CN112466733B - 一种针对生物样本的磁场驱动控制显微操作系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对生物样本的磁场驱动控制显微操作系统。磁场发生器包括三组麦克斯韦线圈组以及用于固定三组麦克斯韦线圈组的线圈固定台，三组线圈组分别正交；成像系统包括X方向移动滑台和Y方向移动滑台，支架设置在X方向移动滑台和Y方向移动滑台的交接处，电子显微镜设置在支架上，支撑台穿过Z方向麦克斯韦线圈的中心，且支撑台位于Y方向麦克斯韦线圈组内部，电子显微镜包括生物样本装载及操作台，生物样本装载及操作台设置于支撑台上，生物样本装载及操作台包括磁控机器人，磁控机器人根据不同生物样本和不同的实验任务选用不同的结构。本发明能够对生物研究中任意的生物样本实验对象以及任意的实验任务的显微操作。

Description

一种针对生物样本的磁场驱动控制显微操作系统

技术领域

本发明涉及显微操作设备技术领域，特别是涉及一种针对生物样本的磁场驱动控制显微操作系统。

背景技术

在针对生物样本的显微操作中，通常需要对微小的生物样本进行大规模高通量的注射，观察，力学特性测量等，而进行这些操作时通常需要将生物样本转移到相应的位置并进行姿态调整、固定等以便对特定的器官进行注射、观测、测量。传统的人工操作时，一般操作人员用玻璃管产生负压对生物体进行吸取，再放置于根据不同生物样本要求制作的琼脂板中进行平面的生物样本姿态定位及固定，最后进行注射各种操作。该过程需要人长时间在显微镜下操作，对操作人员要求较高，一般需经过半年以上的专业培训，而且对于一个生物样本的操作往往会花费数分钟。同时采用负压进行吸持后转移对负压大小的选取一般是根据经验确定，难以保证不对生物样本造成损伤，而且为了进行平面的姿态定位及固定往往需要花一到两天时间额外制作一套专用的琼脂板。

为了解决以上问题，国内外研究者提出了多种解决方式，其中最常见的方法是使用微流控芯片进行生物样本的传输和姿态调整等，但其针对不同的生物样本需要专门的流道，且一旦设计好，只能针对专门的任务，无法灵活的去适应任务的变化。因此需要一款能针对多任务，不同类型生物样本的，能进行转移、平面姿态调整，固定的方法，并进一步实现显微操作中的注射，观测，测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对生物样本的磁场驱动控制显微操作系统，能够对生物研究中任意的生物样本实验对象进行任意的实验任务的显微操作。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种针对生物样本的磁场驱动控制显微操作系统，包括：磁场发生器、成像系统、支架、电子显微镜和支撑台；

所述磁场发生器包括X方向麦克斯韦线圈组、Y方向麦克斯韦线圈组、Z方向麦克斯韦线圈组以及用于固定所述X方向麦克斯韦线圈组、所述Y方向麦克斯韦线圈组和所述Z方向麦克斯韦线圈组的线圈固定台，所述X方向麦克斯韦线圈组、所述Y方向麦克斯韦线圈组和所述Z方向麦克斯韦线圈组分别正交；

所述成像系统包括X方向移动滑台和Y方向移动滑台，所述支架设置在所述Y方向移动滑台上，所述电子显微镜设置在所述支架上，所述支撑台穿过所述Y方向麦克斯韦线圈的中心，且所述支撑台位于所述Z方向麦克斯韦线圈组内部，所述电子显微镜包括生物样本装载及操作台，所述生物样本装载及操作台设置于所述支撑台上，所述生物样本装载及操作台包括磁控机器人，所述磁控机器人根据不同生物样本和不同的实验任务选用不同的结构。

可选地，所述生物样本装载及操作台还包括载物台、注射针、弹簧、持针器、滑块、光杆、固定块和微动器，所述磁控机器人设置于所述载物台内部，所述注射针一端通过带橡胶圈密封的孔洞伸入所述载物台内部，另一端固定于所述持针器中，所述持针器固定于所述滑块上，所述持针器的尾部通过注射管道与注射泵连接，所述滑块通过所述弹簧与所述载物台连接，所述光杆的前端与所述滑块连接，所述光杆的后端与所述固定块连接，所述滑块在所述光杆上滑动，所述固定块通过螺纹与所述微动器连接，所述微动器转动时能推动所述滑块前进。

可选地，所述支架包括第一支撑杆和第二支撑杆，所述第一支撑杆设置在所述Y方向移动滑台上，且所述第一支撑杆与所述Y方向麦克斯韦线圈组平行设置，所述第二支撑杆与所述第一支撑杆垂直，所述第一支撑杆与所述Z方向麦克斯韦线圈组相互平行，所述电子显微镜设置在所述第二支撑杆的圆环里。

可选地，在对规则的生物样本进行观测和注射时，所述磁控机器人采用T形两轮机器人。

可选地，在对不规则的生物样本进行观测和注射时，所述磁控机器人采用U形机器人。

可选地，在对生物样本的力学特征测量时，所述磁控机器人采用圆-凹机器人。

可选地，所述X方向麦克斯韦线圈组、所述Y方向麦克斯韦线圈组和所述Z方向麦克斯韦线圈组分别通过螺栓与所述线圈固定台连接。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开的针对生物样本的磁场驱动控制显微操作系统，能够对不同类型生物样本进行显微操作。本发明公开的针对生物样本的磁场驱动控制显微操作系统，针对生物样本的操作，可通过电脑端控制来完成各种任务，操作简单易上手，同时避免因经验不足而对生物样本造成的损伤。本发明公开的针对生物样本的磁场驱动控制显微操作系统能实现对生物样本的转运、二维姿态调整和固定，进而可选择合适的磁性机器人实现操作中的不同任务如观测，注射，力学特性测量等多种任务。本发明公开的针对生物样本的磁场驱动控制显微操作系统能够对不同类型的生物样本如规则的卵细胞和不规则的生物幼虫，选择合适的磁性机器人进行操作。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明针对生物样本的磁场驱动控制显微操作系统结构示意图；

图2为本发明针对生物样本的磁场驱动控制显微操作系统的整体装配图；

图3为本发明生物样本装载及操作台示意图；

图4为本发明T形两轮机器人组成结构示意图；

图5为本发明U形机器人组成结构示意图；

图6为本发明圆-凹机器人组成结构示意图。

具体实施方式

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。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。

本发明的目的是提供一种针对生物样本的磁场驱动控制显微操作系统，能够对生物研究中任意的生物样本实验对象以及任意的实验任务的显微操作。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明针对生物样本的磁场驱动控制显微操作系统结构示意图。如图1所示，一种针对生物样本的磁场驱动控制显微操作系统包括：磁场发生器、成像系统、支架10、电子显微镜2和支撑台7；所述磁场发生器包括X方向麦克斯韦线圈组1、Y方向麦克斯韦线圈组4、Z方向麦克斯韦线圈组3以及用于固定所述X方向麦克斯韦线圈组1、所述Y方向麦克斯韦线圈组4和所述Z方向麦克斯韦线圈组3的线圈固定台6，所述X方向麦克斯韦线圈组1、所述Y方向麦克斯韦线圈组4和所述Z方向麦克斯韦线圈组3分别正交；所述成像系统包括X方向移动滑台8和Y方向移动滑台9，所述支架10设置在所述Y方向移动滑台9上，所述电子显微镜2设置在所述支架10上，所述支撑台7穿过所述Y方向麦克斯韦线圈的中心，且所述支撑台7位于所述Z方向麦克斯韦线圈组4内部，所述电子显微镜2包括生物样本装载及操作台5，所述生物样本装载及操作台5设置于所述支撑台7上，所述生物样本装载及操作台5包括磁控机器人51，所述磁控机器人51根据不同生物样本和不同的实验任务选用不同的结构。图2为本发明针对生物样本的磁场驱动控制显微操作系统的整体装配图。

如图3所示，所述生物样本装载及操作台5还包括载物台52、注射针53、弹簧54、持针器55、滑块56、光杆57、固定块58和微动器59，所述磁控机器人51设置于所述载物台52内部，所述注射针53一端通过带橡胶圈密封的孔洞而伸入所述载物台52内部，另一端固定于所述持针器55中，所述持针器55固定于所述滑块56上，所述持针器55的尾部通过注射管道与注射泵连接，所述滑块56通过所述弹簧54与所述载物台52连接，所述光杆57的前端与所述滑块56连接，所述光杆57的后端与所述固定块58连接，所述滑块56在所述光杆57上滑动，所述固定块58通过螺纹与所述微动器59连接，所述微动器59转动时能推动所述滑块56前进。

所述支架10包括第一支撑杆和第二支撑杆，所述第一支撑杆设置在所述Y方向移动滑台9上，且所述第一支撑杆与所述Y方向麦克斯韦线圈组4平行设置，所述第二支撑杆与所述第一支撑杆垂直，所述第一支撑杆与所述Z方向麦克斯韦线圈组3相互平行，所述电子显微镜2设置在所述第二支撑杆的圆环里。

在对规则的生物样本进行观测和注射时，所述磁控机器人51采用T形两轮机器人。如图4所示，所述的T形机器人包括末端配重轮5111、机器人车身5112、滚轮5113和磁铁5114。

在对不规则的生物样本进行观测和注射时，所述磁控机器人51采用U形机器人。如图5所示，所述U形机器人包括机器人车身5121、用于驱动机器人移动的磁性轮5122和用于控制前端夹住生物样本的磁性夹爪5123。

在对生物样本的力学特征测量时，所述磁控机器人51采用圆-凹机器人。如图6所示，所述圆-凹机器人包括磁性驱动轮5131和机器人车身5132，在机器人车身前端有凹槽用于对生物样本如卵细胞进行固定，在前端的另一侧安装有磁场驱动探头5133，在磁场的驱动下可产生不同大小的力作用于生物样本上进行力学特征的测量。

所述X方向麦克斯韦线圈组1、所述Y方向麦克斯韦线圈组4和所述Z方向麦克斯韦线圈组3分别通过螺栓与所述线圈固定台6连接。

本发明针对生物样本的磁场驱动控制显微操作系统，在进行针对生物样本的实验前，先确定生物样本是规则的还是不规则的形状，并根据不同的任务，选择不同的磁控机器人51放入载物台52中，如对于规则生物体如卵细胞，在进行需要转运到指定位置的观测实验时，选择T形两轮机器人，在进行注射实验时，同样选用T形两轮机器人，在进行细胞力学特性测量时，选择圆-凹形机器人；对于非规则生物体如生物幼虫，在进行转运时选用U形机器人，在进行注射实验时，同样选用U形机器人，因非规则生物的力学参数各向异性，因此暂不支持力学特性测量。选择好相应的磁控机器人51后，将其放入载物台52，并同时放入若干需要研究的生物样本于载物台52中，通过电子显微镜2反馈的图像可以实时定位磁控机器人51，再通过电脑界面设定机器人移动速度和角速度，即可操控磁控机器人51的移动，对磁控机器人51具体的操控方法是：通过改变电流来控制线圈产生的磁场强度。通过三组线圈磁场的合成，形成空间旋转磁场，带动每个机器人中的磁铁转动，进而推动整个机器人运动。再通过指令控制可平面移动的成像系统在载物台52中找到需要操作的生物样本的位置，找到目标位置后，可通过控制磁控机器人51前进后退，左转右转，来移动磁控机器人51到目标生物样本位置。对于需要转运的观测任务，需将凹口对准生物样本装载进磁控机器人51的凹槽内，再控制磁控机器人51的速度和角速度，将生物样本转运到目标位置，并调整好二维姿态，再将生物样本从凹槽中释放出来，依次进行上述过程，将若干生物样本按要求摆放于载物台52中，再控制相机移动进行观察，对于非规则形状的生物样本由于容易滑落，因此针对这个问题在前端设计了磁控夹爪，可通过改变磁场的方向来控制张开和闭合。对于注射任务，首先运动到指定位置，再操控手动注射器，对生物体进行注射，通过转动微动器59推动滑块56进针，直到刺穿生物样本，再打开注射泵进行注射，在该过程中磁控机器人51需要一直保持其位置不动，因此当受到注射针53的力往后位移时需要向前运动去补偿这个位移，而对于非规则形状的生物样本注射时，往往会受力而自身发生变形，而磁控机器人51不会后退，对此使用U形机器人前端的磁性夹爪在特定磁场方向控制下夹住生物样本，再进行注射。对于力学特性测量任务，将规则生物体放入凹槽后，先调整磁场方向，再不断增大磁场强度，根据公式：τ＝M×B，其中τ为所施加的转矩，M为磁铁磁矩，B为磁场大小。计算所施加的载荷，同时通过电子显微镜2检测规则生物体的形状变化，记录下形变的所施加的力的大小即可完成力学特性的测量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种针对生物样本的磁场驱动控制显微操作系统，其特征在于，包括：

磁场发生器、成像系统、支架、电子显微镜和支撑台；

所述磁场发生器包括X方向麦克斯韦线圈组、Y方向麦克斯韦线圈组、Z方向麦克斯韦线圈组以及用于固定所述X方向麦克斯韦线圈组、所述Y方向麦克斯韦线圈组和所述Z方向麦克斯韦线圈组的线圈固定台，所述X方向麦克斯韦线圈组、所述Y方向麦克斯韦线圈组和所述Z方向麦克斯韦线圈组分别正交；

所述成像系统包括X方向移动滑台和Y方向移动滑台，所述支架设置在所述Y方向移动滑台上，所述电子显微镜设置在所述支架上，所述支撑台穿过所述Y方向麦克斯韦线圈的中心，且所述支撑台位于所述Z方向麦克斯韦线圈组内部，所述电子显微镜包括生物样本装载及操作台，所述生物样本装载及操作台设置于所述支撑台上，所述生物样本装载及操作台包括磁控机器人，所述磁控机器人根据不同生物样本和不同的实验任务选用不同的结构，在对规则的生物样本进行观测和注射时，所述磁控机器人采用T形两轮机器人。

2.根据权利要求1所述的针对生物样本的磁场驱动控制显微操作系统，其特征在于，所述生物样本装载及操作台还包括载物台、注射针、弹簧、持针器、滑块、光杆、固定块和微动器，所述磁控机器人设置于所述载物台内部，所述注射针一端通过带橡胶圈密封的孔洞伸入所述载物台内部，另一端固定于所述持针器中，所述持针器固定于所述滑块上，所述持针器的尾部通过注射管道与注射泵连接，所述滑块通过所述弹簧与所述载物台连接，所述光杆的前端与所述滑块连接，所述光杆的后端与所述固定块连接，所述滑块在所述光杆上滑动，所述固定块通过螺纹与所述微动器连接，所述微动器转动时能推动所述滑块前进。

3.根据权利要求1所述的针对生物样本的磁场驱动控制显微操作系统，其特征在于，所述支架包括第一支撑杆和第二支撑杆，所述第一支撑杆设置在所述Y方向移动滑台上，且所述第一支撑杆与所述Y方向麦克斯韦线圈组平行设置，所述第二支撑杆与所述第一支撑杆垂直，所述第一支撑杆与所述Z方向麦克斯韦线圈组相互平行，所述电子显微镜设置在所述第二支撑杆的圆环里。

4.根据权利要求1所述的针对生物样本的磁场驱动控制显微操作系统，其特征在于，在对不规则的生物样本进行观测和注射时，所述磁控机器人采用U形机器人。

5.根据权利要求1所述的针对生物样本的磁场驱动控制显微操作系统，其特征在于，在对生物样本的力学特征测量时，所述磁控机器人采用圆-凹机器人。

6.根据权利要求1所述的针对生物样本的磁场驱动控制显微操作系统，其特征在于，所述X方向麦克斯韦线圈组、所述Y方向麦克斯韦线圈组和所述Z方向麦克斯韦线圈组分别通过螺栓与所述线圈固定台连接。

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