CN1488749A - 利用液体冷冻时形成的冰球操纵微小物体的冰镊 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的操纵微小物体的冰镊，包括微细探针，该微细探针为由同心放置的液氮传送内层管，中层管和外层管构成的三层同心套管，中层管和液氮传送内层管之间的空间构成液氮气化后的气体回流通道，中层管和外层管之间的空间为真空层；一与微细探针连接成一体的圆锥体型冰镊探头，其内设有与微细探针的液氮传送内层管相通的液氮通道；一包覆在微细探针和冰镊探头外表面上的微型电加热薄膜；该冰镊采用液氮制冷，通过改变微型电加热薄膜上的电流大小实现不同的加热，从而用控制冰球的大小来实现微小物件的操作和卸载，而且其操作的连续性好，可控位移范围宽、力量大、速度响应快、结构简单、成本低，操作十分简便等优点。

Description

利用液体冷冻时形成的冰球操纵微小物体的冰镊

技术领域

本发明涉及一种对带有水分或置于悬浮液体中的微小物体进行操纵的装置，特别涉及一种利用液体冷冻时形成的冰球操纵微小物体的冰镊。

背景技术

当前自然科学与工程技术发展的一个重要趋势是朝微型化迈进，其中对微小物体的操纵是一大类重要问题，比如在许多微/纳米器件应用场合及加工情况下，需要对微小物体实现精密的位移控制；近期，人们提出了在液体环境中对微小物体进行激光加工，而这也有赖于微操作；特别是，在医学生物学领域内，对微小细胞体进行主动操作长期为细胞生物学家所梦寐以求，按照Bell实验室科学家Ashkin(1986年提出光镊技术)的说法[李银妹编译，光镊原理、技术和应用，合肥：中国科学技术大学，1996]，“将细胞器从其正常位置移走的能力，为我们打开了精确研究细胞功能的大门”。

目前，在操纵液体环境中的微小物体如细胞方面，光镊是最有前景的技术之一，这是一种基于激光光学效应引起的光压操纵微小物体的方法，它使得可对落入以光镊的光所形成的光场中的微小颗粒进行牵引和操纵[李银妹编译，光镊原理、技术和应用，合肥：中国科学技术大学，1996]，从而由此可迅速捕捉和输运染色体、细菌、病毒甚至细胞，该技术为细胞导入外源基因、研究和改变染色体结构、研究细胞器的结构功能以及进行物种杂交等生命科学前沿课题展示了广阔的前景。然而，光镊技术也存在一定不足，这主要体现在，①难以控制的激光能量可能会导致所操纵细胞的温升过高以至破坏细胞，从而使活体细胞研究中断；而且，实现一套激光光镊系统需要激光器及其调节装置，光镊技术使用中要通过显微镜将光束聚集到亚微米大小的光点，再辅以精密机械定位系统、光学显微镜以及其它技术进行精确定位、操纵和观测细胞，由此使得②整套机构庞大，设备复杂，费用昂贵；再者，③对于一些体积乃至质量较大的细胞等微小物体，激光光压的强度并不足以导致其发生位移，因而会使操作无效。

除光镊技术外，人们也尝试采用其他方式如电、磁、声等作用机制来控制微小物体，但这些方式都无一例外地要引入外场效应，从而会改变物体本身的某些物理化学行为，以至影响对真实物理过程的理解。

目前，人们发现，热信号是控制一些“微小”机器的最合适的工具之一[刘静，微米/纳米尺度传热学，北京：科学出版社，2001]。与热驱动相比，一些传统微致动技术如堆型压电驱动器若要实现较大的力输出，则其位移相对较小(＜10μm)；而双压电晶片虽可获得大的位移，但输出力又相对较小；此外，电力驱动则对颗粒和潮湿环境非常敏感；而磁致动又不易加工到亚毫米尺度。基于以上考虑，本发明利用热方法的独特性能，提供一种可以固定和操纵微小物体尤其是悬浮液环境中的微小物体如细胞等的装置，在一定程度上克服上述光镊等微操作装置的不足，成为操纵微小物体的一种安全有效的全新手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用液体冷冻时形成的冰球操纵微小物体的冰镊。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的利用液体冷冻后形成的冰球操纵微小物体的冰镊，其特征在于，该冰镊包括：

一微细探针1，该微细探针为由同心放置的液氮传送内层管11，中层管12和外层管13构成的三层同心套管，中层管12和液氮传送内层管11之间的空间构成液氮气化后的气体回流通道，中层管12和外层管13之间的空间为真空层；

一与微细探针1连接成一体的圆锥体型冰镊探头2，其内设有与微细探针1的液氮传送内层管11相通的液氮通道；以及

一微型电加热薄膜3，该微型电加热薄膜3包覆在微细探针1及冰镊探头2的部分或全部外表面上；

所述的微细探针1的圆柱形外径为1mm-10mm，长度为10mm-200mm；所述的冰镊探头2的圆锥体锥度为1-10°；所述的微细探针1和冰镊探头2由高热导率的材料制成；所述高热导率的材料为不锈钢，铜，银或金；

所述的微型电加热薄膜3为一种其外表面上覆盖有绝热膜的电加热丝构成的薄膜，所述电加热丝由镍-铬合金丝绕制而成，所述绝热膜为聚四氟乙烯膜；其厚度为1nm-1mm；

所述的冰镊探头2外表面上设有一个或多个温度传感器4，如热电偶温度传感器；

本发明的利用液体冷冻后形成的冰球操纵微小物体的冰镊，还进一步包括一操作控制装置，该操作控制装置包括一用于固定所述微细探针1，并使其作三维空间移动的微操作台81，一用于控制该微操作台81动作的微操作控制仪82，微操作控制仪82由一电脑83控制操作；所述的操作控制装置还包括一与电脑83连接的显微镜84。

上述显微操作装置对微小物体进行固定和操纵过程是这样实现的：

a).将冰镊固定在微操作台上，启动微操作控制仪、电脑与显微镜。

b).通过显微镜的观察，使冰镊探头的尖部靠近或接触置于液体中或带有水分的微小物体。启动制冷元件，同时设置好微型电加热薄上的电流大小。几秒钟后，冰球即在微小物体朝向冰镊的表面形成，则该微小物体得到固定；

c).结合显微镜和微操作仪，对固定在冰镊探头尖部的微小物体进行三维方向上的移动和旋转等操作。当样品到达目标地点时，通过调整微型电加热膜上的电流大小，使冰球融化，即实现对该微小物体的卸载，从而开展一系列的研究工作。

当冰镊触及带有水份或置于液体环境中的微小物体时，会迅速在二者之间形成一个冰球(由于二者间的结合力很大，这一微小冰球可以带动质量很大的物体)，这是因为微小物体上面向冰镊的表面实际上充当了一个结冰的成核区域，因而结冰极易发生在微小物体表面而不是周围的液体中，所以，冰镊操纵微小物体往往显得准确而快速。本发明提供的利用冷冻形成的冰球固定和操作微小物体的概念具有一定的普遍性，可应用于更多更复杂的操作环境，比如，对于微/纳米器件的旋转操作、搬运以及DNA分子等的移动，而这在生命科学和微/纳米技术等领域内会有十分重要的实用价值。

综上所述，本发明所实现的冰镊及其显微操作装置结构紧凑简单，具有很高的性能价格比。而现有的微操作仪大多采用除热方法之外的途径实现，对材料的要求较高，制造成本高，操作复杂，且在液体环境下使用时受到一定限制。直接利用微小物体所在液体环境对其进行固定和操纵是较佳的办法，这也是本发明提出的关键之处。本仪器的核心原理在于利用液体冷冻形成的冰球固定和操纵细胞或微小物质颗粒，无需复杂用于抓取物体的机械结构，可以利用现有的显微操作台，且不引入外场效应，因而较之以往方法大大简化；而且，使用时安全可靠；特别是，冰镊技术可以实现对较重样品的搬运，而光镊技术则很难做到。本发明由于采用了液氮冷技术，通过改变微型电加热薄上的电流大小即可实现不同的加热功能，从而可以控制冰球的大小并且可以实现微小物件7的卸载，连续性好，能较好地满足三维移动的要求，具有可控位移范围宽、力量大、响应速度快、结构简单、成本低，操作十分简便等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明对微小物体进行操作的示意图；

图3为本发明对液体环境中进行微小物体进行操作的示意图；

其中：微细探针1            冰镊探头2         微型电加热薄膜3

      液氮传送内层管11     中层管12          外层管13

      温度传感器4          微操作台81        微操作控制仪82

      电脑83               显微镜84          容器85

      液体环境86    样品台87     冰球6       微小物体7

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例进一步展开说明。

图1为本发明的结构示意图；图2为本发明对微小物体进行操作的示意图；

由图可知，本发明提供的利用液体冷冻后形成的冰球操纵微小物体的冰镊，该冰镊包括：一微细探针1，该微细探针为由同心放置的液氮传送内层管11，中层管12和外层管13构成的三层同心套管，中层管12和液氮传送内层管11之间的空间构成液氮气化后的气体回流通道，中层管12和外层管13之间的空间为真空层；一与微细探针1连接成一体的圆锥体型冰镊探头2，其内设有与微细探针1的液氮传送内层管11相通的液氮通道；以及一微型电加热薄膜3，该微型电加热薄膜3包覆在微细探针1及冰镊探头2的部分或全部外表面上；所述的微细探针1的圆柱体外径为1mm-10mm，长度为10mm-200mm；所述的冰镊探头2的圆锥体锥度为1-10°；所述的微细探针1和冰镊探头2由高热导率的材料制成；所述高热导率的材料为不锈钢，铜，银或金；所述的微型电加热薄膜3为一种其外表面上覆盖有绝热膜的电加热丝构成的薄膜，所述电加热丝由镍-铬合金丝绕制而成，所述绝热膜为聚四氟乙烯膜；其厚度为1nm-1mm；所述的冰镊探头2外表面上设有一温度传感器4，如热电偶温度传感器；

图3为本发明对液体环境中进行微小物体进行操作的示意图；由图3可知，本发明的利用液体冷冻后形成的冰球操纵微小物体的冰镊，还进一步包括一操作控制装置，该操作控制装置包括一用于固定所述微细探针1，并使其作三维空间移动的微操作台81，一用于控制该微操作台81动作的微操作控制仪82，微操作控制仪82由一电脑83控制操作；所述的操作控制装置还包括一与电脑83连接的显微镜84。

实施例1

请参阅图1，其为本发明利用液氮制冷的冰镊的结构示意图。在该冰镊中，冷却介质——液氮储存于一特定容器中，经由微细探针1的液氮传送内层管11到达冰镊探头2；中层管12和外层管13之间构成真空层，中层管12和液氮传送内层管11构成液氮气化后的气体回流通道，这样不但有利于液氮的传输，而且通过真空层的绝热作用可以大大降低低温对于周围环境的影响，可以避免在微细探针1的外表面结霜、结露；液氮在一定的正压力作用下，经由液氮传送内层管11喷射到冰镊探头2的内表面，实现相变换热；冰镊探头2由高热导率的金属(如不锈钢、铜、银或金等)制成；微细探针1与冰镊探头2之间通过激光焊接或者真空钎焊连接为一体。在实施冷冻后，通过冰镊探头2尖部形成的冰球6固定微小物体7，并在三维方向上加以操作。微细探针1为圆柱体型，其直径在1mm-10mm之间，冰镊探头2加工成圆锥体型，其圆锥体大端直径与微细探针1外径一致，其锥度在1-10°范围内；为了避免冰镊产生过大的冰球，干扰对微小物体的固定和操作，在冰镊探头2的一部分外表面上覆有微型电加热薄膜4，电加热膜内部具有电加热丝，通过改变加热电流的强度，不但可以控制形成的冰球大小，而且可以卸载已固定的微小物件，由此可以实现对液体环境中的微小物体进行固定、移动、旋转、碰撞、卸载等复杂操作。冰镊探头2的表面设置温度传感器4，以便监测冰镊的温度。

其优点在于冷却速度快，冷冻强度高，沿途冷量损失小，可以在较短时间内形成冰球。

实施例2

请参阅图3，本发明的利用液体冷冻后形成的冰球操纵微小物体的冰镊，还进一步包括一操作控制装置，该操作控制装置包括一用于固定所述微细探针1，并使其作三维空间移动的微操作台81，一用于控制该微操作台81动作的微操作控制仪82，微操作控制仪82由一电脑83控制操作；所述的操作控制装置还包括一与电脑83连接的显微镜84。

其中，微操作台81通过其上的夹持机构固定冰镊，以控制该冰镊在三维方向运动，达到显微操作的目的；微操作控制仪82和电脑83为整套仪器的自动控制系统，通过专门的软件对显微操作进行控制；显微镜84是观察微观世界的工具，其通过数据采集卡和电脑83进行连接；冰镊安装在微操作台81上，在微操作控制仪82和电脑84的控制下，实现在三维方向上操纵液体环境中的微小物体。由于微细探针1和冰镊探头2可以加工到很小(直径小于1mm)，因而比较适合于在生物显微镜8下进行观察。该显微操作装置的固定和操纵过程是这样实现的：

a)对微细探针1及冰镊探头2进行清洁，消毒；加满液氮容器，检查液氮传输管路的畅通；将充满液体环境7的容器86固定在样品台87上，并将冰镊固定在微操作台81上，启动微操作控制仪82、电脑83与显微镜84；

b)将冰镊插入含有微小物体的液体环境86中，通过显微镜84的观察，将冰镊探头2的尖部靠近微小物体。开启液氮容器的开关，同时设置好微型电加热薄膜3上的电流大小，几秒钟后，冰球即在微小物体朝向冰镊的表面形成，则微小物件得到固定；

c)结合显微镜84和微操作仪81，对固定在冰镍探头2尖部的微小物体即可进行三维方向上的移动和旋转等操作。当样品到达目标地点时，通过调整微型电加热薄膜4上的电流大小，使冰球融化，即实现对微小物件的卸载。

由于该实施例中采用了冷却速度快，冷却强度高的液氮制冷的冰镊，实现了在液体环境中准确，快速地固定和操纵目标微小物体。

实际应用中，冰镊探头2也可以和其他显微操作探针配合使用，可以实现对微小生物样品或生物细胞等的内部操作，如抽取和加入遗传物质，细胞膜打孔等复杂的研究内容。在非液体情况下，本发明可以实现对微小对象的固定和操作，这在许多微/纳米加工领域的微小物体的搬运和操纵方面会有重要应用。比如通过对微小样品表面预先覆盖一层液体薄膜，冰镊探头2可对此进行冻结并完成对样品的抓取或卸载，其独特的优点在于不会对所操作对象造成污染和机械损伤。本发明中，冰球的大小和温度可以得到充分的控制，因而对液体内的微小物体的操作是相当安全的。

本发明具有很多优点，首先，采用液氮制冷可以加快冰镊探头2形成冰球的速度，使用方便，可通过改变微型电加热薄膜4的加热电流大小实现多种调控方案；另一方面，由于冰镊探头2极小，产生的冰球可以精确的固定和操纵微小物体，且不会损坏生物样品；该冰镊可以在现有的显微操作系统上使用，无需引入其他装置，结构紧凑，对于实验研究比较有利。正是由于这些综合因素，使得本发明的冰镊和显微操作装置制造成本价格较低，相比以往的光镊等技术在某些方面具有一定优势。

Claims (11)

1、一种利用液体冷冻后形成的冰球操纵微小物体的冰镊，其特征在于，该冰镊包括：

一微细探针(1)，该微细探针为由同心放置的液氮传送内层管(11)，中层管(12)和外层管(13)构成的三层同心套管，中层管(12)和液氮传送内层管(11)之间的空间构成液氮气化后的气体回流通道，中层管(12)和外层管(13)之间的空间为真空层；

一与微细探针(1)连接成一体的圆锥体型冰镊探头(2)，其内设有与微细探针(1)的液氮传送内层管(11)相通的液氮通道；以及

一微型电加热薄膜(3)，该微型电加热薄膜(3)包覆在微细探针(1)及冰镊探头(2)的部分或全部外表面上。

2、如权利要求1所述的利用液体冷冻后形成的冰球操纵微小物体的冰镊，其特征在于，所述的微细探针(1)的圆柱形外径为1mm-10mm，长度为10mm-200mm；所述的冰镊探头(2)的圆锥体锥度为1-10°。

3、权利要求1所述的利用液体冷冻后形成的冰球操纵微小物体的冰镊，其特征在于，所述的微细探针(1)由高热导率的材料制成。

4、如权利要求3所述的利用液体冷冻后形成的冰球操纵微小物体的冰镊，其特征在于，所述的冰镊探头(2)由高热导率的材料制成。

5、如权利要求3或4所述的利用液体冷冻后形成的冰球操纵微小物体的冰镊，其特征在于，所述高热导率的材料为不锈钢，铜，银或金。

6、如权利要求1所述的利用液体冷冻后形成的冰球操纵微小物体的冰镊，其特征在于，所述的微型电加热薄膜(3)为一种其外表面上覆盖有绝热膜的电加热丝构成的薄膜，所述电加热丝由镍-铬合金丝绕制而成，所述绝热膜为聚四氟乙烯膜。

7、如权利要求6所述的利用液体冷冻后形成的冰球操纵微小物体的冰镊，其特征在于，所述的微型电加热薄膜(3)厚度为1nm-1mm。

8、如权利要求1所述的利用液体冷冻后形成的冰球操纵微小物体的冰镊，其特征在于，所述的冰镊探头(2)外表面上设有一温度传感器(4)。

9、如权利要求8所述的用于操纵微小物体的冰镊，其特征在于，所述的温度传感器(4)为热电偶温度传感器。

10、如权利要求1所述的利用液体冷冻后形成的冰球操纵微小物体的冰镊，其特征在于，还进一步包括一操作控制装置，该操作控制装置包括一用于固定所述微细探针(1)，并使其作三维空间移动的微操作台(81)，一用于控制该微操作台(81)动作的微操作控制仪(82)，微操作控制仪(82)由一电脑(83)控制操作。

11、如权利要求10所述的利用液体冷冻后形成的冰球操纵微小物体的冰镊，其特征在于，所述的操作控制装置还包括一与电脑(83)连接的显微镜(84)。

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