CN110646260A - 一种基于交/直流耦合电场的三维旋转装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于交/直流耦合电场的三维旋转装置及方法，属于细胞的三维旋转操控技术领域，本发明装置基于交/直流耦合流电场，包括PDMS基底层和电极层；PDMS基底层中间设置有一圆形凹槽，圆形凹槽的外围分别开设有四个圆弧形卡槽；电极层由四个尺寸相同的金属薄片组成，且分别与圆形凹槽外围开设的四个圆弧形卡槽相嵌合。当施加交流电压时，利用四通道信号发生器产生交流电场，通过设计不均匀的电场，产生介电泳力，使细胞可以在电场控制下旋转特定角度后立刻停止，实现细胞的三维旋转。当施加直流电压使细胞旋转时，使用局部已经被磁化的细胞，在任意一对电极间产生磁场，通过改变电极控制磁场，使细胞快速有效的旋转。
Description
技术领域
本发明涉及细胞的三维旋转操控技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于交/直流耦合电场的三维旋转装置及方法。
背景技术
微流控芯片对颗粒或细胞进行操控的方法一般包括声学、磁力学、光学和电力学等方法。而在电力学中，介电泳技术(Dielectrophoresis，DEP)被广泛应用于颗粒或细胞的捕获、旋转、富集、分离等操控。介电泳是指，基于颗粒和溶液的不同特性,颗粒在非均匀电场下的运动。而在磁力学领域，磁操控技术已成为一门新兴的颗粒处理技术。磁操控技术具有处理效率高、受力明显、操作设备体积小、结构简单、维护便捷、费用低廉等诸多优点。磁操控技术作为物理处理技术在微粒处理中获得了很多成功的应用，展现了其独具的优势。磁操控利用颗粒特异性结合，使颗粒被磁化。进而，对于非磁性或弱磁性的颗粒可以进行分离操作；对于磁化的颗粒可以进行控制或捕获操作。磁化技术是将物质进行磁场处理的一种技术，该技术的应用已经渗透到各个领域。磁场本身是一种具有特别能量的场，经过磁场处理过的颗粒，其光学性质、导电率、介电常数、粘度和表面张力及电化学效应等特性都产生了可测量的变化，并且当磁场被撤离后，这种变化会在数个小时或数天后消失，是一个可逆的过程。
目前，细胞旋转设备存在成本极高、人员培训成本较大、技术性较强、人为操作误差较强、后期维护成本较高，同时还存在技术不易掌握、人工培训周期长、材料损耗严重等问题。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种基于交/直流耦合电场的三维旋转装置及方法。本发明通过将四通道相位发生器连接电极层的四个金属电极并分别施加交/直流电压，当施加交流电压使细胞旋转时，利用四通道信号发生器产生交流电场，通过设计不均匀的电场，从而产生介电泳力，使细胞可以在电场控制下旋转特定角度后立刻停止，便于多角度的观察。通过多次即停即转的角度变化，可以实现细胞的三维旋转。当施加直流电压使细胞旋转时，使用局部已经被磁化的细胞，利用四通道信号发生器输入的直流电压在任意一对电极间产生磁场，从而在旋转装置中，通过改变电极控制磁场，达到快速有效的细胞旋转；不仅方便后续细胞的三维观察，而且控制效率高、反应时间短，还可以用于制作微小的通道阀门。
为了实现上述目的，本发明采用的技术手段如下：
一种基于交/直流耦合电场的三维旋转装置，旋转装置基于交/直流耦合流电场，包括PDMS基底层和电极层；
所述PDMS基底层中间设置有一圆形凹槽，圆形凹槽的外围分别开设有四个圆弧形卡槽；
所述电极层由四个尺寸相同的金属薄片组成，且分别与所述圆形凹槽外围开设的四个圆弧形卡槽相嵌合。
进一步地，所述的四个圆弧形卡槽分别为第一圆弧形卡槽、第二圆弧形卡槽、第三圆弧形卡槽以及第四圆弧形卡槽；
第一圆弧形卡槽和第三圆弧形卡槽正对设置，第二圆弧形卡槽和第四圆弧形卡槽正对设置；
所述电极层中的四个尺寸相同的金属薄片分别为第一金属电极、第二金属电极、第三金属电极以及第四金属电极，所述第一金属电极的底部插入到第一圆弧形卡槽内，所述第二金属电极的底部插入到第二圆弧形卡槽内，所述第三金属电极的底部插入到第三圆弧形卡槽内，所述第四金属电极的底部插入到第四圆弧形卡槽内。
进一步地，所述电极层中的第一金属电极、第二金属电极、第三金属电极、第四金属电极分别连接多通道相位发生器，可产生非均匀电场，生成的介电泳力使细胞受力，通过调节相位、幅值、频率使细胞受力进而旋转；也可产生磁场，使得已经完成局部磁附工作的细胞受到磁力作用。
本发明还提供了一种基于交/直流耦合电场的三维旋转装置的旋转方法，使用直流电时，其旋转步骤如下：
S1、将少量待观察的目标细胞样品溶液置于离心机中，通过离心处理，放入缓冲液，震荡使之混合均匀；重复上述操作，得到足够稀释的指定细胞溶液。
S2、通过移液枪吸取一个已经完成局部磁化的细胞，将其放入圆形凹槽中。
S3、使用四通道相位发生器连接电极层中的任意两个金属电极并接入直流电源，通过金属电极产生的电磁场吸引局部磁附细胞向磁场方向旋转，仅用一对直流电极即可使局部磁附细胞旋转。
进一步地，当使用四通道相位发生器连接电极层的四个金属电极中的任意一对金属电极并施加直流电压使细胞旋转时，四个金属电极中的任意一对电极通电，附着磁性纳米颗粒的细胞将会受电极产生的磁场吸引，做旋转运动，最终吸附在指定电极上，即仅用一对直流电极使局部磁附细胞旋转。
进一步地，当使用四通道相位发生器连接电极层的四个金属电极中的任意一对金属电极并施加直流电压使细胞旋转时，四个金属电极中的任意一对电极通直流电时，通过控制电极电压强度，改变磁场的大小来控制细胞旋转速度，易于细胞三维旋转的监测和特征提取。
进一步地，当使用四通道相位发生器连接电极层的四个金属电极中的任意一对金属电极并施加直流电压使细胞旋转时，四个金属电极中的任意一对电极通直流电时，通过控制电极，可以控制旋转的方向。
进一步地，当使用四通道相位发生器连接电极层的四个金属电极中的任意一对金属电极并施加直流电压使细胞旋转时，结构适当时，控制局部磁附细胞的旋转可以应用在细胞的三维旋转监测、后续的图像获取和细胞的特征提取，还可以用作一种由微小颗粒充当阀门的开关。
本发明还提供了一种基于交/直流耦合电场的三维旋转装置的旋转方法，使用交流电时，其旋转步骤如下：
H1、将少量待观察的目标细胞样品溶液置于离心机中，通过离心处理，放入缓冲液，震荡使之混合均匀；重复上述操作，加入适量缓冲液稀释得到指定浓度的细胞溶液；
H2、通过移液枪吸取少量细胞溶液，将其转移到PDMS基底层的圆形凹槽中；
H3、使用四通道相位发生器连接电极层的四个金属电极，通过施加交流电压，调节交流电压的频率、幅值、相位参数，控制细胞在旋转室内做令行禁止的旋转运动。
进一步地，当使用四通道相位发生器连接电极层的四个金属电极并施加交流电压使细胞旋转时，施加的交流电压可以改变电压的幅值以及频率大小；设置合适的交流电压，让细胞旋转和停止的反应时间达到既定的要求；通过调整幅值和频率，改变细胞旋转的角速度；通过改变幅值和频率，达到细胞旋转的令行禁止。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的装置，当使用四通道相位发生器连接电极层的四个金属电极并施加交流电压使细胞旋转时，通过改变电压幅值、频率和相位，使装置旋转室内产生非均匀的交流电场；利用介电泳力使目标细胞受力开始旋转，旋转角度和旋转速度受到电场的控制；通过改变电场，可以使细胞在特定时间内旋转特定角度，之后立即悬停。
2、本发明使用电场控制细胞旋转，区别于传统方式的人工操作，避免了人工操作的高误差、人工培训的高成本、使用材料的高消耗。同时，由于介电泳力较小，对细胞表面造成的伤害较小，可以对同一细胞进行长时间的持续观察。通过多次即停即转的操作，可以应用在细胞的三维旋转观察、后续的图像获取和细胞的特征提取。
3、本发明提供的装置，当使用四通道相位发生器连接电极层的四个金属电极并施加交/直流电压使细胞旋转时，相较于现有的细胞旋转方法，本发明克服了传统方式下操作复杂的问题，传统方式操控细胞旋转时，细胞受力对实验仪器的幅值、频率要求较高。
4、本发明提供的装置，当使用四通道相位发生器连接电极层的四个金属电极中的任意一对电极并施加直流电压使细胞旋转时，结构适当时，控制局部磁附细胞的旋转可以应用在细胞的三维旋转监测、后续的图像获取和细胞的特征提取；同时，还可以用作一种由微小颗粒充当阀门的开关。
5、本发明提供的装置，当使用四通道相位发生器连接电极层的四个金属电极并施加交流电压使细胞旋转时，细胞受磁场影响相较电场更为明显。施加的交流电压可以改变电压的幅值以及频率大小；设置合适的交流电压，可以让细胞旋转和停止的反应时间达到既定的要求；通过调整幅值和频率，可以改变细胞旋转的角速度；通过改变幅值和频率，可以达到细胞旋转的令行禁止。
基于上述理由本发明可在细胞的三维旋转操控等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明装置整体结构示意图。
图2为本发明装置PDMS基底层的结构示意图。
图3为本发明装置电极层的结构示意图。
图中：1、PDMS基底层；2、电极层；3、第一圆弧形卡槽；4、第二圆弧形卡槽；5、第三圆弧形卡槽；6、第四圆弧形卡槽；7、圆形凹槽；8、第一金属电极；9、第二金属电极；10、第三金属电极；11、第四金属电极.
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种基于交/直流耦合电场的三维旋转装置，旋转装置基于交/直流耦合流电场，包括PDMS基底层1和电极层2；PDMS基底层1中间设置有一圆形凹槽7，圆形凹槽7的外围分别开设有四个圆弧形卡槽；电极层2由四个尺寸相同的金属薄片组成，且分别与圆形凹槽7外围开设的四个圆弧形卡槽相嵌合。本发明PDMS基底层1的四个圆弧形卡槽和圆形凹槽7，利用先光刻后转印的方法制作而成。
如图2所示，四个圆弧形卡槽分别为第一圆弧形卡槽3、第二圆弧形卡槽4、第三圆弧形卡槽5以及第四圆弧形卡槽6；第一圆弧形卡槽3和第三圆弧形卡槽5正对设置，第二圆弧形卡槽4和第四圆弧形卡槽6正对设置；
如图3所示，电极层中的四个尺寸相同的金属薄片分别为第一金属电极8、第二金属电极9、第三金属电极10以及第四金属电极11，本实施例中选用了铜片但不仅限于铜片电极，第一金属电极8的底部插入到第一圆弧形卡槽3内，第二金属电极9的底部插入到第二圆弧形卡槽4内，第三金属电极10的底部插入到第三圆弧形卡槽5内，第四金属电极11的底部插入到第四圆弧形卡槽6内。第一金属电极、第二金属电极、第三金属电极、第四金属电极分别连接多通道相位发生器，可产生非均匀电场，生成的介电泳力使细胞受力，通过调节相位、幅值、频率使细胞受力进而旋转；也可产生磁场，使得已经完成局部磁附工作的细胞受到磁力作用。
作为本发明优选的实施方式，第一金属电极8与第三金属电极10的相对距离为D1；第二金属电极9与第四金属电极11的相对距离为D2；PDMS基底层1上的圆形凹槽7为旋转观察室，深度为D3，内径长度为D4；PDMS基底层1上的第一圆弧形卡槽3、第二圆弧形卡槽4、第三圆弧形卡槽5以及第四圆弧形卡槽6规格一致，长度为D5，宽度为D6，深度为D7。
实施例2
在实施例1的基础上，本发明还提供了一种基于交/直流耦合电场的三维旋转装置的旋转方法，本实施例中，待观察的目标细胞样品为动物细胞样品；使用直流电时，其旋转步骤如下：
S1、将少量待观察的目标细胞样品溶液置于离心机中，通过离心处理，放入缓冲液，震荡使之混合均匀；重复上述操作，得到足够稀释的指定细胞溶液。
S2、通过移液枪吸取一个已经完成局部磁化的细胞，将其放入圆形凹槽中。
S3、使用四通道相位发生器连接电极层中的任意两个金属电极并接入直流电源，通过金属电极产生的电磁场吸引局部磁附细胞向磁场方向旋转，仅用一对直流电极即可使局部磁附细胞旋转。
作为本发明优选的实施方式，当使用四通道相位发生器连接电极层的四个金属电极中的任意一对金属电极并施加直流电压使细胞旋转时，四个金属电极中的任意一对电极通电，附着磁性纳米颗粒的细胞将会受电极产生的磁场吸引，做旋转运动，最终吸附在指定电极上，即仅用一对直流电极使局部磁附细胞旋转。
作为本发明优选的实施方式，当使用四通道相位发生器连接电极层的四个金属电极中的任意一对金属电极并施加直流电压使细胞旋转时，四个金属电极中的任意一对电极通直流电时，通过控制电极电压强度，改变磁场的大小来控制细胞旋转速度，易于细胞三维旋转的监测和特征提取。
作为本发明优选的实施方式，当使用四通道相位发生器连接电极层的四个金属电极中的任意一对金属电极并施加直流电压使细胞旋转时，四个金属电极中的任意一对电极通直流电时，通过控制电极，可以控制旋转的方向。
作为本发明优选的实施方式，当使用四通道相位发生器连接电极层的四个金属电极中的任意一对金属电极并施加直流电压使细胞旋转时，结构适当时，控制局部磁附细胞的旋转可以应用在细胞的三维旋转监测、后续的图像获取和细胞的特征提取，还可以用作一种由微小颗粒充当阀门的开关。
通过以上步骤完成了基于交/直流耦合电场的三维旋转装置仅使用任意一对电极使局部磁附细胞旋转的操作。
实施例3
在实施例1的基础上，本发明还提供了一种基于交/直流耦合电场的三维旋转装置的旋转方法，本实施例中，待观察的目标细胞样品为动物细胞样品；使用交流电时，其旋转步骤如下：
H1、将少量待观察的目标细胞样品溶液置于离心机中，通过离心处理，放入缓冲液，震荡使之混合均匀；重复上述操作，加入适量缓冲液稀释得到指定浓度的细胞溶液；
H2、通过移液枪吸取少量细胞溶液，将其转移到PDMS基底层的圆形凹槽中；
H3、使用四通道相位发生器连接电极层的四个金属电极，通过施加交流电压，调节交流电压的频率、幅值、相位参数，控制细胞在旋转室内做令行禁止的旋转运动。
作为本发明优选的实施方式，当使用四通道相位发生器连接电极层的四个金属电极并施加交流电压使细胞旋转时，施加的交流电压可以改变电压的幅值以及频率大小；设置合适的交流电压，让细胞旋转和停止的反应时间达到既定的要求；通过调整幅值和频率，改变细胞旋转的角速度；通过改变幅值和频率，达到细胞旋转的令行禁止。
通过以上步骤完成了基于交/直流耦合电场的三维旋转装置令行禁止的三维旋转操作。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于交/直流耦合电场的三维旋转装置，其特征在于，旋转装置基于交/直流耦合流电场，包括PDMS基底层和电极层；
所述PDMS基底层中间设置有一圆形凹槽，圆形凹槽的外围分别开设有四个圆弧形卡槽；
所述电极层由四个尺寸相同的金属薄片组成，且分别与所述圆形凹槽外围开设的四个圆弧形卡槽相嵌合。
2.根据权利要求1所述的基于三维图像特征的细胞活性状态表征监测装置，其特征在于，所述的四个圆弧形卡槽分别为第一圆弧形卡槽、第二圆弧形卡槽、第三圆弧形卡槽以及第四圆弧形卡槽；
第一圆弧形卡槽和第三圆弧形卡槽正对设置，第二圆弧形卡槽和第四圆弧形卡槽正对设置；
所述电极层中的四个尺寸相同的金属薄片分别为第一金属电极、第二金属电极、第三金属电极以及第四金属电极，所述第一金属电极的底部插入到第一圆弧形卡槽内，所述第二金属电极的底部插入到第二圆弧形卡槽内，所述第三金属电极的底部插入到第三圆弧形卡槽内，所述第四金属电极的底部插入到第四圆弧形卡槽内。
3.根据权利要求1或2所述的基于交/直流耦合电场的三维旋转装置，其特征在于，所述电极层中的第一金属电极、第二金属电极、第三金属电极、第四金属电极分别连接多通道相位发生器，可产生非均匀电场，生成的介电泳力使细胞受力，通过调节相位、幅值、频率使细胞受力进而旋转；也可产生磁场，使得已经完成局部磁附工作的细胞受到磁力作用。
4.一种如权利要求1所述的基于交/直流耦合电场的三维旋转装置的旋转方法，其特征在于，使用直流电时，其旋转步骤如下：
S1、将少量待观察的目标细胞样品溶液置于离心机中，通过离心处理，放入缓冲液，震荡使之混合均匀；重复上述操作，得到足够稀释的指定细胞溶液。
S2、通过移液枪吸取一个已经完成局部磁化的细胞，将其放入圆形凹槽中。
S3、使用四通道相位发生器连接电极层中的任意两个金属电极并接入直流电源，通过金属电极产生的电磁场吸引局部磁附细胞向磁场方向旋转，仅用一对直流电极即可使局部磁附细胞旋转。
5.根据权利要求4所述的旋转方法，当使用四通道相位发生器连接电极层的四个金属电极中的任意一对金属电极并施加直流电压使细胞旋转时，其特征在于，当四个金属电极中的任意一对电极通电，附着磁性纳米颗粒的细胞将会受电极产生的磁场吸引，做旋转运动，最终吸附在指定电极上，即仅用一对直流电极使局部磁附细胞旋转。
6.根据权利要求4所述的旋转方法，当使用四通道相位发生器连接电极层的四个金属电极中的任意一对金属电极并施加直流电压使细胞旋转时，其特征在于，当四个金属电极中的任意一对电极通直流电时，通过控制电极电压强度，改变磁场的大小来控制细胞旋转速度，易于细胞三维旋转的监测和特征提取。
7.根据权利要求4所述的旋转方法，当使用四通道相位发生器连接电极层的四个金属电极中的任意一对金属电极并施加直流电压使细胞旋转时，其特征在于，当四个金属电极中的任意一对电极通直流电时，通过控制电极，可以控制旋转的方向。
8.根据权利要求4所述的旋转方法，当使用四通道相位发生器连接电极层的四个金属电极中的任意一对金属电极并施加直流电压使细胞旋转时，其特征在于，当结构适当时，控制局部磁附细胞的旋转可以应用在细胞的三维旋转监测、后续的图像获取和细胞的特征提取，还可以用作一种由微小颗粒充当阀门的开关。
9.一种如权利要求1所述的基于交/直流耦合电场的三维旋转装置的旋转方法，其特征在于，使用交流电时，其旋转步骤如下：
H1、将少量待观察的目标细胞样品溶液置于离心机中，通过离心处理，放入缓冲液，震荡使之混合均匀；重复上述操作，加入适量缓冲液稀释得到指定浓度的细胞溶液；
H2、通过移液枪吸取少量细胞溶液，将其转移到PDMS基底层的圆形凹槽中；
H3、使用四通道相位发生器连接电极层的四个金属电极，通过施加交流电压，调节交流电压的频率、幅值、相位参数，控制细胞在旋转室内做令行禁止的旋转运动。
10.根据权利要求9所述的旋转方法，当使用四通道相位发生器连接电极层的四个金属电极并施加交流电压使细胞旋转时，其特征在于，施加的交流电压可以改变电压的幅值以及频率大小；设置合适的交流电压，让细胞旋转和停止的反应时间达到既定的要求；通过调整幅值和频率，改变细胞旋转的角速度；通过改变幅值和频率，达到细胞旋转的令行禁止。
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