CN111774109A - 一种用于单颗粒操控的声镊系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于单颗粒操控的声镊系统，包括三维移动平台，三维移动平台中部安装有声镊装置固定结构，声镊装置固定结构上固定有声镊装置，声镊装置与载玻片通过超声耦合剂进行耦合，载玻片上通过氧等离子处理键合有微液池，载玻片由载玻片固定结构固定，载玻片固定结构连接在三维移动平台上；声镊装置包括压电基底，压电基底上蒸镀有螺旋形叉指换能器和电极，螺旋形叉指换能器和电极电连接，压电基底蒸镀有螺旋形叉指换能器的一面上溅射有隔膜；使用螺旋形叉指换能器，对其施加交变电压，可获得具有三维控制效果的球形声学涡旋，实现单个颗粒的精准操控，本发明具有聚焦控制性好、非接触性好、无污染性和体积小等优点。

Description

一种用于单颗粒操控的声镊系统
技术领域
本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及一种用于单颗粒操控的声镊系统。
背景技术
现如今，微米至纳米级的物理和生物物体的精确和非接触控制在微纳机器人、医学和组织工程等领域中得到越来越大的需求。在众多非接触操控技术中，光镊的捕获力相对较弱并且可能会对细胞产生光损害，而磁镊需要事先用磁性化合物标记目标十分麻烦，基于聚焦声学涡流的声学镊子可以实现多尺度粒子、微生物和细胞的精准无接触操纵，并且凭借其优良的无需标记、生物相容性、无污染性以及其较强的捕获力而得以发展。
但是，目前的声镊系统多具有复杂的换能器结构，只能控制尺寸相对较大的颗粒，影响其进一步的应用和发展。因此，需要设计一种具有小型换能器并能灵活控制单个颗粒、细胞的声镊系统。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于单颗粒操控的声镊系统，能灵活控制单个颗粒、细胞，体积小。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种用于单颗粒操控的声镊系统，包括三维移动平台，三维移动平台中部安装有声镊装置固定结构5，声镊装置固定结构5上固定有声镊装置1，声镊装置1与载玻片3通过超声耦合剂进行耦合，载玻片3上通过氧等离子处理键合有微液池2，载玻片3由载玻片固定结构固定，载玻片固定结构连接在三维移动平台；
所述的声镊装置1包括压电基底7，压电基底7上蒸镀有螺旋形叉指换能器8和电极9，螺旋形叉指换能器8位于压电基底7的中部，电极9位于压电基底7的边缘，螺旋形叉指换能器8和电极9电连接，压电基底7蒸镀有螺旋形叉指换能器8的一面上溅射有隔膜10。
所述的压电基底7形状为圆形，材质为铌酸锂晶体。
所述的螺旋形叉指换能器8由两条螺旋形叉指组成，螺旋形叉指的中心位于压电基底7的中心，螺旋形叉指的尺寸随着不同颗粒的控制需求进行调整。
所述的电极9分别从两条螺旋叉指换能器8末端引出至压电基底7边缘处。
所述的隔膜10为二氧化硅薄膜。
所述的微液池2为PDMS圆环。
所述的载玻片3材质为高硼硅玻璃，形状为圆形。
所述的三维移动平台包括底座4-5，底座4-5上连接有底部固定结构4-4，底部固定结构4-4上连接有自动XYZ移动平台4-3，自动XYZ移动平台4-3上连接有手动XYZ移动平台4-2，手动XYZ移动平台4-2上连接有上固定结构4-1，上固定结构4-1上固定有声镊装置固定结构5；三维移动平台具有视觉系统、误差反馈系统和电动控制系统。
所述的载玻片固定结构包括两个纵向支架6-3，两个纵向支架6-3设置在三维移动平台的两侧，纵向支架6-3底部通过支架底座6-4固定在三维移动平台上，每个纵向支架6-3和一个横向支架6-2一端连接，两个横向支架6-2另一端和含螺孔圆环6-1连接。
所述的声镊装置固定结构5形状为长方体，在其上方含有一个沉孔和若干螺孔。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：将含有颗粒的溶液(例如，含直径为65～75μm的聚苯乙烯微球、浓度为3％的溶液)滴于微液池中，对螺旋形叉指换能器施加相应频率的交变电压，进而产生具有较强捕获力的聚焦声学涡旋，从压电基底表面传播到微液池中，由于螺旋形叉指换能器具有特定的形状，其捕获力可以满足刚好可以控制声学涡旋焦点处的单个颗粒进行移动，而对焦点外部的颗粒产生一定的排斥力。
本发明使用的螺旋形叉指换能器，对其施加交变电压，可以获得比圆柱形声学涡旋聚焦性更强并且具有三维控制效果的球形声学涡旋，实现单个颗粒的精准操控，并可将其按一定图案和规律排布。
本发明的声镊装置具有简单便携，集成度高，需要样本较少，非接触性好，无污染性等优点，更适用于多种尺度微颗粒及微细胞的操控和排布。
本发明使用的三维移动平台具有手动和自动两种控制模式，操作简单、便捷，并可以保证单个颗粒操控的精确性。
附图说明
图1是本发明的三维结构视图。
图2是本发明声镊装置1的俯视图。
图3是本发明声镊装置1及含微液池2的载玻片3的剖视图。
图4是本发明声镊装置固定结构5的三维视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参照图1，一种用于单颗粒操控的声镊系统，包括三维移动平台，三维移动平台中部安装有声镊装置固定结构5，声镊装置固定结构5上固定有声镊装置1，声镊装置1与载玻片3通过超声耦合剂进行耦合，载玻片3上通过氧等离子处理键合有微液池2，载玻片3由载玻片固定结构固定，载玻片固定结构连接在三维移动平台；
参照图2和图3，所述的声镊装置1包括压电基底7，压电基底7上蒸镀有螺旋形叉指换能器8和电极9，螺旋形叉指换能器8位于压电基底7的中部，电极9位于压电基底7的边缘，螺旋形叉指换能器8和电极9电连接，压电基底7蒸镀有螺旋形叉指换能器8的一面上溅射有隔膜10。
所述的压电基底7形状为直径长7.62cm的圆形，材质为36°旋转Y切割X传播方向的铌酸锂晶体。
所述的压电基底7高度为1mm，螺旋形叉指换能器8、电极9高度为150nm；隔膜10高度为180nm。
所述的螺旋形叉指换能器8由两条螺旋形叉指组成，螺旋形叉指的中心位于压电基底7的中心，两螺旋形叉指宽度为0.224～0.739mm，螺旋最外圈直径为19.9～20.4mm，螺旋环绕圈数为8圈。
所述的电极9分别从两条螺旋叉指换能器8末端引出至压电基底7边缘处。
所述的隔膜10为二氧化硅薄膜，其蒸镀在含螺旋形叉指换能器8的压电基底7上方除电极9以外的其它区域。
所述的微液池2为PDMS圆环，将加入固化剂的PDMS加热凝固，使用刀具切割固体PDMS得到圆环形微液池，内环直径为10mm，外环直径为15mm，高度为1mm。
所述的载玻片3材质为高硼硅玻璃，形状为圆形，直径为25mm，高度为6mm。
参照图1，所述的三维移动平台包括底座4-5，底座4-5上连接有底部固定结构4-4，底部固定结构4-4上连接有自动XYZ移动平台4-3，自动XYZ移动平台4-3上连接有手动XYZ移动平台4-2，手动XYZ移动平台4-2上连接有上固定结构4-1，上固定结构4-1上固定有声镊装置固定结构5；
所述的上固定结构4-1为长为28cm，宽为18cm，高为1cm的长方体形状，上方具有直径为4.8mm的螺孔30个；手动XYZ移动平台4-2由3个长35cm，宽25cm，高2cm的长方体竖向布置而成，并在其中一个侧面上有手动操作的螺杆；电动XYZ移动平台4-3由3个长40cm，宽30cm，高3cm的长方体竖向布置而成，并在其中一个侧面上有电插座；底部固定结构4-4为长宽40cm，高1cm的长方体，并在四个角处有直径为4.8mm的螺孔；底座4-5为长60cm，宽45cm，高1cm的长方体，其上方有直径为4.8mm的螺孔300个，下方具有直径10cm，高1cm的支腿4个。
参照图1，所述的载玻片固定结构包括两个纵向支架6-3，两个纵向支架6-3设置在三维移动平台的两侧，纵向支架6-3底部通过支架底座6-4固定在三维移动平台上，每个纵向支架6-3和一个横向支架6-2一端连接，两个横向支架6-2另一端和含螺孔圆环6-1连接；
所述的含螺孔圆环6-1圆环内径为26mm，外径为30mm，高度为4mm；圆环两端螺孔直径为2mm，并装有直径为2.1mm的螺母；所述的横向支架6-2长度为30cm，一端固定在含螺孔圆环6-1圆环非螺孔处，另一端分别用直径为1.6mm的螺母固定在纵向支架6-3上；纵向支架6-3高度为20cm；支架底座6-4为长8cm，宽4cm，高2cm的长方体。
参照图4，所述的声镊装置固定结构5形状为长方体，长为20cm，宽为10cm，高为1cm；上方含有直径为5.5mm的螺孔4个；右侧含有直径为4.8mm的螺孔40个；两端之间具有一个直径为7.7cm，深度为1.1mm的沉孔。
本发明的工作原理为：
使用移液枪将含有颗粒的溶液(例如，直径为65μm的聚苯乙烯微球浓度为3％的溶液)滴于微液池2中，对螺旋形叉指换能器8施加相应频率的交变电压，进而产生具有较强捕获力的聚焦声学涡旋，其从压电基底7表面传播到微液池2中，并捕获到目标单个粒子；移动三维移动平台通过设计好的路线使声镊装置1移动，进而可以控制该颗粒以一定规律移动到目标位置；三维移动平台具有手动和自动两种控制模式，三维移动平台具有视觉系统、误差反馈系统和电动控制系统，使用时，可以选择手动XYZ移动平台4-2进行声镊装置1的移动，还能够通过自动XYZ移动平台4-3进行三维移动平台的移动，操作简单、便捷，并可以保证单个颗粒操控的精确性；当视觉系统监测到声镊焦点偏移目标颗粒位置时，误差反馈系统将会自动调节三维移动平台移动，进而使焦点聚焦在目标颗粒处，不仅可以精准操控单颗粒运动，同时也可以无害地对单个细胞进行操控，并不对细胞产生完整性和活性的影响。因此，可以本发明应用于微纳机器人领域，药物筛选、靶向给药等医学领域，也可以应用于3D细胞的打印等组织工程领域中。
本发明利用声学涡旋的聚焦效应，以螺旋形叉指换能器8为核心，结合三维移动平台，能够完成多种单个颗粒、单个细胞的操控作用，同时能够利用此系统应用于多种微纳机器人、医学以及组织工程等领域中。三维移动平台的视觉系统、误差反馈系统和电动控制系统可以监测颗粒位置，和输入位置进行对比后从而移动颗粒至目标位置，保证了应用精度。
本发明的声镊装置1采用微纳加工工艺，大大减小了设备体积，简单便携，集成度高，需要样本较少，非接触性好。对比当前的光镊、磁镊装置，其具有无污染性、细胞无害性等优点，同时其对目标施加的应力在保证不改变颗粒和细胞活性的前提下更大，能够用于多种尺度微颗粒的操控和排布。

Claims (10)

1.一种用于单颗粒操控的声镊系统，包括三维移动平台，其特征在于：三维移动平台中部安装有声镊装置固定结构(5)，声镊装置固定结构(5)上固定有声镊装置(1)，声镊装置(1)与载玻片(3)通过超声耦合剂进行耦合，载玻片(3)上通过氧等离子处理键合有微液池(2)，载玻片(3)由载玻片固定结构固定，载玻片固定结构连接在三维移动平台；
所述的声镊装置(1)包括压电基底(7)，压电基底(7)上蒸镀有螺旋形叉指换能器(8)和电极(9)，螺旋形叉指换能器(8)位于压电基底(7)的中部，电极(9)位于压电基底(7)的边缘，螺旋形叉指换能器(8)和电极(9)电连接，压电基底(7)蒸镀有螺旋形叉指换能器(8)的一面上溅射有隔膜(10)。
2.根据权利要求1所述的一种用于单颗粒操控的声镊系统，其特征在于：所述的压电基底(7)形状为圆形，材质为铌酸锂晶体。
3.根据权利要求1所述的一种用于单颗粒操控的声镊系统，其特征在于：所述的螺旋形叉指换能器(8)由两条螺旋形叉指组成，螺旋形叉指的中心位于压电基底(7)的中心，螺旋形叉指的尺寸随着不同颗粒的控制需求进行调整。
4.根据权利要求1所述的一种用于单颗粒操控的声镊系统，其特征在于：所述的电极(9)分别从两条螺旋叉指换能器(8)末端引出至压电基底(7)边缘处。
5.根据权利要求1所述的一种用于单颗粒操控的声镊系统，其特征在于：所述的隔膜(10)为二氧化硅薄膜。
6.根据权利要求1所述的一种用于单颗粒操控的声镊系统，其特征在于：所述的微液池(2)为PDMS圆环。
7.根据权利要求1所述的一种用于单颗粒操控的声镊系统，其特征在于：所述的载玻片(3)材质为高硼硅玻璃，形状为圆形。
8.根据权利要求1所述的一种用于单颗粒操控的声镊系统，其特征在于：所述的三维移动平台包括底座(4-5)，底座(4-5)上连接有底部固定结构(4-4)，底部固定结构(4-4)上连接有自动XYZ移动平台(4-3)，自动XYZ移动平台(4-3)上连接有手动XYZ移动平台(4-2)，手动XYZ移动平台(4-2)上连接有上固定结构(4-1)，上固定结构(4-1)上固定有声镊装置固定结构(5)；三维移动平台具有视觉系统、误差反馈系统和电动控制系统。
9.根据权利要求1所述的一种用于单颗粒操控的声镊系统，其特征在于：所述的载玻片固定结构包括两个纵向支架(6-3)，两个纵向支架(6-3)设置在三维移动平台的两侧，纵向支架(6-3)底部通过支架底座(6-4)固定在三维移动平台上，每个纵向支架(6-3)和一个横向支架(6-2)一端连接，两个横向支架(6-2)另一端和含螺孔圆环(6-1)连接。
10.根据权利要求1所述的一种用于单颗粒操控的声镊系统，其特征在于：所述的声镊装置固定结构(5)形状为长方体，在其上方含有一个沉孔和若干螺孔。
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