CN113894844B - 一种硅藻机器人的制备方法及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硅藻机器人的制备方法及应用方法。本发明中硅藻机器人在光镊系统施加的环形光捕获势阱的作用下发生可控旋转，由于硅藻机器人的快速旋转从而带动周围液体的流动，基于硅藻机器人特殊的形状，可以将微粒收集到硅藻机器人身上从而达到对微粒的移除效果。同理接下来又使用硅藻机器人对活性良好的形状各异的细菌进行可控的移除。此外硅藻机器人不仅可以实现对微粒和细菌进行有效的移除，且当微粒和细菌移除后硅藻机器人还可以重复使用。使用硅藻机器人不但能实现对微纳米尺寸的粒子的移除还能实现对细菌的移除。

Description

一种硅藻机器人的制备方法及应用方法

技术领域

本发明涉及微型机器人技术领域，特别是涉及一种硅藻机器人的制备方法及应用方法。

背景技术

微型机器人是潜在的环境修复工具，特别是用于微环境中微生物和微粒污染物的收集和移除。传统的微型机器人常存在着制备工艺复杂、运动不受控、需在特定环境下才可操纵等缺点，虽然这些微型机器人都能对微粒污染物和微生物进行收集，例如以海洋轮虫为材料的微型机器人，以镁微粒为基底包覆金、PLGA、藻酸盐、壳聚糖的微型机器人，以及在二氧化硅表面涂覆氧化石墨烯和铂的双面神微型机器人。但这些微型机器人均不能实现对纳米尺寸微粒的收集和移除。此外由于这些微型机器人的运动随机不受控，所以无法实现对微生物的可控收集以至移除。尽管微型机器人已被用于对微粒和微生物的收集，但并没有实现在微环境中对纳米尺寸的微粒及细菌进行有效的移除。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种硅藻机器人的制备方法及应用方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种硅藻机器人的制备方法，包括：

制备硅藻机器人溶液；

采用光镊系统施加中央光阱以捕获所述硅藻机器人溶液中硅藻机器人；

采用声光偏转系统将环形扫描光阱施加在所述硅藻机器人溶液中硅藻机器人的边界上，以形成预设转速的硅藻机器人。

优选地，所述制备硅藻机器人溶液，具体包括：

采用混合纤维素酯滤膜从硅藻母液中过滤得到硅藻；

将所述硅藻重悬于纯净水中得到所述硅藻机器人溶液。

优选地，所述硅藻为三角褐指藻；所述预设转速为140rpm～220rpm。

优选地，所述混合纤维素酯滤膜的规格为47mm×5μm。

一种采用硅藻机器人移除微粒的应用方法，所采用的硅藻机器人由上述提供的硅藻机器人的制备方法制备得到；所述应用方法包括：

将硅藻机器人溶液与聚苯乙烯微粒溶液混合得到混悬液；

采用光镊系统施加第一中央光阱以捕获所述混悬液中的硅藻机器人；

采用声光偏转系统将第一环形扫描光阱施加在捕获的硅藻机器人的边界上，以得到第一预设转速的硅藻机器人，具有第一预设转速的硅藻机器人通过旋转收集所述混悬液中的聚苯乙烯微粒；

采用第二中央光阱替代所述第一环形扫描光阱将收集有聚苯乙烯微粒的硅藻机器人移除，以完成微粒的去除工作。

优选地，聚苯乙烯微粒溶液为：200nm聚苯乙烯微粒悬浮液、500nm聚苯乙烯微粒悬浮液、800nm聚苯乙烯微粒悬浮液或2μm聚苯乙烯微粒悬浮液。

优选地，所述混悬液中硅藻机器人溶液与聚苯乙烯微粒溶液的体积比为4:1。

一种采用硅藻机器人移除细菌的应用方法，所采用的硅藻机器人由上述提供的硅藻机器人的制备方法制备得到；所述应用方法包括：

将硅藻机器人溶液与细菌溶液混合得到混悬液；

采用光镊系统施加第三中央光阱以捕获所述混悬液中的硅藻机器人；

采用声光偏转系统将第二环形扫描光阱施加在捕获的硅藻机器人的边界上，以得到第二预设转速的硅藻机器人，具有第二预设转速的硅藻机器人通过旋转收集所述混悬液中的细菌；

采用第四中央光阱替代所述第二环形扫描光阱将收集有细菌的硅藻机器人移除，以完成细菌的去除工作。

优选地，所述细菌溶液为大肠杆菌混悬液或葡萄球菌混悬液。

优选地，所述混悬液中硅藻机器人溶液与细菌溶液的体积比为10:1。

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：

本发明中，硅藻机器人在光镊系统施加的环形光捕获势阱的作用下发生可控旋转，由于硅藻机器人的快速旋转从而带动周围液体的流动，基于硅藻机器人特殊的形状，可以将微粒收集到硅藻机器人身上从而达到对微粒的移除效果。同理接下来又使用硅藻机器人对活性良好的形状各异的细菌进行可控的移除。此外硅藻机器人不仅可以实现对微粒和细菌进行有效的移除，且当微粒和细菌移除后硅藻机器人还可以重复使用。使用硅藻机器人不但能实现对微纳米尺寸的粒子的移除还能实现对细菌的移除。

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为本发明提供的硅藻机器人的制备方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的硅藻机器人的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的采用硅藻机器人进行微粒移除的实验结果图；

图4为本发明实施例提供的采用硅藻机器人进行细菌移除的实验结果图；

图5为本发明实施例提供的大肠杆菌移除实验结果对比图。

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硅藻机器人的制备方法及应用方法，在微环境中能够对纳米尺寸的微粒及细菌进行有效的移除。

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。

如图1所示，本发明提供的硅藻机器人的制备方法，包括：

步骤100：制备硅藻机器人溶液。

步骤101：采用光镊系统施加中央光阱以捕获硅藻机器人溶液中硅藻机器人。

步骤102：采用声光偏转系统将环形扫描光阱施加在硅藻机器人溶液中硅藻机器人的边界上，以形成预设转速的硅藻机器人。

对于硅藻机器人的可控旋转将通过标准光镊系统(Aresis Tweez 250si，工作波长：1064nm)施加中央光阱捕获硅藻机器人，然后由声光偏转(AOD)系统控制的环形扫描光阱施加在硅藻机器人的边界上，形成转速约为140rpm～220rpm的硅藻机器人，通过调节环形扫描光阱和中央光阱的光阱频率及光阱功率来控制硅藻机器人的旋转和运动，硅藻机器人的旋转速度可以通过改变环形扫描光阱的光阱功率和光阱频率来控制，因此可以说硅藻机器人是能实现可控旋转的。

例如，本发明上述制备硅藻机器人原料选用三角褐指藻。所选用的三角褐指藻，平均大小约8×1.8μm，角度120°，在分类上属硅藻门，羽纹纲，褐指藻目，褐指藻科，褐指藻属。制作成硅藻机器人的过程为：

从珠海市信瑞贸易有限公司采购三角褐指藻母液，使用时将三角褐指藻母液通过47mm×5μm混合纤维素酯滤膜得到三角褐指藻，随后将三角褐指藻重悬于1ml纯净水中制备成浓度约为1.0×10³～5.0×10³个/mL硅藻机器人溶液，使用移液枪吸取100μl硅藻机器人溶液置于载玻片放置在标准光镊系统(Aresis Tweez 250si，工作波长：1064nm)的观察平台，采用标准光镊系统施加中央光阱捕获硅藻机器人，然后由声光偏转(AOD)系统控制的环形扫描光阱施加在硅藻机器人的边界上，最终形成转速约为200rpm的硅藻机器人。

硅藻机器人在标准光镊系统(Aresis Tweez 250si工作波长1064nm)施加的环形光捕获势阱的作用下发生可控旋转，由于硅藻机器人的快速旋转从而带动周围液体的流动，基于硅藻机器人特殊的形状，呈现一个类似风力发电机的形貌，每个角的跨度约120°臂长约8～9μm，平均大小约8×1.8μm，如图2(a)所示。所以可以将200nm～2μm的微粒收集到硅藻机器人身上从而达到对微粒的移除效果，如图2(b)所示。同理，还可以使用硅藻机器人对活性良好的形状各异的细菌进行可控的移除。

基于上述制备的硅藻机器人的工作原理，本发明还对应提供了硅藻机器人的应用方法。

其中一种应用方法是采用硅藻机器人移除微粒，该应用方法包括：

将硅藻机器人溶液与聚苯乙烯微粒溶液混合得到混悬液。

采用光镊系统施加第一中央光阱以捕获混悬液中的硅藻机器人。

采用声光偏转系统将第一环形扫描光阱施加在捕获的硅藻机器人的边界上，以得到第一预设转速的硅藻机器人，具有第一预设转速的硅藻机器人通过旋转收集混悬液中的聚苯乙烯微粒。

采用第二中央光阱替代第一环形扫描光阱将收集有聚苯乙烯微粒的硅藻机器人移除，以完成微粒的去除工作。

上述采用的聚苯乙烯微粒溶液为：200nm聚苯乙烯微粒悬浮液、500nm聚苯乙烯微粒悬浮液、800nm聚苯乙烯微粒悬浮液或2μm聚苯乙烯微粒悬浮液。

200nm聚苯乙烯微粒悬浮液制备过程为：使用量程为10μl的移液枪吸取10μl的200nm聚苯乙烯微粒原液重悬于1ml的纯净水中，制备成浓度约为2.0×10⁴～6.0×10⁴个/mL200nm聚苯乙烯微粒悬浮液以供后续实验使用。

500nm聚苯乙烯微粒悬浮液制备过程为：使用量程为10μl的移液枪吸取10μl的500nm聚苯乙烯微粒原液重悬于1ml的纯净水中，制备成浓度为2.0×10⁴～6.0×10⁴个/mL500nm聚苯乙烯微粒悬浮液以供后续实验使用。

800nm聚苯乙烯微粒悬浮液制备过程为：使用量程为10μl的移液枪吸取10μl的800nm聚苯乙烯微粒原液重悬于1ml的纯净水中，制备成浓度为2.0×10⁴～6.0×10⁴个/mL800nm聚苯乙烯微粒悬浮液以供后续实验使用。

2μm聚苯乙烯微粒悬浮液制备过程为：使用量程为100μl的移液枪吸取50μl的2μm聚苯乙烯微粒原液重悬于1ml的纯净水中，制备成浓度为2.0×10⁴～6.0×10⁴个/mL2μm聚苯乙烯微粒悬浮液以供后续实验使用。

对应于上述提供的采用硅藻机器人移除微粒的应用方法提供的实施例为：

将硅藻机器人和聚苯乙烯微粒混合，二者悬浮液的体积比为4：1，然后将悬浮液滴加到载玻片上，并将载玻片放置在标准光镊系统的三维移位平台上，采用标准光镊系统施加中央光阱捕获硅藻机器人，然后由声光偏转(AOD)系统控制的环形扫描光阱施加在硅藻机器人的边界上，当标准光镊系统的光阱功率为25～100mW、光阱频率为500～1300Hz时形成转速约为150rpm～220rpm的硅藻机器人。由于硅藻机器人的快速旋转带动周围液体的流动从而将悬浮于周围的微粒收集到硅藻机器人身上，随后使用光阱功率为5～10mW、光阱频率为500～1300Hz的中央光阱替代光阱功率为25～100mW、光阱频率为500～1300Hz环形扫描光阱将硅藻机器人移除得到聚集在一起的聚苯乙烯微粒。这里我们以200nm、500nm、800nm、2μm的聚苯乙烯微粒为例，最终实验结果如图3所示，其中，图3a为聚苯乙烯微粒的移除过程示意图，图3b为200nm聚苯乙烯微粒的移除过程图，图3c为500nm聚苯乙烯微粒的移除过程图，图3d为800nm聚苯乙烯微粒的移除过程图，图3e为2μm聚苯乙烯微粒的移除过程图，图3f为聚苯乙烯微粒移除的整体效果图，图3g为200nm聚苯乙烯微粒移除的效果图，图3h为500nm聚苯乙烯微粒移除的效果图，图3i为800nm聚苯乙烯微粒移除的效果图，图3j为2μm聚苯乙烯微粒移除的效果图。

另一种应用方法为采用硅藻机器人移除细菌，该种应用方法包括：

将硅藻机器人溶液与细菌溶液混合得到混悬液。

采用光镊系统施加第三中央光阱以捕获混悬液中的硅藻机器人。

采用声光偏转系统将第二环形扫描光阱施加在捕获的硅藻机器人的边界上，以得到第二预设转速的硅藻机器人，具有第二预设转速的硅藻机器人通过旋转收集混悬液中的细菌。

采用第四中央光阱替代第二环形扫描光阱将收集有细菌的硅藻机器人移除，以完成细菌的去除工作。

其中，以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为例，细菌悬浮液的制备过程可以为：将大肠杆菌置于LB培养基中于37℃，180rpm的摇床中培养5h，然后用磷酸盐酸缓冲液进行清洗与稀释，直到浓度为3.0×10⁵～8.0×10⁵个/mL。将金黄色葡萄球菌置于LB培养基中于37℃，180rpm的摇床中培养6h，然后用磷酸盐酸缓冲液进行清洗与稀释，直到浓度为3.0×10⁵～8.0×10⁵个/mL。

基于上述制备得到的大肠杆菌悬浮液和金黄色葡萄球菌悬浮液进行移除实验，在实验时取浓度为1.0×10³～5.0×10³个/mL的硅藻机器人与浓度为3.0×10⁵～8.0×10⁵个/mL大肠杆菌悬浮液进行混合，将混合液通过注射器注射到载玻片上后，将载玻片放到标准光镊系统的三维操作平台，对硅藻机器人施加一定光阱功率和光阱频率的环形扫描光阱(具体参数在实施例)驱动硅藻机器人旋转，当转速达到140rpm～170rpm对大肠杆菌进行移除。实验时取浓度为1.0×10³～5.0×10³个/mL的硅藻机器人与浓度为3.0×10⁵～8.0×10⁵个/mL的金黄色葡萄球菌混合，将混合液使用注射器注射到载玻片上后，将载玻片放到标准光镊系统的三维操作平台，对硅藻机器人施加一定光阱功率和光阱频率环形扫描光阱(具体参数在实施例)驱动硅藻机器人旋转，当转速达到170rpm～190rpm对金黄色葡萄球菌进行移除。移除过程及实验效果如图4所示，其中，图4a为硅藻机器人对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行移除的过程原理图，图4b为硅藻机器人对大肠杆菌进行移除的过程图，图4c为硅藻机器人对金黄色葡萄球菌进行移除的过程图。

进一步，为了证明本发明上述制备的硅藻机器人能实现在狭小的空间中对微纳米尺寸的粒子和细菌的移除的功能。本发明还需要制作微流通道，制作微流通道的过程为：

采用CAD软件绘制微流芯片模型，随后将PDMS(深圳晓荷生物科技有限公司DowCorning/道康宁)放在真空泵中抽真空去除气泡，然后将抽完气泡的PDMS导入微流芯片中，使用70℃的微波炉加热3h加速PDMS的固化，随后将固化的PDMS模型紧贴在载玻片上制成微流通道。

基于上述制备得到的微流通道，本发明通过实验方式说明硅藻机器人在微流通道中进行微粒或细菌移除的效果。

(1)实验时取浓度为1.0×10³～5.0×10³个/mL的硅藻机器人与浓度为2.0×10⁴～6.0×10⁴个/mL的2μm聚苯乙烯微粒混合，将悬浮液通过注射器注射到微流通道中再把微流通道放到标准光镊系统的三维操作平台，采用标准光镊系统施加中央光阱捕获硅藻机器人，然后由声光偏转(AOD)系统控制的环形扫描光阱施加在硅藻机器人的边界上，当标准光镊系统的光阱功率为25～100mW、光阱频率为500～1300Hz时形成转速约为190rpm～220rpm的硅藻机器人。由于硅藻机器人的快速旋转带动周围液体的流动从而将悬浮于周围的微粒收集到硅藻机器人身上，随后使用光阱功率为5～10mW、光阱频率为500～1300Hz的中央光阱替代光阱功率为25～100mW、光阱频率为500～1300Hz环形扫描光阱将硅藻机器人移除得到聚集在一起的2μm聚苯乙烯微粒。

(2)实验时取浓度为1.0×10³～5.0×10³个/mL的硅藻机器人与浓度为3.0×10⁵～8.0×10⁵个/mL大肠杆菌混合，将混合液通过注射器注射到微流通道中再把微流通道放到标准光镊系统的三维操作平台，对硅藻机器人施加一定光阱功率和光阱频率的环形扫描光阱(具体参数在实施例)驱动硅藻机器人旋转，当转速达到140rpm～170rpm对大肠杆菌进行移除。

(3)实验时取浓度为1.0×10³～5.0×10³个/mL的硅藻机器人与浓度为3.0×10⁵～8.0×10⁵个/mL的金黄色葡萄球菌混合，将混合液使用注射器注射到微流通道中再把微流通道放到标准光镊系统的三维操作平台，对硅藻机器人施加一定光阱功率和光阱频率环形扫描光阱(具体参数在实施例)驱动硅藻机器人旋转，当转速达到170rpm～190rpm对金黄色葡萄球菌进行移除。

此外，以大肠杆菌为污染物进行移除时，当单独使用环形扫描光阱(光阱功率25～100mW光阱频率500～1300Hz)其收集效果达不到40％，后续的移除效果根本无法实现。若使用硅藻机器人进行移除(光阱功率25～100mW光阱频率500～1300Hz)，在相同的时间13.5s时其收集效果达到近乎100％，在16s时就可以把附着在硅藻机器人身上的污染物全部移除。二者的移除效果如图5所示，其中图5a为单独使用环形扫描光阱进行大肠杆菌移除的过程图，图5b为使用硅藻机器人进行大肠杆菌移除的过程图，图5c为单独使用环形扫描光阱进行大肠杆菌移除和使用硅藻机器人进行大肠杆菌移除的结果对比图。

本发明制备的硅藻机器人具有以下优点：

1、制备简单。

2、可重复使用。

3、相较于传统的移除，硅藻机器人不仅可以移除微米尺寸的微粒，还可以移除纳米尺寸的微粒。对粒子移除的尺寸达到了从微米级至纳米级的跨越。

4、相较于传统需在大空间中实现移除，硅藻机器人不仅可以在较大的空间中实现移除效果还可以在微米级的复杂环境中实现对微粒和细菌的有效移除，这说明硅藻机器人在微环境中的应用是极佳的。

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方法及其核心思想；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 (8)

1.一种采用硅藻机器人移除微粒的应用方法，其特征在于，所述应用方法包括：

将硅藻机器人溶液与聚苯乙烯微粒溶液混合得到混悬液；

采用光镊系统施加第一中央光阱以捕获所述混悬液中的硅藻机器人；

采用声光偏转系统将第一环形扫描光阱施加在捕获的硅藻机器人的边界上，以得到第一预设转速的硅藻机器人，具有第一预设转速的硅藻机器人通过旋转收集所述混悬液中的聚苯乙烯微粒；

采用第二中央光阱替代所述第一环形扫描光阱将收集有聚苯乙烯微粒的硅藻机器人移除，以完成微粒的去除工作；

其中，所采用的硅藻机器人由硅藻机器人的制备方法制备得到；所述硅藻机器人的制备方法包括：

采用混合纤维素酯滤膜从硅藻母液中过滤得到硅藻；

将所述硅藻重悬于纯净水中得到硅藻机器人溶液；

采用光镊系统施加中央光阱以捕获所述硅藻机器人溶液中硅藻机器人；

采用声光偏转系统将环形扫描光阱施加在所述硅藻机器人溶液中硅藻机器人的边界上，以形成预设转速的硅藻机器人。

2.根据权利要求1所述的采用硅藻机器人移除微粒的应用方法，其特征在于，聚苯乙烯微粒溶液为：200 nm聚苯乙烯微粒悬浮液、500 nm聚苯乙烯微粒悬浮液、800 nm聚苯乙烯微粒悬浮液或2 μm聚苯乙烯微粒悬浮液。

3.根据权利要求1所述的采用硅藻机器人移除微粒的应用方法，其特征在于，所述混悬液中硅藻机器人溶液与聚苯乙烯微粒溶液的体积比为4:1。

4.根据权利要求1所述的采用硅藻机器人移除微粒的应用方法，其特征在于，所述硅藻为三角褐指藻；所述预设转速为140 rpm~220 rpm。

5.根据权利要求1所述的采用硅藻机器人移除微粒的应用方法，其特征在于，所述混合纤维素酯滤膜的规格为47 mm × 5μm。

6.一种采用硅藻机器人移除细菌的应用方法，其特征在于，所述应用方法包括：

将硅藻机器人溶液与细菌溶液混合得到混悬液；

采用光镊系统施加第三中央光阱以捕获所述混悬液中的硅藻机器人；

采用声光偏转系统将第二环形扫描光阱施加在捕获的硅藻机器人的边界上，以得到第二预设转速的硅藻机器人，具有第二预设转速的硅藻机器人通过旋转收集所述混悬液中的细菌；

采用第四中央光阱替代所述第二环形扫描光阱将收集有细菌的硅藻机器人移除，以完成细菌的去除工作；

其中，所采用的硅藻机器人由硅藻机器人的制备方法制备得到；所述硅藻机器人的制备方法包括：

采用混合纤维素酯滤膜从硅藻母液中过滤得到硅藻；

将所述硅藻重悬于纯净水中得到硅藻机器人溶液；

采用光镊系统施加中央光阱以捕获所述硅藻机器人溶液中硅藻机器人；

采用声光偏转系统将环形扫描光阱施加在所述硅藻机器人溶液中硅藻机器人的边界上，以形成预设转速的硅藻机器人。

7.根据权利要求6所述的采用硅藻机器人移除细菌的应用方法，其特征在于，所述细菌溶液为大肠杆菌混悬液或葡萄球菌混悬液。

8.根据权利要求6所述的采用硅藻机器人移除细菌的应用方法，其特征在于，所述混悬液中硅藻机器人溶液与细菌溶液的体积比为10:1。

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