛细力,精度为nN量级;毛细力和液滴的自校准特点可实现微/纳颗粒的可靠释放;通过控制探针蘸取液滴的速度和改变末端执行器的结构形态可以创造合适的液滴操作条件。
Description
技术领域
本发明涉及微/纳颗粒操作技术,具体涉及具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移技术。
背景技术
随着微对象特征尺寸的逐渐减小,尺寸效应和表面效应越来越显著,粘着力相对重力将逐渐占据主导位置。基于液滴的毛细力微/纳颗粒转移方法具有特有的柔顺性,可以适应结构复杂的微对象,避免传统机械夹持产生的应力集中,并实现微/纳颗粒释放中的自校准。现有毛细力操作工具不具有微力检测功能,无法实时检测微/纳颗粒转移过程中的动态毛细力。此外,微/纳颗粒特征尺寸的进一步减小,微/纳颗粒容易粘着在探针的末端不能顺利脱落,对微/纳颗粒转移的可靠性和释放精度提出了更高的要求。具有微力传感功能的可靠微/纳颗粒柔顺转移方法依旧是微/纳操作技术的研究重点。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有基于毛细力的微/纳颗粒转移方法无法实现毛细力检测,导致无法对微/纳颗粒转移过程受力情况进行分析,无法实现闭环控制的问题,提供一种具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法及实现该方法的装置。
本发明所述的具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法包括以下步骤:
步骤一:在微/纳颗粒待释放位置分配一液滴,该液滴定义为操作液滴;
步骤二:将具有微力传感功能的操作探针移动至操作液滴上方,并与操作液滴接触,控制操作探针的接触深度及分离速度,以获取微/纳颗粒转移所需的拾取液滴,微/纳颗粒待释放位置剩余的液滴定义为释放液滴;
步骤三:将操作探针移动至微/纳颗粒的上方,依靠拾取液滴的毛细力实现微/纳颗粒的拾取;
步骤四:将操作探针移动至待释放位置,利用释放液滴的毛细力实现微/纳颗粒的释放,至此,完成微/纳颗粒的转移过程。
在操作探针的末端集成微执行器,以改变液桥的接触形态和控制操作液滴与释放液滴的体积比。
实现上述具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法的装置包括三轴精密电动位移平台、一号三轴显微镜平台、一号光学显微镜、具有微力传感功能的操作探针、操作基底、二号光学显微镜、二号三轴显微镜平台、连接底板和隔振台;
隔振台位于水平面上,连接底板固定在隔振台上;
三轴精密电动位移平台固定在连接底板上;
一号三轴显微镜平台固定在三轴精密电动位移平台上;
一号光学显微镜和操作探针均固定在一号三轴显微镜平台上;
操作基底固定在连接底板上,且操作基底位于操作探针下方;
二号三轴显微镜平台固定在连接底板上;
二号光学显微镜固定在二号三轴显微镜平台;
一号光学显微镜与二号光学显微镜均用于沿水平方向观察操作探针,且一号光学显微镜与二号光学显微镜互相垂直。
基于液滴毛细力的微/纳颗粒转移方法,不仅要实现微/纳颗粒的拾取和释放,还要对整个转移过程进行分析,例如拾取和释放微/纳颗粒的毛细力的阈值等等,后续还要对微/纳颗粒转移过程实现自动化闭环控制,因而对微/纳颗粒的整个转移过程中毛细力的监测是必不可少的。微/纳颗粒属于微观领域,常规的宏观力的监测手段均不适用。能够检测微力的常规手段有激光测力和压阻式传感器等,而激光微力测量不利于集成在微/纳颗粒转移系统中,无法对本发明动态操作过程中的力进行实时检测,压阻式传感器侧重检测法向力,而本发明需要检测的是沿操作探针长度方向的轴向力,因而也不适用。本发明采用一种基于电容测量原理的操作探针,并在操作探针末端集成不同形态的微执行器,该探针使用方便,只需要接入外围采集电路即可实现动态过程中微力的实时检测,可以根据获得的检测数据来控制探针,提高拾取和释放的成功率,也为整个过程的分析和将来实现闭环控制提供必要的理论依据。不同形态的末端微执行器为操作液滴的获取提供重要的结构基础。
本发明所述的方法及装置,能够进行微米级对象拾取-转移-释放操作任务,操作外形尺寸为20-100μm的微球对象;测试实验表明,具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法及装置能够实现微球颗粒的柔顺拾取及可靠释放,且能够实时反馈操作进程中的动态毛细力。
本发明的有益效果是:一、能够实时检测微/纳颗粒转移过程中的液桥毛细作用力,解决毛细力操作进程中的微力检测问题,检测精度能够达到nN量级;二、利用辅助液滴的毛细力和自校准特点可实现微/纳颗粒的可靠释放;三、通过控制操作探针蘸取液滴的速度,可控制操作液滴的获取,创造合适的液滴操作条件。
本发明适用于生物工程、机械工程及微机电系统等领域。
附图说明
图1为实施方式三中的毛细微力变化曲线图;
图2为实施方式五所述的实现具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法的装置的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式所述的具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法包括以下步骤:
步骤一:在微/纳颗粒待释放位置分配一液滴,该液滴定义为操作液滴;
步骤二:将具有微力传感功能的操作探针移动至操作液滴上方,并与操作液滴接触,控制操作探针的接触深度及分离速度,以获取微/纳颗粒转移所需的拾取液滴,微/纳颗粒待释放位置剩余的液滴定义为释放液滴;
步骤三:将操作探针移动至微/纳颗粒的上方,依靠拾取液滴的毛细力实现微/纳颗粒的拾取;
步骤四:将操作探针移动至待释放位置,利用释放液滴的毛细力实现微/纳颗粒的释放,至此,完成微/纳颗粒的转移过程。
本实施方式提供了一种具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法,首先在微/纳颗粒的待释放位置分配一滴操作液滴;控制操作探针使其移动至操作液滴上方,使操作探针的末端与操作液滴接触,当操作探针与操作液滴分离后,操作探针末端便留下用来获取微/纳颗粒转移所需的拾取液滴;然后控制操作探针使其移动至微/纳颗粒的上方,微/纳颗粒因拾取液滴的毛细力的作用而粘附在操作探针上;控制操作探针使其移动至待释放位置,释放液滴对微/纳颗粒的毛细力大于拾取液滴对微/纳颗粒的毛细力,微/纳颗粒由操作探针的末端转移至待释放位置的释放液滴处,至此,完成微/纳颗粒的转移过程。步骤一中的在待释放位置分配的液滴,其尺寸与待移动的微/纳颗粒尺寸相当,既能够保证获取拾取液滴后,剩余的释放液滴对微/纳颗粒的吸附力足够大,又能够保证微/纳颗粒释放后不被释放液滴淹没。
该方法利一方面用具有微力传感功能的操作探针作为毛细力操作工具,可实现操作进程中动态毛细力的实时获取,通过监测毛细力来判断微/纳颗粒是否被成功拾取或释放,监测的毛细力数据可用来对拾取和释放过程进行分析,进一步实现拾取和释放的闭环控制,为分析过程和实现自动控制提供必要的数据;另一方面控制操作探针与液滴的接触深度和分离速度,可获取微/纳颗粒拾取所需的拾取液滴;最后,液滴辅助的微/纳颗粒释放方法,能够实现操作颗粒的柔顺释放,且液滴自校准功能能够确保微/纳颗粒的释放位置严格位于释放液滴处,提高释放精度。
具体实施方式二:本实施方式是对实施方式一所述的具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法的进一步限定,本实施方式中,在操作探针的末端集成微执行器,以改变液桥的接触形态和控制操作液滴与释放液滴的体积比。
所述的微执行器可以为球形粒子、圆锥、幂律曲面等不同形态的结构,不同结构形态的微执行器不仅可以改变液桥的接触形态(对应不同的液桥毛细力),相应的也可以控制操作液滴获取后的体积比。
具体实施方式三:结合图1说明本实施方式,本实施方式是对实施方式一所述的具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法的具体应用,本实施方式以直径为20μm-100μm的微球粒子即微/纳颗粒作为操作对象,采用精密电动位移平台控制操作探针移动。
步骤一:在待释放位置提前分配一滴操作液滴,与直径为20μm-100μm的微球粒子相对应的操作液滴的体积为0.1nL-0.73nL。
步骤二:调节精密电动位移平台,使操作探针的轴线与所分配的操作液滴的轴线对准,并以40μm/s左右的速度向操作液滴高速移动;当操作探针接与操作液滴接近后,转为0.25μm/s的低速运动,直至与操作液滴接触。
操作探针末端与操作液滴接触后形成液桥,等待液桥稳定后,操作探针在精密电动位移平台的驱动下反方向运动,即向上运动,直至拉断液桥,最终完成探针末端微量液体的获取操作。控制提升速度可控制操作探针末端获取的拾取液滴和操作液滴的比例,提升速度越大,获取的拾取液滴越小,剩余的释放液滴越大。提升速度在25μm/s到0.25μm/s变化时,释放液滴体积占操作液滴的比例约为30%到50%。
步骤三:调节精密电动位移平台,使获取拾取液滴的操作探针移动至微米级的微球粒子上方,并与微球粒子接触,依靠接触后形成液桥的毛细力实现微球粒子的拾取。
步骤四:调节密电动位移平台移动拾取后的微粒子至待释放位置,依靠释放液滴的毛细力实现释放。在该操作尺度范围内,释放液滴的体积越小,其毛细力越大。因控制速度后释放液滴体积所占操作液滴的比例约为30%到50%,小于操作探针末端拾取液滴的体积,可实现稳定可靠的释放。释放液滴的自校准功能可控制其定位精度在0.5μm左右。
微/纳颗粒转移过程中,操作探针对毛细力进行实时检测,获得的毛细微力变化曲线如图1所示,对于直径为20μm-100μm的微球粒子,拾取的毛细力的阈值为3μN左右。
具体实施方式四:本实施方式是实现实施方式一所述的具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法的装置包括三轴精密电动位移平台1、一号三轴显微镜平台2、一号光学显微镜4、具有微力传感功能的操作探针7、操作基底8、二号光学显微镜10、二号三轴显微镜平台12、连接底板14和隔振台15;
隔振台15位于水平面上,连接底板14固定在隔振台15上;
三轴精密电动位移平台1固定在连接底板14上;
一号三轴显微镜平台2固定在三轴精密电动位移平台1上;
一号光学显微镜4和操作探针7均固定在一号三轴显微镜平台2上;
操作基底8固定在连接底板14上,且操作基底8位于操作探针7下方;
二号三轴显微镜平台12固定在连接底板14上;
二号光学显微镜10固定在二号三轴显微镜平台12;
一号光学显微镜4与二号光学显微镜10均用于沿水平方向观察操作探针7,且一号光学显微镜4与二号光学显微镜10互相垂直。
本实施方式提供了一种能够实现具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法的装置,该装置根据实施方式一所述的具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法的原理,采用三轴精密电动位移平台1和一号三轴显微镜平台2对操作探针7进行控制,操作液滴和待移动的微/纳颗粒均位于操作基底8上,一号光学显微镜4和二号光学显微镜10实时反馈操作进程中的位置信息。连接底板14固定在隔振台15上,能够有效消除环境振动产生的影响。具有微力传感功能的操作探针7对操作过程中的毛细微力进行监测。
具体实施方式五:结合图2说明本实施方式,本实施方式是对实施方式四所述的实现具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法的装置的进一步限定,本实施方式中,一号光学显微镜4通过一号显微镜夹具3固定在一号三轴显微镜平台2上,一号三轴显微镜平台2通过转接板5的一端固定在三轴精密电动位移平台1上;
二号光学显微镜10通过二号显微镜夹具11固定在二号三轴显微镜平台12上,该二号三轴显微镜平台12通过连接底座13固定在连接底板14上;
操作基底8通过基底底座9固定在连接底板14上;
操作探针7通过连接件6固定在转接板5的另一端。
本实施方式对实施方式四所述的装置进步优化,对显微镜和操作探针7增加了连接部件,转接板5为“Z”形,且两端较长,操作探针7固定在连接件6上,该连接件6固定在转接板5的一端,转接板5的另一端用来连接三轴精密电动位移平台1和一号三轴显微镜平台2;一号光学显微镜4固定在一号显微镜夹具3,一号显微镜夹具3固定在一号三轴显微镜平台2上;二号光学显微镜10固定在二号显微镜夹具11上,二号显微镜夹具11固定在二号三轴显微镜平台12上,二号三轴显微镜平台12固定在连接底座13上,连接底座13固定在连接底板14上。增加的连接部件能够使整个装置结构布局更合理,便于微/纳颗粒转移的操作。
具体实施方式六:本实施方式是对实施方式四所述的实现具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法的装置的进一步限定,本实施方式中,在操作探针的末端集成微执行器。
所述的微执行器可以为球形粒子、圆锥、幂律曲面等不同形态的结构,不同形态的微执行器不仅可以改变液桥的接触形态(对应不同的液桥毛细力),相应的也可以控制操作液滴获取后的体积比。
具体实施方式七:本实施方式是对实施方式四所述的实现具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法的装置的进一步限定,本实施方式中,所述一号光学显微镜4和二号光学显微镜10均为CCD显微镜。
Claims (6)
1.具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤一:在微/纳颗粒待释放位置分配一液滴,该液滴定义为操作液滴;
步骤二:将具有微力传感功能的操作探针移动至操作液滴上方,并与操作液滴接触,控制操作探针的接触深度及分离速度,以获取微/纳颗粒转移所需的拾取液滴,微/纳颗粒待释放位置剩余的液滴定义为释放液滴;
步骤三:将操作探针移动至微/纳颗粒的上方,依靠拾取液滴的毛细力实现微/纳颗粒的拾取;
步骤四:将操作探针移动至待释放位置,利用释放液滴的毛细力实现微/纳颗粒的释放,至此,完成微/纳颗粒的转移过程。
2.根据权利要求1所述的具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法,其特征在于,在操作探针的末端集成微执行器,以改变液桥的接触形态和控制操作液滴与释放液滴的体积比。
3.实现权利要求1所述的具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法的装置,其特征在于,它包括三轴精密电动位移平台(1)、一号三轴显微镜平台(2)、一号光学显微镜(4)、具有微力传感功能的操作探针(7)、操作基底(8)、二号光学显微镜(10)、二号三轴显微镜平台(12)、连接底板(14)和隔振台(15);
隔振台(15)位于水平面上,连接底板(14)固定在隔振台(15)上;
三轴精密电动位移平台(1)固定在连接底板(14)上;
一号三轴显微镜平台(2)固定在三轴精密电动位移平台(1)上;
一号光学显微镜(4)和操作探针(7)均固定在一号三轴显微镜平台(2)上;
操作基底(8)固定在连接底板(14)上,且操作基底(8)位于操作探针(7)下方;
二号三轴显微镜平台(12)固定在连接底板(14)上;
二号光学显微镜(10)固定在二号三轴显微镜平台(12);
一号光学显微镜(4)与二号光学显微镜(10)均用于沿水平方向观察操作探针(7),且一号光学显微镜(4)与二号光学显微镜(10)互相垂直。
4.根据权利要求3所述的实现具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法的装置,其特征在于,一号光学显微镜(4)通过一号显微镜夹具(3)固定在一号三轴显微镜平台(2)上,一号三轴显微镜平台(2)通过转接板(5)的一端固定在三轴精密电动位移平台(1)上;
二号光学显微镜(10)通过二号显微镜夹具(11)固定在二号三轴显微镜平台(12)上,该二号三轴显微镜平台(12)通过连接底座(13)固定在连接底板(14)上;
操作基底(8)通过基底底座(9)固定在连接底板(14)上;
操作探针(7)通过连接件(6)固定在转接板(5)的另一端。
5.根据权利要求3所述的实现具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法的装置,其特征在于,在操作探针的末端集成微执行结构。
6.根据权利要求3所述的实现具有微力传感和液滴自校准功能的微/纳颗粒转移方法的装置,其特征在于,所述一号光学显微镜(4)和二号光学显微镜(10)均为CCD显微镜。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20151021 |