CN111319056B - 基于可控微尺度气泡的微纳颗粒无损搬运方法和装置 - Google Patents

基于可控微尺度气泡的微纳颗粒无损搬运方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明为基于可控微尺度气泡的微纳颗粒无损搬运方法和装置，包括以下步骤：打开气压生成器与控制器开关，在微纳操作毛细管末端生成可控微尺度气泡，定义为操作气泡；利用三自由度精密移动平台带动连接了气压生成器与控制器的微纳操作用毛细管，将操作气泡移动到被操作对象上方；针对表面为亲水性的操作对象，在声场的辅助下，利用毛细力拾取被操作对象；针对表面疏水性操作对象，直接利用毛细力拾取；将微纳操作用毛细管移动至待释放位置，利用释放气泡的毛细力实现微纳颗粒的释放。该方法利用可控微尺度气泡作为末端执行器，在声场的辅助参与下，能实现对不同表面性质的微纳颗粒的抓取搬运和释放，实时观测可控微尺度气泡的形变。

Description

基于可控微尺度气泡的微纳颗粒无损搬运方法和装置
技术领域
本发明涉及微纳颗粒操作技术领域，具体是一种基于气泡的具有微力传感的微纳颗粒无损搬运方法和实现该方法的装置。
背景技术
微操作通常是指对微米尺度的对象进行的各种操纵和控制，是实现微机电系统(MEMS)装配和测试必不可少的手段。其核心即是对各种微纳颗粒进行搬运。随着对微系统产品功能集成化、结构微型化的不断需求和微纳米技术的快速发展。微操作技术中需要处理的操作对象尺寸不断减小、种类日益增多。目前常用的微纳操作手段主要可以分为机械夹持以及真空吸附。
由于尺度效应的作用，以毛细力为代表的粘着力相对于重力占据主导地位。基于毛细力的微纳颗粒搬运技术，具有柔顺性，可以适应结构复杂的微对象，避免传统机械夹持以及真空吸附产生的应力集中，所造成的样本损伤。
目前的基于毛细力的微纳颗粒搬运主要依赖于液滴作为操作手段，液滴只能对亲水性粒子进行操作，因此对于被操作对象的表面性质有一定的限制。如专利CN 103009387B公开了一种就毛细黏附作用的液滴微操作机械手，简单易行，可以用于在空气中进行任意形状微小物体的操作，但是无法在培养皿等液体环境下使用，因而无法操作细胞等生物样本。同时无法在不更改装置设置的情况下，对不同表面性质(疏水/亲水)的颗粒进行操作。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，一种基于可控微尺度气泡的微纳颗粒无损搬运方法和装置。该方法利用可控微尺度气泡作为末端执行器，在声场的辅助参与下，可以实现对不同表面性质(疏水/亲水)的微纳颗粒的抓取搬运和释放。利用显微视觉系统实时观测可控微尺度气泡的形变，进而有利于实时获得被操作对象所受到的作用力。
本发明解决所述微纳颗粒搬运技术问题的技术方案是，提供具有微力传感的微纳颗粒无损搬运方法和实现该方法的装置，本发明基于可控微尺度气泡的微纳颗粒无损搬运方法，包括以下步骤：
步骤一：打开气压生成器与控制器开关，在微纳操作用毛细管末端生成可控微尺度气泡；定义为操作气泡；
步骤二：利用三自由度精密移动平台带动连接了气压生成器与控制器的微纳操作用毛细管，将操作气泡移动到被操作对象上方；
步骤三：针对表面为亲水性的操作对象，在声场的辅助下，利用毛细力拾取被操作对象；针对表面疏水性操作对象，直接利用毛细力拾取；
步骤四：将微纳操作用毛细管移动至待释放位置，针对表面为亲水性的操作对象，关闭声场，利用释放气泡的毛细力实现微纳颗粒的释放；针对表面疏水性操作对象，则需要在声场辅助下利用释放气泡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。
该微纳颗粒无损搬运方法，不仅要实现微纳颗粒的拾取和释放，利用光学显微镜还可对整个搬运以及抓取释放过程进行监测。如：搬运以及抓取释放过程中的作用力等。通过对微纳操作用毛细管末端可控微尺度气泡形态的实时观测，可以在不借助外围测力设备的情况下，实时获取搬运以及抓取释放过程中的作用力。
一种基于可控微尺度气泡的微纳颗粒无损搬运装置，采用上述的搬运方法，该搬运装置包括：三自由度精密移动平台、光学显微镜平台、俯视显微镜头，侧视显微镜头、微纳操作用毛细管、培养皿、气压生成器与控制器、操作底板、信号发生器和圆盘型压电换能器；
光学显微镜平台位于水平面上，光学显微镜平台的上表面放置操作底板，俯视显微镜头安装在光学显微镜学平台上方；在俯视显微镜头下方的操作底板中间设置培养皿，培养皿一侧的操作底板上固定安装圆盘型压电换能器，另一侧固定安装三自由度精密移动平台；
微纳操作用毛细管固定在三自由度精密移动平台上，能随着三自由度精密移动平台移动；微纳操作用毛细管经由管道连接至气压生成器与控制器，以控制操作气泡的尺寸与形态；
所述侧视显微镜头安装在圆盘型压电换能器外侧，俯视显微镜头与侧视显微镜头均用于观察微纳操作用毛细管末端，且俯视显微镜头与侧视显微镜头互相垂直；
圆盘型压电换能器通过导线连接到信号发生器。
所述侧视显微镜头通过侧视显微镜头基座安装在光显微镜学平台或水平面上。
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，本发明能够实现微球颗粒的柔顺拾取及可靠释放，且能够实时获得操作进程中的作用力。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
1、本发明方法通过利用可控微尺度气泡进行微纳颗粒的拾取-搬运-释放操作，利用气泡接触操作对象柔顺无应力的特点，可以在液体环境下对生物细胞等易损样本进行无损搬运。
2、本发明在声场的参与下，不仅可以在液体环境下，对表面呈现出疏水性的微纳颗粒进行操作，同时可以对表面呈现出亲水性的微纳颗粒，例如，细胞进行操作。
3、本发明可以通过微纳操作用毛细管末端可控微尺度气泡形态的实时观测，在不借助外围测力设备的情况下，通过气泡的变形程度实时获取搬运以及抓取释放过程中的作用力。为实现微/纳颗粒转移过程的自动化闭环控制提供了重要技术手段。
附图说明
图1为本发明基于可控微尺度气泡的微纳颗粒无损搬运装置一种实施例的结构示意图；
图2为本发明基于可控微尺度气泡的微纳颗粒无损搬运方法中实施例1操作亲水性微纳颗粒的工作过程示意图；图中(a)为微纳操作用毛细管携带操作气泡向操作对象移动示意图；(b)为气泡抓取操作对象示意图；(c)将抓取的操作对象搬运到另外位置的示意图；(d)为在指定位置释放操作对象的示意图；
图3为本发明基于可控微尺度气泡的微纳颗粒无损搬运方法中实施例2操作疏水水性微纳颗粒的工作过程示意图；图中(a)为微纳操作用毛细管携带操作气泡向操作对象移动示意图；(b)为气泡抓取操作对象示意图；(c)将抓取的操作对象搬运到另外位置的示意图；(d)为在指定位置释放操作对象的示意图；
图4为实施例1中声场参数确定的正交实验图。
图中：1、光学显微镜平台；2、一号固定连接板；3、三自由度精密移动平台；4、二号固定连接板；5、气压生成器与控制器；6、连接管道；7、微纳操作用毛细管；8、俯视显微镜头；9、培养皿；10、操作底板；11、侧视显微镜头基座；12、侧视显微镜头；13、信号发生器；14、圆盘型压电换能器；15、可控微尺度气泡；16、操作对象。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种基于可控微尺度气泡的微纳颗粒无损搬运方法和装置，该装置包括光学显微镜平台1、固定于光学显微镜平台1上的一号固定连接板2、固定在一号固定连接板2上的三自由度精密移动平台3。微纳操作用毛细管7通过二号固定连接板4固定在三自由度精密移动平台3上，并经由连接管道6连接气压生成器与控制器5。培养皿9、圆盘型压电换能器14均固连在操作底板10上。操作底板10置于光学显微镜平台1上，且位于微纳操作用毛细管7下方。圆盘型压电换能器14通过线路连接到信号发生器13上。
俯视显微镜头8安装在光学显微镜学平台1上方。
侧视显微镜头基座11安装在光学显微镜学平台1或水平面上；侧视显微镜头12固定在侧视显微镜头基座11上。
俯视显微镜头8与侧视显微镜头12均用于观察微纳操作用毛细管7末端的可控微尺度气泡15，且俯视显微镜头8与侧视显微镜头12互相垂直，在搬运过程中两个镜头能同时看到毛细管的末端。
基于可控微尺度气泡的微纳颗粒无损搬运方法的步骤如下：
步骤一：打开气压生成器与控制器5开关，在微纳操作用毛细管7末端生成可控微尺度气泡15。定义为操作气泡。
步骤二：利用三自由度精密移动平台3带动连接压生成器与控制器5的微纳操作用毛细管7，将操作气泡移动到操作对象16上方。
步骤三：针对表面为亲水性的操作对象，打开信号发生器13，借由圆盘形压电换能器14产生声波，在声场的辅助下，利用毛细力拾取操作对象16。针对表面疏水性操作对象，可以直接利用毛细力拾取。由于亲水颗粒的接触角小，毛细力不足够大，需要外加声场，辅助其完成。若是针对疏水对象可以不用声场辅助拾取。一般操作的细胞等生物样本表面都是亲水的，本申请方法能在液体环境中对于疏水或亲水的操作对象均能完成搬运。
步骤四：将微纳操作用毛细管7移动至待释放位置，利用释放气泡的毛细力实现微/纳颗粒的释放，至此，完成微/纳颗粒的转移过程。
在整个搬运过程中，利用俯视显微镜头8与侧视显微镜头12对微纳操作用毛细管7末端可控微尺度气泡15形态进行实时观测，可以在不借助外围测力设备的情况下，实时获取搬运以及抓取释放过程中的作用力。
本发明微纳颗粒无损搬运方法的工作原理：
打开气压生成器与控制器开关，在微纳操作用毛细管末端生成可控微尺度气泡，类似于吹气泡过程。定义为操作气泡。三自由度精密移动平台带动连接到气压生成器与控制器的微纳操作用毛细管，将操作气泡移动到被操作对象上方。若是操作对像的表面为亲水性，在声场的辅助下，操作气泡可以通过毛细作用力将操作对象吸附。若是操作对像的表面为疏水性，则不需要声场辅助，直接通过接触，即可将操作对象吸附。将微纳操作用毛细管移动至待释放位置，利用释放气泡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。在此过程中通过对微纳操作用毛细管末端可控微尺度气泡形态的实时观测，可以在不借助外围测力设备的情况下，实时获取搬运以及抓取释放过程中的作用力。当通过两个镜头观察到操作气泡的尺寸与被操作对象的尺寸相配套(相配套指操作气泡的尺寸与操作对象的尺寸是一个尺度或一个数量级，能够在搬运过程中观测到明显的轮廓变化)时即可进行搬运操作。操作气泡在和操作对象接触的过程中，气泡轮廓会有变化可能内凹或者外凸，观察内凹和外凸，利用显微视觉测量相应的尺寸如，内凹或外凸的距离，利用该距离可以用于后期计算受力。
实施例1
下面结合图1、图2说明本实施例
一种微纳颗粒无损搬运装置包括光学显微镜平台1、固定于学显微镜平台1上的一号固定连接板2、固定在一号固定连接板2上的三自由度精密移动平台3。微纳操作用毛细管7通过二号固定连接板4固定在三自由度精密移动平台3上，并经由连接管道6与气压生成器与控制器5相连。培养皿9、圆盘型压电换能器14均固连在操作底板10上。操作底板10置于光学显微镜平台1上，且位于微纳操作用毛细管7下方。圆盘型压电换能器14通过线路连接到信号发生器13上。
俯视显微镜头8安装在光学显微镜学平台1上方。
侧视显微镜头基座11安装在光学显微镜学平台1或水平面上；侧视显微镜头12固定在侧视显微镜头基座11上。
俯视显微镜头8与侧视显微镜头12均用于观察微纳操作用毛细管7末端的可控微尺度气泡15，且俯视显微镜头8与侧视显微镜头12互相垂直。
微纳颗粒无损搬运方法的具体步骤如下：
步骤一：打开气压生成器与控制器5开关，在微纳操作用毛细管7末端生成可控微尺度气泡15。定义为操作气泡。本实施例控制操作气泡尺寸为50-60μm左右。
步骤二：利用三自由度精密移动平台3带动连接压生成器与控制器5的微纳操作用毛细管7，将操作气泡移动到操作对象16上方，此时操作对象为表面呈现亲水性的微纳颗粒，该实施例中所操作的对象为直径50～63μm的二氧化硅微球。
步骤三：打开信号发生器13，借由圆盘形压电换能器14产生声波，在声场的辅助下(使用的声场参数为频率30kHz，峰-峰值为1Vpp)，利用毛细力拾取操作对象16。
步骤四：将微纳操作用毛细管7移动至待释放位置，关闭信号发生器13实现微纳颗粒的释放，至此，完成微纳颗粒的转移过程。
在整个搬运过程中，利用俯视显微镜头8与侧视显微镜头12对微纳操作用毛细管7末端可控微尺度气泡15形态进行实时观测，通过调节气压生成器与控制器5改变气压可以改变毛细管7末端可控微尺度气泡15的大小，可以在不借助外围测力设备的情况下，实时获取搬运以及抓取释放过程中的作用力。
本发明在进行声场设置时需要进行图4所示的正交实验过程，图中纵坐标为峰-峰值，单位为mVpp，横坐标为声场频率，通过正交实验确定拾取亲水操作对象的可用声场条件，用于拾取操作对象。
实施例2
下面结合图1、图3说明本实施例
一种具有微力传感的微纳颗粒无损搬运方法和实现该方法的装置(简称为微纳颗粒搬运方法与装置)，包括光学显微镜平台1、固定于学显微镜平台1上的一号固定连接板2、固定在一号固定连接板2上的三自由度精密移动平台3。微纳操作用毛细管7通过二号固定连接板4固定在三自由度精密移动平台3上，并经由连接管道6与气压生成器与控制器5相连。培养皿9、圆盘型压电换能器14均固连在操作底板10上。操作底板10置于光学显微镜平台1上，且位于微纳操作用毛细管7下方。圆盘型压电换能器14通过线路连接到信号发生器13上。
俯视显微镜头8安装在光学显微镜学平台1上方。
侧视显微镜头基座11安装在光学显微镜学平台1或水平面上；侧视显微镜头12固定在侧视显微镜头基座11上。
俯视显微镜头8与侧视显微镜头12均用于观察微纳操作用毛细管7末端的可控微尺度气泡15，且俯视显微镜头8与侧视显微镜头12互相垂直。
微纳颗粒无损搬运方法的具体步骤如下：
步骤一：打开气压生成器与控制器5开关，在微纳操作用毛细管7末端生成可控微尺度气泡15。定义为操作气泡。
步骤二：利用三自由度精密移动平台3带动连接压生成器与控制器5的微纳操作用毛细管7，将操作气泡移动到操作对象16上方，此时操作对象为表面呈现疏水性的微纳颗粒，此时的操作对象为聚丙乙烯微球直50～63μm。
步骤三：利用毛细力拾取操作对象16。
步骤四：将微纳操作用毛细管7移动至待释放位置，打开信号发生器13控制产生声场，实现微纳颗粒的释放(此时的声场频率为20kHz，声场信号的最大范围为1Vpp)，至此，完成微纳颗粒的转移过程。
在整个搬运过程中，利用俯视显微镜头8与侧视显微镜头12对微纳操作用毛细管7末端可控微尺度气泡15形态进行实时观测，可以在不借助外围设备的情况下，实时获取搬运以及抓取释放过程中的作用力。
本发明中利用声场辅助来拾取或释放的过程可以根据操作对象的表面性质、声场起始点到作用点末端的距离等设置声场的相关参数，如频率、峰-峰值等。当用于拾取时要保证操作对象所受的辐射力大于向心力，释放时则相反。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种基于可控微尺度气泡的微纳颗粒无损搬运方法，包括以下步骤：
步骤一：打开气压生成器与控制器开关，在微纳操作用毛细管末端生成可控微尺度气泡；定义为操作气泡；
步骤二：利用三自由度精密移动平台带动连接了气压生成器与控制器的微纳操作用毛细管，将操作气泡移动到被操作对象上方；
步骤三：针对表面为亲水性的操作对象，在声场的辅助下，利用毛细力拾取被操作对象；针对表面疏水性操作对象，直接利用毛细力拾取；
步骤四：将微纳操作用毛细管移动至待释放位置，针对表面为亲水性的操作对象，关闭声场，利用释放气泡的毛细力实现微纳颗粒的释放；针对表面疏水性操作对象，则需要在声场辅助下利用释放气泡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所述的微纳颗粒无损搬运方法，其特征在于，利用光学显微镜对整个搬运过程进行监测，对微纳操作用毛细管末端可控微尺度气泡形态实时观测，确定操作气泡的变形尺寸。
3.根据权利要求1所述的微纳颗粒无损搬运方法，其特征在于，所述操作对象的操作外形尺寸为20-100μm的微球；操作对象与操作气泡的尺寸为同一个数量级。
4.根据权利要求1所述的微纳颗粒无损搬运方法，其特征在于，所述操作对象处于液体环境中。
5.一种基于可控微尺度气泡的微纳颗粒无损搬运装置，采用权利要求1-4任一所述的搬运方法，其特征在于，该搬运装置包括：三自由度精密移动平台、光学显微镜平台、俯视显微镜头，侧视显微镜头、微纳操作用毛细管、培养皿、气压生成器与控制器、操作底板、信号发生器和圆盘型压电换能器；
光学显微镜平台位于水平面上，光学显微镜平台的上表面放置操作底板，俯视显微镜头安装在光学显微镜学平台上方；在俯视显微镜头下方的操作底板中间设置培养皿，培养皿一侧的操作底板上固定安装圆盘型压电换能器，另一侧固定安装三自由度精密移动平台；
微纳操作用毛细管固定在三自由度精密移动平台上，能随着三自由度精密移动平台移动；微纳操作用毛细管经由管道连接至气压生成器与控制器；
所述侧视显微镜头安装在圆盘型压电换能器外侧，俯视显微镜头与侧视显微镜头均用于观察微纳操作用毛细管末端，且俯视显微镜头与侧视显微镜头互相垂直；
圆盘型压电换能器通过导线连接到信号发生器。
6.根据权利要求5所述的搬运装置，其特征在于，所述侧视显微镜头通过侧视显微镜头基座安装在光显微镜学平台或水平面上。
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