CN110308041B - 一种微纳压缩装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物科学技术领域，一种微纳压缩装置，包括光学显微镜、玻璃基片、金属箔、填充层、微压缩器、进液管、液体入口、出液管、液体出口、保护层、电磁体I、电磁体II、电压源和电缆，压缩实验材料有高分子小球、大分子样品、磁性小球和液体，微压缩器包括金属探针I、金属探针II、微通道I、微通道II、压缩通道、端口I、端口II、端口III和端口IV，光学显微镜位于玻璃基片下方的10厘米位置，将微流体结构与磁力相结合，用于对有限空间内的生物目标施加压缩力，在受到压缩的过程中样品位置相对局域，压缩效果好，且压力施加的环境与生物样品的原始生存环境相似，并能够采用现有的商用光学显微镜来监控压缩过程，不会造成样品变质。
Description
技术领域
本发明涉及生物科学技术领域，尤其是一种用于对有限空间内的生物目标施加压缩力并观测其反应的一种微纳压缩装置。
背景技术
近些年，在分子尺度上研究生物细胞对外界压力刺激的反应变得越来越重要，一般现有技术采用接触式探针技术如微压板、微纳压痕技术、原子力显微镜等，对位于衬底上的生物样品施加单方向的力，其缺点是会导致样品在不受压的方向移动，影响压缩效果，另一些现有技术采用光学阱操纵位于微流体通道内的小球，来对样品施加压缩力，其采用激光来产生力，但是，由于激光产生的局域的热量会使得样品温度上升，破坏生物样品的原始生存环境，因此无法采用较大功率的激光，导致施加到样品上的压缩力有限，所述一种微纳压缩装置能够解决问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明装置结合了微流体控制与磁力，用于对有限空间内的生物样品施加压缩力，并能够采用现有的商用光学显微镜来监控压缩过程。
本发明所采用的技术方案是：
所述一种微纳压缩装置包括光学显微镜、玻璃基片、金属箔、填充层、微压缩器、进液管、液体入口、出液管、液体出口、保护层、电磁体I、电磁体II、电压源和电缆，xyz为三维坐标系，压缩实验材料有高分子小球、大分子样品、磁性小球和液体，微压缩器包括金属探针I、金属探针II、微通道I、微通道II、压缩通道、端口I、端口II、端口III和端口IV；玻璃基片上面的中间位置连接有微压缩器、两侧位置均沉积有厚度为500微米的金属箔，玻璃基片上面高度为500微米的其余空间是填充层，填充层完全覆盖微压缩器，液体入口通过进液管连接微压缩器的端口II，液体出口通过出液管连接微压缩器的端口III，电磁体I和电磁体II分别固定于两金属箔上面，填充层、进液管、液体入口、出液管和液体出口上方覆盖有保护层，光学显微镜位于玻璃基片下方的10厘米位置，用于观测微压缩器；微压缩器由一块硅片基底以及上面的微纳结构组成，微通道I、微通道II和压缩通道均为微流体通道，微通道I的两端分别具有端口I和端口III，微通道II的两端分别具有端口II和端口IV，端口I和端口IV为密封，微通道I和微通道II之间具有若干相互平行的压缩通道，相邻压缩通道的间隔为4微米，各压缩通道的两端均分别与微通道I和微通道II连通，各压缩通道深度均为4微米、宽度根据液体流动z负方向均从4微米突变为2微米，宽度为4微米的该段长为80微米，宽度为2微米的该段长为20微米；金属探针I和金属探针II均为三个一组的金属电极，每个金属电极的末端均为针尖状，金属探针I距离微通道I为30微米，金属探针II距离微通道II为30微米；电压源通过电缆能够分别对金属探针I和金属探针II施加电压，电压源通过电缆能够分别对电磁体I和电磁体II施加电压以产生磁场，所述磁场在压缩通道位置为磁力线沿z方向的均匀磁场，磁场强度为4000高斯，磁场覆盖微压缩器区域；高分子小球、大分子样品和磁性小球能够通过液体入口分别被注入微通道II、压缩通道内；填充层为硅氧烷材料；微通道I和微通道II均是长度为1毫米、宽度为120微米、深度为60微米，均由聚甲基丙烯酸甲酯材料微加工而成；压缩通道通过光刻方法在硅片基底上加工而成，每条压缩通道的长度均为100微米；金属探针I和金属探针II的厚度均为120微米，每个金属电极末端针尖状的曲率半径为100微米；高分子小球的直径为3微米并由聚苯乙烯材料制成；磁性小球的直径为3.5微米并由铁磁性材料制成，磁导率为0.01H/m。
采用所述一种微纳压缩装置对生物大分子进行压缩的步骤为：
步骤一，采用光学显微镜观测微压缩器中的压缩通道内情况；
步骤二，从液体入口向微通道II内注入包含高分子小球的液体，每微升液体中包含10000个高分子小球，液体流速为0.3微升/小时，直到大多数压缩通道内都具有一个高分子小球；
步骤三，从液体入口注入包含大分子样品的液体，液体中大分子样品的浓度为0.01mM，液体流速为0.1微升/小时，直到80％的压缩通道都具有大分子样品；
步骤四，从液体入口注入包含磁性小球的液体，每微升液体中包含6000个磁性小球，液体流速为0.1微升/小时，直到80％的压缩通道都具有磁性小球；
步骤五，关闭液体入口和液体出口；
步骤六，电压源分别对电磁体I和电磁体II施加电压，以使得电磁体I和电磁体II产生磁场，电压源分别对金属探针I和金属探针II施加电压，以对金属探针I和金属探针II之间的区域的磁场强度进行微调；
步骤七，压缩通道内的磁性小球受到磁力的作用而向压缩通道内的高分子小球一侧运动，同时对压缩通道内的大分子样品进行压缩；
步骤八，记录光学显微镜观测得到的大分子样品受压缩后的图像特征，并进行分析。
本发明的有益效果是：
本发明装置能够在有限空间内对生物样品施加压缩力，在受到压缩的过程中样品位置相对局域，压缩效果好，且压力施加的环境与生物样品的原始生存环境相似，不会造成样品变质。
附图说明
下面结合本发明的图形进一步说明：
图1是本发明示意图；
图2是微压缩器的俯视放大示意图；
图3是一个压缩通道的对生物大分子进行压缩过程中的放大示意图。
图中，1.光学显微镜，2.玻璃基片，3.金属箔，4.填充层，5.微压缩器，5-1.金属探针I，5-2.金属探针II，5-3.微通道I，5-4.微通道II，5-5.压缩通道，5-6.端口I，5-7.端口II，5-8.端口III，5-9.端口IV，6.进液管，7.液体入口，8.出液管，9.液体出口，10.保护层，11.电磁体I，12.电磁体II，13.高分子小球，14.大分子样品，15.磁性小球。
具体实施方式
如图1是本发明示意图，包括光学显微镜1、玻璃基片2、金属箔3、填充层4、微压缩器5、进液管6、液体入口7、出液管8、液体出口9、保护层10、电磁体I11、电磁体II12、电压源和电缆，xyz为三维坐标系，压缩实验材料有高分子小球13、大分子样品14、磁性小球15和液体，玻璃基片2上面的中间位置连接有微压缩器5、两侧位置均沉积有厚度为500微米的金属箔3，玻璃基片2上面高度为500微米的其余空间是填充层4，填充层4完全覆盖微压缩器5，填充层4为硅氧烷材料；液体入口7通过进液管6连接微压缩器5的端口II5-7，液体出口9通过出液管8连接微压缩器5的端口III5-8，电磁体I11和电磁体II12分别固定于两侧的金属箔3上面，填充层4、进液管6、液体入口7、出液管8和液体出口9上方覆盖有保护层10，光学显微镜1位于玻璃基片2下方的10厘米位置，用于观测微压缩器5。
如图2是微压缩器的俯视放大示意图，微压缩器5包括金属探针I5-1、金属探针II5-2、微通道I5-3、微通道II5-4、压缩通道5-5、端口I5-6、端口II5-7、端口III5-8和端口IV5-9，微压缩器5由一块硅片基底以及上面的微纳结构组成，微通道I5-3、微通道II5-4和压缩通道5-5均为微流体通道，微通道I5-3和微通道II5-4均是长度为1毫米、宽度为120微米、深度为60微米，均由聚甲基丙烯酸甲酯材料微加工而成，微通道I5-3的两端分别具有端口I5-6和端口III5-8，微通道II5-4的两端分别具有端口II5-7和端口IV5-9，端口I5-6和端口IV5-9为密封，微通道I5-3和微通道II5-4之间具有若干相互平行的压缩通道5-5，相邻压缩通道5-5的间隔为4微米，压缩通道5-5通过光刻方法在硅片基底上加工而成，每条压缩通道5-5的长度均为100微米，各压缩通道5-5的两端均分别与微通道I5-3和微通道II5-4连通，各压缩通道5-5深度均为4微米、宽度根据液体流动z负方向均从4微米突变为2微米，宽度为4微米的该段长为80微米，宽度为2微米的该段长为20微米，宽度为4微米段与微通道II5-4连通，宽度为2微米段与微通道I5-3连通；金属探针I5-1和金属探针II5-2均为三个一组的金属电极，每个金属电极的末端均为针尖状，金属探针I5-1和金属探针II5-2的厚度均为120微米，每个金属电极末端针尖状的曲率半径为100微米，金属探针I5-1距离微通道I5-3为30微米，金属探针II5-2距离微通道II5-4为30微米；电压源通过电缆能够分别对金属探针I5-1和金属探针II5-2施加电压，电压源通过电缆能够分别对电磁体I11和电磁体II12施加电压以产生磁场，所述磁场在压缩通道5-5位置为磁力线沿z方向的均匀磁场，磁场强度为4000高斯，磁场覆盖微压缩器5区域；高分子小球13、大分子样品14和磁性小球15能够通过液体入口7分别被注入微通道II5-4、压缩通道5-5内。
如图3是一个压缩通道的对生物大分子进行压缩过程中的放大示意图，采用光学显微镜1能够观测微压缩器5中的压缩通道5-5内情况，高分子小球13的直径为3微米并由聚苯乙烯材料制成，磁性小球15的直径为3.5微米并由铁磁性材料制成，磁导率为0.01H/m，从液体入口7向微通道II5-4内注入包含高分子小球13的液体，液体流速为0.3微升/小时，由于端口I5-6和端口IV5-9为密封，包含高分子小球13的液体的流动路径为微通道II5-4、压缩通道5-5、微通道I5-3、端口III5-8、出液管8和液体出口9，高分子小球13在随着液体流动进入某一个压缩通道5-5内后，会被压缩通道5-5与微通道I5-3连接的一段阻挡，从而被囚禁在压缩通道5-5中，使得该压缩通道5-5内的液体流速下降，因此，液体中的其他高分子小球13较难进入该压缩通道5-5内；当大多数压缩通道5-5内都具有一个高分子小球13后，从液体入口7注入包含大分子样品14的液体，液体流速为0.1微升/小时，使得大多数压缩通道5-5都具有大分子样品14；从液体入口7注入包含磁性小球15的液体，液体流速为0.1微升/小时，直到大多数压缩通道5-5都具磁性小球15，关闭液体入口7和液体出口9；电压源分别对电磁体I11和电磁体II12施加电压，以使得电磁体I11和电磁体II12产生磁场，所述磁场覆盖微压缩器5区域，金属探针I5-1和金属探针II中的金属电极末端的针尖状结构能够使得附近区域产生较高的磁场梯度，电压源分别对金属探针I5-1和金属探针II5-2施加电压，能够对金属探针I5-1和金属探针II之间的区域的磁场强度进行微调，使得压缩通道5-5内的磁性小球15受到磁力的作用而向压缩通道5-5内的高分子小球13一侧运动，同时对压缩通道5-5内的大分子样品14进行压缩，在某些压缩通道5-5内可能会有两个或更多的磁性小球15，因此，在同样的磁场条件下，这些压缩通道5-5内的大分子样品14受到的压缩力会更大。
所述一种微纳压缩装置包括光学显微镜1、玻璃基片2、金属箔3、填充层4、微压缩器5、进液管6、液体入口7、出液管8、液体出口9、保护层10、电磁体I11、电磁体II12、电压源和电缆，xyz为三维坐标系，压缩实验材料有高分子小球13、大分子样品14、磁性小球15和液体，微压缩器5包括金属探针I5-1、金属探针II5-2、微通道I5-3、微通道II5-4、压缩通道5-5、端口I5-6、端口II5-7、端口III5-8和端口IV5-9；玻璃基片2上面的中间位置连接有微压缩器5、两侧位置均沉积有厚度为500微米的金属箔3，玻璃基片2上面高度为500微米的其余空间是填充层4，填充层4完全覆盖微压缩器5，液体入口7通过进液管6连接微压缩器5的端口II5-7，液体出口9通过出液管8连接微压缩器5的端口III5-8，电磁体I11和电磁体II12分别固定于两金属箔3上面，填充层4、进液管6、液体入口7、出液管8和液体出口9上方覆盖有保护层10，光学显微镜1位于玻璃基片2下方的10厘米位置，用于观测微压缩器5；微压缩器5由一块硅片基底以及上面的微纳结构组成，微通道I5-3、微通道II5-4和压缩通道5-5均为微流体通道，微通道I5-3的两端分别具有端口I5-6和端口III5-8，微通道II5-4的两端分别具有端口II5-7和端口IV5-9，端口I5-6和端口IV5-9为密封，微通道I5-3和微通道II5-4之间具有若干相互平行的压缩通道5-5，相邻压缩通道5-5的间隔为4微米，各压缩通道5-5的两端均分别与微通道I5-3和微通道II5-4连通，各压缩通道5-5深度均为4微米、宽度根据液体流动z负方向均从4微米突变为2微米，宽度为4微米的该段长为80微米，宽度为2微米的该段长为20微米；金属探针I5-1和金属探针II5-2均为三个一组的金属电极，每个金属电极的末端均为针尖状，金属探针I5-1距离微通道I5-3为30微米，金属探针II5-2距离微通道II5-4为30微米；电压源通过电缆能够分别对金属探针I5-1和金属探针II5-2施加电压，电压源通过电缆能够分别对电磁体I11和电磁体II12施加电压以产生磁场，所述磁场在压缩通道5-5位置为磁力线沿z方向的均匀磁场，磁场强度为4000高斯，磁场覆盖微压缩器5区域；高分子小球13、大分子样品14和磁性小球15能够通过液体入口7分别被注入微通道II5-4、压缩通道5-5内；填充层4为硅氧烷材料；微通道I5-3和微通道II5-4均是长度为1毫米、宽度为120微米、深度为60微米，均由聚甲基丙烯酸甲酯材料微加工而成；压缩通道5-5通过光刻方法在硅片基底上加工而成，每条压缩通道5-5的长度均为100微米；金属探针I5-1和金属探针II5-2的厚度均为120微米，每个金属电极末端针尖状的曲率半径为100微米；高分子小球13的直径为3微米并由聚苯乙烯材料制成；磁性小球15的直径为3.5微米并由铁磁性材料制成，磁导率为0.01H/m。
本发明装置将微流体结构与磁力相结合，并采用现有的商用光学显微镜来监控压缩过程，能够在有限空间内对生物样品施加压缩力，且压力施加的环境能够模拟生物样品的原始生存环境。
Claims (7)
1.一种微纳压缩装置，其特征在于，包括光学显微镜(1)、玻璃基片(2)、金属箔(3)、填充层(4)、微压缩器(5)、进液管(6)、液体入口(7)、出液管(8)、液体出口(9)、保护层(10)、电磁体I(11)、电磁体II(12)、电压源和电缆，xyz为三维坐标系，压缩实验材料有高分子小球(13)、大分子样品(14)、磁性小球(15)和液体，微压缩器(5)包括金属探针I(5-1)、金属探针II(5-2)、微通道I(5-3)、微通道II(5-4)、压缩通道(5-5)、端口I(5-6)、端口II(5-7)、端口III(5-8)和端口IV(5-9)，
玻璃基片(2)上面的中间位置连接有微压缩器(5)、两侧位置均沉积有厚度为500微米的金属箔(3)，玻璃基片(2)上面高度为500微米的其余空间是填充层(4)，填充层(4)完全覆盖微压缩器(5)，液体入口(7)通过进液管(6)连接微压缩器(5)的端口II(5-7)，液体出口(9)通过出液管(8)连接微压缩器(5)的端口III(5-8)，电磁体I(11)和电磁体II(12)分别固定于两金属箔(3)上面，填充层(4)、进液管(6)、液体入口(7)、出液管(8)和液体出口(9)上方覆盖有保护层(10)，光学显微镜(1)位于玻璃基片(2)下方的10厘米位置，用于观测微压缩器(5)；
微压缩器(5)由一块硅片基底以及上面的微纳结构组成，微通道I(5-3)、微通道II(5-4)和压缩通道(5-5)均为微流体通道，微通道I(5-3)的两端分别具有端口I(5-6)和端口III(5-8)，微通道II(5-4)的两端分别具有端口II(5-7)和端口IV(5-9)，端口I(5-6)和端口IV(5-9)为密封，微通道I(5-3)和微通道II(5-4)之间具有若干相互平行的压缩通道(5-5)，相邻压缩通道(5-5)的间隔为4微米，各压缩通道(5-5)的两端均分别与微通道I(5-3)和微通道II(5-4)连通，各压缩通道(5-5)深度均为4微米、宽度均从4微米突变为2微米，宽度为4微米的该段长为80微米，宽度为2微米的该段长为20微米；金属探针I(5-1)和金属探针II(5-2)均为三个一组的金属电极，每个金属电极的末端均为针尖状，金属探针I(5-1)距离微通道I(5-3)为30微米，金属探针II(5-2)距离微通道II(5-4)为30微米；电压源通过电缆能够分别对金属探针I(5-1)和金属探针II(5-2)施加电压，电压源通过电缆能够分别对电磁体I(11)和电磁体II(12)施加电压以产生磁场，所述磁场在压缩通道(5-5)位置为磁力线沿z方向的均匀磁场，磁场强度为4000高斯，磁场覆盖微压缩器(5)区域；高分子小球(13)、大分子样品(14)和磁性小球(15)能够通过液体入口(7)分别被注入微通道II(5-4)、压缩通道(5-5)内。
2.如权利要求1所述的一种微纳压缩装置，其特征是：填充层(4)为硅氧烷材料。
3.如权利要求1所述的一种微纳压缩装置，其特征是：微通道I(5-3)和微通道II(5-4)均是长度为1毫米、宽度为120微米、深度为60微米，均由聚甲基丙烯酸甲酯材料微加工而成。
4.如权利要求1所述的一种微纳压缩装置，其特征是：压缩通道(5-5)通过光刻方法在硅片基底上加工而成，每条压缩通道(5-5)的长度均为100微米。
5.如权利要求1所述的一种微纳压缩装置，其特征是：金属探针I(5-1)和金属探针II(5-2)的厚度均为120微米，每个金属电极末端针尖状的曲率半径为100微米。
6.如权利要求1所述的一种微纳压缩装置，其特征是：高分子小球(13)的直径为3微米并由聚苯乙烯材料制成。
7.如权利要求1所述的一种微纳压缩装置，其特征是：磁性小球(15)的直径为3.5微米并由铁磁性材料制成，磁导率为0.01H/m。
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