CN105567550A - 基于水压的亚纳米级单细胞运动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水压的亚纳米级单细胞运动控制系统。支撑架垂直固定在工作台上，滑动尺安装在支撑架侧面，U形框架通过第三转接板固定在滑动尺的移动台上；U形框架内装有液体容器，其上盖两个螺纹转接头分别通过医用硅胶管连接二通阀，其下盖第三螺纹转接头连接到探针夹持器一端，另一端装有探针；探针夹持器卡在探针夹持器夹具的弹簧卡槽内，该夹具通过第一转接板固定到单轴亚纳米定位系统侧面，并通过第二转接板固定在三维微操平台上。本发明三轴精度~7nm，单轴行程20mm，细胞控制稳定，对活体细胞损伤小；单轴亚纳米定位系统闭环精度0.05纳米，行程12微米；用于单细胞精密运动控制并易于整合到基于单细胞微操的实验系统。

Description

基于水压的亚纳米级单细胞运动控制系统

技术领域

本发明涉及单细胞显微操作系统，尤其是涉及一种基于水压的亚纳米级单细胞运动控制系统。

背景技术

工程学与生物医学相结合可以解决很多传统生物学方法无法解决的问题，将工程领域研究问题的方法应用到生物学的研究当中是工程学与生物医学相结合的重要途径。随着近年来生物物理方法的发展，其中很多新颖、高效的方法已经渐渐成为了生物医学研究的重要工具。这些新兴的系统市场上往往没有集成的产品，而是用户根据需要将成型的子模块巧妙地整合到新系统中。

细胞运动的控制是很多生物力学领域研究方法的基础，完整的细胞运动的精密控制子系统却鲜有提及。由于细胞尺寸小，其运动控制要求精度高、响应快。目前市场上很少有成型的单细胞运动控制系统，尤其是作为子模块，可以简单、方便地整合进新系统的单细胞运动控制系统更加少见。

实现细胞运动的控制首先要抓取单个细胞并将其固定在探针尖端。目前应用较多的方法主要是用水压／气压系统形成负压产生吸力，将单细胞吸附在毛细微吸管尖端。考虑到很多单细胞实验都有防震动的要求，气泵的使用显然会对实验过程产生影响，因而水压控制吸取单个细胞适用性更强。细胞运动控制方面，细胞的小尺寸往往需要高倍物镜进行观察，而高倍物镜的视野通常很小，因而需要对细胞实现极为精确的纳米甚至亚纳米级别的操纵。因此，需要一种基于水压的亚纳米级单细胞运动控制系统。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于水压的亚纳米级单细胞运动控制系统。用滑动尺移动台的升降实现对水压的控制，进而控制抓取细胞的吸力，用纳米级微操平台对单细胞进行精确的三维控制，并用单轴亚纳米定位系统实现对细胞单轴运动的超精密控制。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

本发明包括探针，探针夹持器，探针夹持器夹具，第一转接板，单轴亚纳米定位系统，第二转接板，微操平台，滑动尺支撑架，滑动尺，第三转接板，U形框架，液体容器，三个螺纹转接头，两个鲁尔二通阀，注射器和三根医用硅胶管；滑动尺支撑架垂直固定在工作台上，滑动尺安装在滑动尺支撑架侧面，第三转接板固定在滑动尺的移动台上，U形框架底面固定在第三转接板上；U形框架内装有液体容器，液体容器用螺杆固定在U形框架内，液体容器上盖装有第一、第二螺纹转接头，第一、第二螺纹转接头分别与各自的医用硅胶管的一端连接，第一、第二医用硅胶管的另一端与各自的鲁尔二通阀连接，两个鲁尔二通阀的另一端都能连接注射器，液体容器下盖装有第三螺纹转接头，第三螺纹转接头与第三医用硅胶管的一端连接，第三医用硅胶管的另一端连接到探针夹持器的一端，探针夹持器的另一端装有探针；探针夹持器卡在探针夹持器夹具的弹簧卡槽内，探针夹持器夹具固定在第一转接板下端螺孔内，第一转接板上端连接到单轴亚纳米定位系统侧面，单轴亚纳米定位系统背面固定在第二转接板的表面，第二转接板固定在微操平台上。

所述探针夹持器型号为Narishige公司产品HI-7探针夹持器。

所述探针夹持器夹具型号为Narishige公司产品HIK-3探针夹持器夹具。

所述第一转接板下端设有均匀分布的螺纹孔，满足探针所需不同高度。

所述单轴亚纳米定位系统型号为PhysikInstrument公司产品P-753.1CD，行程12微米，闭环精度0.05纳米。

所述微操平台型号为为Sensapex三维微操平台。

所述滑动尺型号为Velmex公司产品A1512DE-S1.5快速移动线性平台。

本发明具有的有益效果是：

用滑动尺移动台的升降实现对水压的控制，进而控制抓取细胞的吸力，用纳米级微操平台对单细胞进行精确的三维控制，并用单轴亚纳米定位系统实现对细胞单轴运动的超精密控制。

本发明主要针对生命科学领域中单细胞精密运动控制问题，同时适用于单个微米颗粒的精密运动控制。用滑动尺移动台升降对水压进行精确控制从而实现对探针尖端吸力的控制进行取、放细胞或微米颗粒；用纳米级微操平台对单细胞或单个微米颗粒进行精确的三维控制，并用单轴亚纳米定位系统实现对细胞单轴运动的超精密控制，兼具以下优势：

1）单细胞操作简便，空间控制精度高且范围广（X，Y，Z三轴精度可达~7nm，控制范围~20mm），控制过程对活体细胞损伤小；

2）细胞控制稳定，水压压力控制精度高。（滑动尺精度0.05毫米）

3）运动控制精密，闭环精度达到0.05纳米。

4）Velmex公司产品A1512DE-S1.5快速移动线性平台操作简单直接，移动迅速，使该系统水压控制操作方便。

5）由于Sensapex微操平台三维尺寸小，节省载物台空间，易于整合到其他复杂实验系统。

附图说明

图1是是本发明的系统结构原理图。

图2是本发明水压通路的结构图。

图3是亚纳米级单细胞运动控制系统的结构图。

图4是本发明滑动尺支撑架的结构图。

图5是本发明U形框架的结构图。

图6是本发明第一转接板的结构图。

图7是本发明第二转接板的结构图。

图8是本发明第三转接板的结构图。

图9是本发明所涉及的滑动尺，即Velmex公司产品A1512DE-S1.5快速移动线性平台的结构图。

图中：1、探针，2、探针夹持器，3、探针夹持器夹具，4、第一转接板，5、单轴亚纳米定位系统，6、第二转接板，7、微操平台，8、滑动台支撑架，9、滑动尺，10、第三转接板，11、U形框架，12、液体容器，13、螺纹转接头。14、鲁尔二通阀，15、注射器，16、医用硅胶管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括探针1，探针夹持器2，探针夹持器夹具3，第一转接板4，单轴亚纳米定位系统5，第二转接板6，微操平台7，滑动尺支撑架8，滑动尺9，第三转接板10，U形框架11，液体容器12，三个螺纹转接头13，两个鲁尔二通阀14，注射器15和三根医用硅胶管16。

如图1、图2所示，滑动尺支撑架8垂直固定在工作台上，滑动尺9安装在滑动尺支撑架8侧面(如图4所示)，第三转接板10固定在滑动尺9的移动台上(如图8所示)，U形框架11底面固定在第三转接板10上(如图5所示)；U形框架11内装有液体容器12，液体容器12用螺杆固定在U形框架11内，液体容器12上盖装有第一、第二螺纹转接头13，第一、第二螺纹转接头13分别与各自的医用硅胶管16的一端连接，第一、第二医用硅胶管16的另一端与各自的鲁尔二通阀14连接，两个鲁尔二通阀14的另一端都能连接注射器15，液体容器12下盖装有第三螺纹转接头13，第三螺纹转接头13与第三医用硅胶管16的一端连接，第三医用硅胶管16的另一端连接到探针夹持器2的一端，探针夹持器2的另一端装有探针1；如图3所示，探针夹持器2卡在探针夹持器夹具3的弹簧卡槽内，探针夹持器夹具3固定在第一转接板4下端螺孔内(如图6所示)，第一转接板4上端连接到单轴亚纳米定位系统5侧面，单轴亚纳米定位系统5背面固定在第二转接板6的表面，第二转接板6通过螺孔固定在微操平台7上(如图7所示)。

所述探针夹持器2型号为Narishige公司产品HI-7探针夹持器。

所述探针夹持器夹具3型号为Narishige公司产品HIK-3探针夹持器夹具。

所述第一转接板4下端设有均匀分布的螺纹孔，满足探针所需不同高度。

所述单轴亚纳米定位系统5型号为PhysikInstrument(PI)公司产品P-753.1CD，行程12微米，闭环精度0.05纳米。其控制器为PhysikInstrument（PI）公司E753.1CD控制器，通过PI公司提供的控制软件PI-MICROMOVE进行控制，并可以根据用户需要，用不同编程语言编写程序整合进其他系统中。

所述微操平台7型号为为Sensapex三维微操平台。

所述滑动尺9型号为Velmex公司产品A1512DE-S1.5快速移动线性平台。

本发明的工作原理如下：

探针1根据用户需要口径进行开口处理，并将探针1中注满水；打开鲁尔二通阀14，使液体容器12内液体液面与大气压接通，通过手动控制滑动尺移动台移动开关的开、闭可以快速移动滑动尺移动台到指定高度（如图9所示）。装满水的液体容器12可以随滑动尺9的移动台上下移动，进而调整液体容器12内水面与探针1尖端的相对高度，从而通过对滑动尺9移动台高度的改变实现对探针1尖端产生的压力大小的控制。若液体容器12内液面高于探针1尖端则产生正压力，可将探针1尖端细胞吹出；若液体容器8内液面低于探针1尖端则产生负压力，可将探针1尖端附近细胞吸到探针尖端。将滑动台支撑架8固定在工作台上，通过鲁尔二通阀14向液体容器12内注水，同时取下探针夹持器2并抬高，利用连通器原理排空第三医用硅胶管内的气泡。取出探针1，将探针夹持器2放置在低于液体容器12内液面位置直至探针夹持器2尖端有连续液滴均匀留出，此时排空了液压通路中的气泡，可以通过对滑动尺9移动台高度的控制实现对探针尖端压力的控制。

在进行显微操作前需要对零压高度进行校正：调整滑动尺9移动台的高度即液体容器12的高度，同时观察探针1尖端附近悬浮细胞的运动趋势，直到尖端附近细胞既不靠近又不远离探针尖端，将此时滑动尺9移动台的位置即为零压力位置。

根据所需要的细胞运动轨迹编写单轴亚纳米定位系统5的控制程序；在进行实验时，调整显微镜准焦螺旋，使目标细胞清晰地出现在视野中；Sensapex三维微操平台7固定在显微镜载物台上，通过控制Sensapex三维微操平台7的三维移动将探针1尖端调整到焦平面的视野中间位置，找到目标细胞后将探针1尖端移动到细胞附近，调整滑动尺9移动台的高度，将细胞吸进探针1尖端。继续调滑动尺9移动台的高度，将吸住的细胞调整到理想形态。此时，启动程序，控制单轴亚纳米定位系统5，即可使所吸取的细胞以亚纳米级的精度按照所需轨迹运动；运动结束后，调整滑动尺9移动台的高度，将探针1尖端细胞释放，之后可以另外吸取细胞重复实验。

当需要向液体容器12中加水时，将两个鲁尔二通阀14均处于打开状态，用注射器15连通其中一个鲁尔二通阀的另一端，即可向其中注水。

当探针1尖端被异物堵住时，可以将其中一个鲁尔二通阀14关闭，用注射器15接通另外一个鲁尔二通阀14，将注射器15中的空气压入，向水压系统中提供额外正压力，帮助排出探针1尖端的异物。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于水压的亚纳米级单细胞运动控制系统，其特征在于：包括探针(1)，探针夹持器(2)，探针夹持器夹具(3)，第一转接板(4)，单轴亚纳米定位系统(5)，第二转接板(6)，微操平台(7)，滑动尺支撑架(8)，滑动尺(9)，第三转接板(10)，U形框架(11)，液体容器(12)，三个螺纹转接头，两个鲁尔二通阀，注射器(15)和三根医用硅胶管；滑动尺支撑架(8)垂直固定在工作台上，滑动尺(9)安装在滑动尺支撑架(8)侧面，第三转接板(10)固定在滑动尺(9)的移动台上，U形框架(11)底面固定在第三转接板(10)上；U形框架(11)内装有液体容器(12)，液体容器(12)用螺杆固定在U形框架(11)内，液体容器(12)上盖装有第一、第二螺纹转接头，第一、第二螺纹转接头分别与各自的医用硅胶管的一端连接，第一、第二医用硅胶管的另一端与各自的鲁尔二通阀连接，两个鲁尔二通阀的另一端都能连接注射器(15)，液体容器(12)下盖装有第三螺纹转接头，第三螺纹转接头与第三医用硅胶管的一端连接，第三医用硅胶管的另一端连接到探针夹持器(2)的一端，探针夹持器(2)的另一端装有探针(1)；探针夹持器(2)卡在探针夹持器夹具(3)的弹簧卡槽内，探针夹持器夹具(3)固定在第一转接板(4)下端螺孔内，第一转接板(4)上端连接到单轴亚纳米定位系统(5)侧面，单轴亚纳米定位系统(5)背面固定在第二转接板(6)的表面，第二转接板(6)通过螺孔固定在微操平台(7)上。

2.根据权利要求1所述的一种基于水压的亚纳米级单细胞运动控制系统，其特征在于：所述探针夹持器(2)型号为Narishige公司产品HI-7探针夹持器。

3.根据权利要求1所述的一种基于水压的亚纳米级单细胞运动控制系统，其特征在于：所述探针夹持器夹具(3)型号为Narishige公司产品HIK-3探针夹持器夹具。

4.根据权利要求1所述的一种基于水压的亚纳米级单细胞运动控制系统，其特征在于：所述第一转接板(4)下端设有均匀分布的螺纹孔，满足探针所需不同高度。

5.根据权利要求1所述的一种基于水压的亚纳米级单细胞运动控制系统，其特征在于：所述单轴亚纳米定位系统(5)型号为PhysikInstrument公司产品P-753.1CD，行程12微米，闭环精度0.05纳米。

6.根据权利要求1所述的一种基于水压的亚纳米级单细胞运动控制系统，其特征在于：所述微操平台(7)型号为为Sensapex三维微操平台。

7.根据权利要求1所述的一种基于水压的亚纳米级单细胞运动控制系统，其特征在于：所述滑动尺(9)型号为Velmex公司产品A1512DE-S1.5快速移动线性平台。