專利名稱：利用液體冷凍時形成的冰球操縱微小物體的冰鑷的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種對帶有水分或置于懸浮液體中的微小物體進行操縱的裝置，特別涉及一種利用液體冷凍時形成的冰球操縱微小物體的冰鑷。
背景技術：
當前自然科學與工程技術發(fā)展的一個重要趨勢是朝微型化邁進，其中對微小物體的操縱是一大類重要問題，比如在許多微/納米器件應用場合及加工情況下，需要對微小物體實現(xiàn)精密的位移控制；近期，人們提出了在液體環(huán)境中對微小物體進行激光加工，而這也有賴于微操作；特別是，在醫(yī)學生物學領域內，對微小細胞體進行主動操作長期為細胞生物學家所夢寐以求，按照Bell實驗室科學家Ashkin(1986年提出光鑷技術)的說法[李銀妹編譯，光鑷原理、技術和應用，合肥中國科學技術大學，1996]，“將細胞器從其正常位置移走的能力，為我們打開了精確研究細胞功能的大門”。
目前，在操縱液體環(huán)境中的微小物體如細胞方面，光鑷是最有前景的技術之一，這是一種基于激光光學效應引起的光壓操縱微小物體的方法，它使得可對落入以光鑷的光所形成的光場中的微小顆粒進行牽引和操縱[李銀妹編譯，光鑷原理、技術和應用，合肥中國科學技術大學，1996]，從而由此可迅速捕捉和輸運染色體、細菌、病毒甚至細胞，該技術為細胞導入外源基因、研究和改變染色體結構、研究細胞器的結構功能以及進行物種雜交等生命科學前沿課題展示了廣闊的前景。然而，光鑷技術也存在一定不足，這主要體現(xiàn)在，①難以控制的激光能量可能會導致所操縱細胞的溫升過高以至破壞細胞，從而使活體細胞研究中斷；而且，實現(xiàn)一套激光光鑷系統(tǒng)需要激光器及其調節(jié)裝置，光鑷技術使用中要通過顯微鏡將光束聚集到亞微米大小的光點，再輔以精密機械定位系統(tǒng)、光學顯微鏡以及其它技術進行精確定位、操縱和觀測細胞，由此使得②整套機構龐大，設備復雜，費用昂貴；再者，③對于一些體積乃至質量較大的細胞等微小物體，激光光壓的強度并不足以導致其發(fā)生位移，因而會使操作無效。
除光鑷技術外，人們也嘗試采用其他方式如電、磁、聲等作用機制來控制微小物體，但這些方式都無一例外地要引入外場效應，從而會改變物體本身的某些物理化學行為，以至影響對真實物理過程的理解。
目前，人們發(fā)現(xiàn)，熱信號是控制一些“微小”機器的最合適的工具之一[劉靜，微米/納米尺度傳熱學，北京科學出版社，2001]。與熱驅動相比，一些傳統(tǒng)微致動技術如堆型壓電驅動器若要實現(xiàn)較大的力輸出，則其位移相對較小(＜10μm)；而雙壓電晶片雖可獲得大的位移，但輸出力又相對較?。淮送?，電力驅動則對顆粒和潮濕環(huán)境非常敏感；而磁致動又不易加工到亞毫米尺度?；谝陨峡紤]，本發(fā)明利用熱方法的獨特性能，提供一種可以固定和操縱微小物體尤其是懸浮液環(huán)境中的微小物體如細胞等的裝置，在一定程度上克服上述光鑷等微操作裝置的不足，成為操縱微小物體的一種安全有效的全新手段。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用液體冷凍時形成的冰球操縱微小物體的冰鑷。
本發(fā)明的技術方案如下本發(fā)明提供的利用液體冷凍后形成的冰球操縱微小物體的冰鑷，其特征在于，該冰鑷包括一微細探針1，該微細探針為由同心放置的液氮傳送內層管11，中層管12和外層管13構成的三層同心套管，中層管12和液氮傳送內層管11之間的空間構成液氮氣化后的氣體回流通道，中層管12和外層管13之間的空間為真空層；一與微細探針1連接成一體的圓錐體型冰鑷探頭2，其內設有與微細探針1的液氮傳送內層管11相通的液氮通道；以及一微型電加熱薄膜3，該微型電加熱薄膜3包覆在微細探針1及冰鑷探頭2的部分或全部外表面上；所述的微細探針1的圓柱形外徑為1mm-10mm，長度為10mm-200mm；所述的冰鑷探頭2的圓錐體錐度為1-10°；所述的微細探針1和冰鑷探頭2由高熱導率的材料制成；所述高熱導率的材料為不銹鋼，銅，銀或金；所述的微型電加熱薄膜3為一種其外表面上覆蓋有絕熱膜的電加熱絲構成的薄膜，所述電加熱絲由鎳-鉻合金絲繞制而成，所述絕熱膜為聚四氟乙烯膜；其厚度為1nm-1mm；所述的冰鑷探頭2外表面上設有一個或多個溫度傳感器4，如熱電偶溫度傳感器；本發(fā)明的利用液體冷凍后形成的冰球操縱微小物體的冰鑷，還進一步包括一操作控制裝置，該操作控制裝置包括一用于固定所述微細探針1，并使其作三維空間移動的微操作臺81，一用于控制該微操作臺81動作的微操作控制儀82，微操作控制儀82由一電腦83控制操作；所述的操作控制裝置還包括一與電腦83連接的顯微鏡84。
上述顯微操作裝置對微小物體進行固定和操縱過程是這樣實現(xiàn)的a).將冰鑷固定在微操作臺上，啟動微操作控制儀、電腦與顯微鏡。
b).通過顯微鏡的觀察，使冰鑷探頭的尖部靠近或接觸置于液體中或帶有水分的微小物體。啟動制冷元件，同時設置好微型電加熱薄上的電流大小。幾秒鐘后，冰球即在微小物體朝向冰鑷的表面形成，則該微小物體得到固定；c).結合顯微鏡和微操作儀，對固定在冰鑷探頭尖部的微小物體進行三維方向上的移動和旋轉等操作。當樣品到達目標地點時，通過調整微型電加熱膜上的電流大小，使冰球融化，即實現(xiàn)對該微小物體的卸載，從而開展一系列的研究工作。
當冰鑷觸及帶有水份或置于液體環(huán)境中的微小物體時，會迅速在二者之間形成一個冰球(由于二者間的結合力很大，這一微小冰球可以帶動質量很大的物體)，這是因為微小物體上面向冰鑷的表面實際上充當了一個結冰的成核區(qū)域，因而結冰極易發(fā)生在微小物體表面而不是周圍的液體中，所以，冰鑷操縱微小物體往往顯得準確而快速。本發(fā)明提供的利用冷凍形成的冰球固定和操作微小物體的概念具有一定的普遍性，可應用于更多更復雜的操作環(huán)境，比如，對于微/納米器件的旋轉操作、搬運以及DNA分子等的移動，而這在生命科學和微/納米技術等領域內會有十分重要的實用價值。
綜上所述，本發(fā)明所實現(xiàn)的冰鑷及其顯微操作裝置結構緊湊簡單，具有很高的性能價格比。而現(xiàn)有的微操作儀大多采用除熱方法之外的途徑實現(xiàn)，對材料的要求較高，制造成本高，操作復雜，且在液體環(huán)境下使用時受到一定限制。直接利用微小物體所在液體環(huán)境對其進行固定和操縱是較佳的辦法，這也是本發(fā)明提出的關鍵之處。本儀器的核心原理在于利用液體冷凍形成的冰球固定和操縱細胞或微小物質顆粒，無需復雜用于抓取物體的機械結構，可以利用現(xiàn)有的顯微操作臺，且不引入外場效應，因而較之以往方法大大簡化；而且，使用時安全可靠；特別是，冰鑷技術可以實現(xiàn)對較重樣品的搬運，而光鑷技術則很難做到。本發(fā)明由于采用了液氮冷技術，通過改變微型電加熱薄上的電流大小即可實現(xiàn)不同的加熱功能，從而可以控制冰球的大小并且可以實現(xiàn)微小物件7的卸載，連續(xù)性好，能較好地滿足三維移動的要求，具有可控位移范圍寬、力量大、響應速度快、結構簡單、成本低，操作十分簡便等優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明的結構示意圖；圖2為本發(fā)明對微小物體進行操作的示意圖；圖3為本發(fā)明對液體環(huán)境中進行微小物體進行操作的示意圖；其中微細探針1冰鑷探頭2 微型電加熱薄膜3液氮傳送內層管11 中層管12 外層管13溫度傳感器4 微操作臺81微操作控制儀82電腦83 顯微鏡84 容器85液體環(huán)境86樣品臺87 冰球6 微小物體7
具體實施例方式
以下將結合附圖和具體實施例進一步展開說明。
圖1為本發(fā)明的結構示意圖；圖2為本發(fā)明對微小物體進行操作的示意圖；由圖可知，本發(fā)明提供的利用液體冷凍后形成的冰球操縱微小物體的冰鑷，該冰鑷包括一微細探針1，該微細探針為由同心放置的液氮傳送內層管11，中層管12和外層管13構成的三層同心套管，中層管12和液氮傳送內層管11之間的空間構成液氮氣化后的氣體回流通道，中層管12和外層管13之間的空間為真空層；一與微細探針1連接成一體的圓錐體型冰鑷探頭2，其內設有與微細探針1的液氮傳送內層管11相通的液氮通道；以及一微型電加熱薄膜3，該微型電加熱薄膜3包覆在微細探針1及冰鑷探頭2的部分或全部外表面上；所述的微細探針1的圓柱體外徑為1mm-10mm，長度為10mm-200mm；所述的冰鑷探頭2的圓錐體錐度為1-10°；所述的微細探針1和冰鑷探頭2由高熱導率的材料制成；所述高熱導率的材料為不銹鋼，銅，銀或金；所述的微型電加熱薄膜3為一種其外表面上覆蓋有絕熱膜的電加熱絲構成的薄膜，所述電加熱絲由鎳-鉻合金絲繞制而成，所述絕熱膜為聚四氟乙烯膜；其厚度為1nm-1mm；所述的冰鑷探頭2外表面上設有一溫度傳感器4，如熱電偶溫度傳感器；圖3為本發(fā)明對液體環(huán)境中進行微小物體進行操作的示意圖；由圖3可知，本發(fā)明的利用液體冷凍后形成的冰球操縱微小物體的冰鑷，還進一步包括一操作控制裝置，該操作控制裝置包括一用于固定所述微細探針1，并使其作三維空間移動的微操作臺81，一用于控制該微操作臺81動作的微操作控制儀82，微操作控制儀82由一電腦83控制操作；所述的操作控制裝置還包括一與電腦83連接的顯微鏡84。
實施例1請參閱圖1，其為本發(fā)明利用液氮制冷的冰鑷的結構示意圖。在該冰鑷中，冷卻介質——液氮儲存于一特定容器中，經由微細探針1的液氮傳送內層管11到達冰鑷探頭2；中層管12和外層管13之間構成真空層，中層管12和液氮傳送內層管11構成液氮氣化后的氣體回流通道，這樣不但有利于液氮的傳輸，而且通過真空層的絕熱作用可以大大降低低溫對于周圍環(huán)境的影響，可以避免在微細探針1的外表面結霜、結露；液氮在一定的正壓力作用下，經由液氮傳送內層管11噴射到冰鑷探頭2的內表面，實現(xiàn)相變換熱；冰鑷探頭2由高熱導率的金屬(如不銹鋼、銅、銀或金等)制成；微細探針1與冰鑷探頭2之間通過激光焊接或者真空釬焊連接為一體。在實施冷凍后，通過冰鑷探頭2尖部形成的冰球6固定微小物體7，并在三維方向上加以操作。微細探針1為圓柱體型，其直徑在1mm-10mm之間，冰鑷探頭2加工成圓錐體型，其圓錐體大端直徑與微細探針1外徑一致，其錐度在1-10°范圍內；為了避免冰鑷產生過大的冰球，干擾對微小物體的固定和操作，在冰鑷探頭2的一部分外表面上覆有微型電加熱薄膜4，電加熱膜內部具有電加熱絲，通過改變加熱電流的強度，不但可以控制形成的冰球大小，而且可以卸載已固定的微小物件，由此可以實現(xiàn)對液體環(huán)境中的微小物體進行固定、移動、旋轉、碰撞、卸載等復雜操作。冰鑷探頭2的表面設置溫度傳感器4，以便監(jiān)測冰鑷的溫度。
其優(yōu)點在于冷卻速度快，冷凍強度高，沿途冷量損失小，可以在較短時間內形成冰球。
實施例2請參閱圖3，本發(fā)明的利用液體冷凍后形成的冰球操縱微小物體的冰鑷，還進一步包括一操作控制裝置，該操作控制裝置包括一用于固定所述微細探針1，并使其作三維空間移動的微操作臺81，一用于控制該微操作臺81動作的微操作控制儀82，微操作控制儀82由一電腦83控制操作；所述的操作控制裝置還包括一與電腦83連接的顯微鏡84。
其中，微操作臺81通過其上的夾持機構固定冰鑷，以控制該冰鑷在三維方向運動，達到顯微操作的目的；微操作控制儀82和電腦83為整套儀器的自動控制系統(tǒng)，通過專門的軟件對顯微操作進行控制；顯微鏡84是觀察微觀世界的工具，其通過數據采集卡和電腦83進行連接；冰鑷安裝在微操作臺81上，在微操作控制儀82和電腦84的控制下，實現(xiàn)在三維方向上操縱液體環(huán)境中的微小物體。由于微細探針1和冰鑷探頭2可以加工到很小(直徑小于1mm)，因而比較適合于在生物顯微鏡8下進行觀察。該顯微操作裝置的固定和操縱過程是這樣實現(xiàn)的a)對微細探針1及冰鑷探頭2進行清潔，消毒；加滿液氮容器，檢查液氮傳輸管路的暢通；將充滿液體環(huán)境7的容器86固定在樣品臺87上，并將冰鑷固定在微操作臺81上，啟動微操作控制儀82、電腦83與顯微鏡84；b)將冰鑷插入含有微小物體的液體環(huán)境86中，通過顯微鏡84的觀察，將冰鑷探頭2的尖部靠近微小物體。開啟液氮容器的開關，同時設置好微型電加熱薄膜3上的電流大小，幾秒鐘后，冰球即在微小物體朝向冰鑷的表面形成，則微小物件得到固定；c)結合顯微鏡84和微操作儀81，對固定在冰鎳探頭2尖部的微小物體即可進行三維方向上的移動和旋轉等操作。當樣品到達目標地點時，通過調整微型電加熱薄膜4上的電流大小，使冰球融化，即實現(xiàn)對微小物件的卸載。
由于該實施例中采用了冷卻速度快，冷卻強度高的液氮制冷的冰鑷，實現(xiàn)了在液體環(huán)境中準確，快速地固定和操縱目標微小物體。
實際應用中，冰鑷探頭2也可以和其他顯微操作探針配合使用，可以實現(xiàn)對微小生物樣品或生物細胞等的內部操作，如抽取和加入遺傳物質，細胞膜打孔等復雜的研究內容。在非液體情況下，本發(fā)明可以實現(xiàn)對微小對象的固定和操作，這在許多微/納米加工領域的微小物體的搬運和操縱方面會有重要應用。比如通過對微小樣品表面預先覆蓋一層液體薄膜，冰鑷探頭2可對此進行凍結并完成對樣品的抓取或卸載，其獨特的優(yōu)點在于不會對所操作對象造成污染和機械損傷。本發(fā)明中，冰球的大小和溫度可以得到充分的控制，因而對液體內的微小物體的操作是相當安全的。
本發(fā)明具有很多優(yōu)點，首先，采用液氮制冷可以加快冰鑷探頭2形成冰球的速度，使用方便，可通過改變微型電加熱薄膜4的加熱電流大小實現(xiàn)多種調控方案；另一方面，由于冰鑷探頭2極小，產生的冰球可以精確的固定和操縱微小物體，且不會損壞生物樣品；該冰鑷可以在現(xiàn)有的顯微操作系統(tǒng)上使用，無需引入其他裝置，結構緊湊，對于實驗研究比較有利。正是由于這些綜合因素，使得本發(fā)明的冰鑷和顯微操作裝置制造成本價格較低，相比以往的光鑷等技術在某些方面具有一定優(yōu)勢。
權利要求
1.一種利用液體冷凍后形成的冰球操縱微小物體的冰鑷，其特征在于，該冰鑷包括一微細探針(1)，該微細探針為由同心放置的液氮傳送內層管(11)，中層管(12)和外層管(13)構成的三層同心套管，中層管(12)和液氮傳送內層管(11)之間的空間構成液氮氣化后的氣體回流通道，中層管(12)和外層管(13)之間的空間為真空層；一與微細探針(1)連接成一體的圓錐體型冰鑷探頭(2)，其內設有與微細探針(1)的液氮傳送內層管(11)相通的液氮通道；以及一微型電加熱薄膜(3)，該微型電加熱薄膜(3)包覆在微細探針(1)及冰鑷探頭(2)的部分或全部外表面上。
2.如權利要求1所述的利用液體冷凍后形成的冰球操縱微小物體的冰鑷，其特征在于，所述的微細探針(1)的圓柱形外徑為1mm-10mm，長度為10mm-200mm；所述的冰鑷探頭(2)的圓錐體錐度為1-10°。
3.權利要求1所述的利用液體冷凍后形成的冰球操縱微小物體的冰鑷，其特征在于，所述的微細探針(1)由高熱導率的材料制成。
4.如權利要求3所述的利用液體冷凍后形成的冰球操縱微小物體的冰鑷，其特征在于，所述的冰鑷探頭(2)由高熱導率的材料制成。
5.如權利要求3或4所述的利用液體冷凍后形成的冰球操縱微小物體的冰鑷，其特征在于，所述高熱導率的材料為不銹鋼，銅，銀或金。
6.如權利要求1所述的利用液體冷凍后形成的冰球操縱微小物體的冰鑷，其特征在于，所述的微型電加熱薄膜(3)為一種其外表面上覆蓋有絕熱膜的電加熱絲構成的薄膜，所述電加熱絲由鎳-鉻合金絲繞制而成，所述絕熱膜為聚四氟乙烯膜。
7.如權利要求6所述的利用液體冷凍后形成的冰球操縱微小物體的冰鑷，其特征在于，所述的微型電加熱薄膜(3)厚度為1nm-1mm。
8.如權利要求1所述的利用液體冷凍后形成的冰球操縱微小物體的冰鑷，其特征在于，所述的冰鑷探頭(2)外表面上設有一溫度傳感器(4)。
9.如權利要求8所述的用于操縱微小物體的冰鑷，其特征在于，所述的溫度傳感器(4)為熱電偶溫度傳感器。
10.如權利要求1所述的利用液體冷凍后形成的冰球操縱微小物體的冰鑷，其特征在于，還進一步包括一操作控制裝置，該操作控制裝置包括一用于固定所述微細探針(1)，并使其作三維空間移動的微操作臺(81)，一用于控制該微操作臺(81)動作的微操作控制儀(82)，微操作控制儀(82)由一電腦(83)控制操作。
11.如權利要求10所述的利用液體冷凍后形成的冰球操縱微小物體的冰鑷，其特征在于，所述的操作控制裝置還包括一與電腦(83)連接的顯微鏡(84)。
全文摘要
本發(fā)明涉及的操縱微小物體的冰鑷，包括微細探針，該微細探針為由同心放置的液氮傳送內層管，中層管和外層管構成的三層同心套管，中層管和液氮傳送內層管之間的空間構成液氮氣化后的氣體回流通道，中層管和外層管之間的空間為真空層；一與微細探針連接成一體的圓錐體型冰鑷探頭，其內設有與微細探針的液氮傳送內層管相通的液氮通道；一包覆在微細探針和冰鑷探頭外表面上的微型電加熱薄膜；該冰鑷采用液氮制冷，通過改變微型電加熱薄膜上的電流大小實現(xiàn)不同的加熱，從而用控制冰球的大小來實現(xiàn)微小物件的操作和卸載，而且其操作的連續(xù)性好，可控位移范圍寬、力量大、速度響應快、結構簡單、成本低，操作十分簡便等優(yōu)點。
文檔編號A61B17/00GK1488749SQ02131418
公開日2004年4月14日 申請日期2002年10月10日 優(yōu)先權日2002年10月10日
發(fā)明者于天驊, 劉靜 申請人:中國科學院理化技術研究所