專利名稱：用于操縱微小物體的冰鑷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種對帶有水分或置于懸浮液體中的微小物體進(jìn)行操縱的操作裝置，特別涉及一種利用液體冷凍時形成的冰球固定和操縱帶有水分或置于懸浮液體中的微小物體的冰鑷。
目前，在操縱液體環(huán)境中的微小物體如細(xì)胞等，光鑷是最有前景的技術(shù)之一，這是一種基于激光光學(xué)效應(yīng)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(jìn)行牽引和操縱[李銀妹編譯，光鑷原理、技術(shù)和應(yīng)用，合肥中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，1996]，從而由此可迅速捕捉和輸運(yùn)染色體、細(xì)菌、病毒甚至細(xì)胞，該技術(shù)為細(xì)胞導(dǎo)入外源基因、研究和改變?nèi)旧w結(jié)構(gòu)、研究細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)功能以及進(jìn)行物種雜交等生命科學(xué)前沿課題展示了廣闊的前景。然而，光鑷技術(shù)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(dǎo)致所操縱細(xì)胞的溫升過高以至破壞細(xì)胞，從而使活體細(xì)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(diào)節(jié)裝置，光鑷技術(shù)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(jī)械定位系統(tǒng)、光學(xué)顯微鏡以及其它技術(shù)進(jìn)行精確定位、操縱和觀測細(xì)胞，由此使得②整套機(jī)構(gòu)龐大，設(shè)備復(fù)雜，費(fèi)用昂貴；再者，③對于一些體積乃至質(zhì)量較大的細(xì)胞等微小物體，激光光壓的強(qiáng)度并不足以導(dǎo)致其發(fā)生位移，因而會使操作無效。
除光鑷技術(shù)外，人們也嘗試采用其他方式如電、磁、聲等作用機(jī)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(yīng)，從而會改變物體本身的某些物理化學(xué)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“微小顆粒”最合適的工具之一[劉靜，微米/納米尺度傳熱學(xué)，北京科學(xué)出版社，2001]。與熱驅(qū)動相比，一些傳統(tǒng)微致動技術(shù)如堆型壓電驅(qū)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??；此外，電力驅(qū)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?；谝陨系目紤]，本實用新型利用熱方法的獨(dú)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(xì)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。
本實用新型的技術(shù)方案本實用新型提供的用于操縱微小物體的冰鑷，其特征在于，該冰鑷包括一半導(dǎo)體制冷器5，一微細(xì)探針1，該微細(xì)探針1的一端與半導(dǎo)體制冷器5冷端相接觸，另一端固定連接至少一冰鑷探頭2，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(xì)探針1及冰鑷探頭2的部分或全部外表面上；所述的半導(dǎo)體制冷器5由一半導(dǎo)體制冷片51，一散熱片52和一電源53組成，電源53通過導(dǎo)線54與半導(dǎo)體制冷片51和散熱片52電連接；所述的半導(dǎo)體制冷片為立方體，其長、寬、高尺寸為1-50mm×1-50mm×0.1-50mm；所述的微細(xì)探針1為一圓柱體，其直徑為1mm-5mm，長度為5mm-50mm，所述冰鑷探頭2為與該圓柱體型微細(xì)探針1成一體結(jié)構(gòu)的圓錐體，圓錐體錐度為1-10°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(gòu)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；所述的微型電加熱薄膜3厚度為1nm-1mm；所述的微細(xì)探針1和冰鑷探頭2由高熱導(dǎo)率材料制成；所述的高熱導(dǎo)率材料為不銹鋼，銅，銀或金；所述的冰鑷探頭2外表面上設(shè)有一溫度傳感器4；所述的溫度傳感器4為熱電偶溫度傳感器；本實用新型提供的用于操縱微小物體的冰鑷，還可進(jìn)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(xì)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。
綜上所述，本實用新型提供的用于操縱微小物體的冰鑷，由于采用半導(dǎo)體制冷，通過改變微型電加熱薄上的電流大小實現(xiàn)不同的加熱功能，從而用控制冰球的大小來實現(xiàn)微小物件的搬運(yùn)和卸載，特別是，可以實現(xiàn)對較重樣品的操作和卸載，而且其操作的連續(xù)性好，可控位移范圍寬、速度響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、成本低，操作十分簡便等優(yōu)點。
在上述裝置中，通過啟動半導(dǎo)體制冷器5，使微細(xì)探針1尤其是冰鑷探頭2制冷到預(yù)定溫度，從而在冰鑷探頭2與液體接觸的尖部生成冰球；而通過改變微型電加熱薄膜中加熱電流的強(qiáng)度，可以控制生成冰球的大??；進(jìn)一步加大微型電加熱膜中加熱電流的溫度，可實現(xiàn)微小物件的卸載；同時冰鑷探頭2上的溫度，可由固定在該冰鑷探頭2上的該溫度傳感器4監(jiān)測并反饋。
本實用新型提供的冰鑷對微小物體進(jìn)行固定和操縱過程是這樣實現(xiàn)的a).將微細(xì)探針1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).通過顯微鏡84的觀察，使冰鑷探頭2的尖部靠近或接觸置于液體中或帶有水分的微小物體；啟動半導(dǎo)體制冷器5，同時設(shè)置好微型電加熱薄3上的電流大??；幾秒鐘后，冰球即在微小物體朝向冰鑷尖部的表面形成，則該微小物體得到固定；c).結(jié)合顯微鏡84和微操作儀82，對固定在冰鑷探頭尖部的微小物體進(jìn)行三維方向上的移動和旋轉(zhuǎn)等操作，當(dāng)樣品到達(dá)目標(biāo)地點時，加大微型電加熱膜3上的電流，使冰球融化，即實現(xiàn)對該微小物體的卸載。
其中微細(xì)探針1 冰鑷探頭2 微型電加熱膜3溫度傳感器4 半導(dǎo)體制冷器5 半導(dǎo)體制冷片51半導(dǎo)體散熱片52液體環(huán)境86 樣品臺87電源53導(dǎo)線54 冰球6微小物體7 微操作臺81 微操作控制儀82電腦83顯微鏡84容器85
具體實施方式
以下將結(jié)合附圖和具體實施例進(jìn)一步描述本實用新型請參閱

圖1和圖2，圖1為本實用新型冰鑷的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為本實用新型冰鑷對微小物體進(jìn)行固定和操作的示意圖。由圖1和圖2可知，本實用新型提供的用于操縱微小物體的冰鑷，其特征在于，該冰鑷包括一半導(dǎo)體制冷器5，一微細(xì)探針1，該微細(xì)探針1的一端與半導(dǎo)體制冷器5冷端相接觸，另一端固定連接至少一冰鑷探頭2，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(xì)探針1及冰鑷探頭2的部分或全部外表面上；所述的半導(dǎo)體制冷器5由一半導(dǎo)體制冷片51，一散熱片52和一電源53組成，電源53通過導(dǎo)線54與半導(dǎo)體制冷片51和散熱片52電連接；半導(dǎo)體制冷片51和半導(dǎo)體散熱片52進(jìn)行封裝后，通過導(dǎo)線54與電源53連接，并通過一開關(guān)實現(xiàn)該半導(dǎo)體制冷片51的制冷和復(fù)溫，所述的半導(dǎo)體制冷片為立方體，其長、寬、高尺寸為1-50mm×1-50mm×0.1-50mm；所述的微細(xì)探針1為一圓柱體，其直徑為1mm-5mm，長度為5mm-50mm，所述冰鑷探頭2為與該圓柱體型微細(xì)探針1成一體結(jié)構(gòu)的圓錐體，圓錐體錐度為1-10°；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(gòu)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；所述的微型電加熱薄膜3厚度為1nm-1mm；所述的微細(xì)探針1和冰鑷探頭2由高熱導(dǎo)率材料制成；所述的高熱導(dǎo)率材料為不銹鋼，銅，銀或金；所述的冰鑷探頭2外表面上設(shè)有一溫度傳感器4；所述的溫度傳感器4為熱電偶溫度傳感器；本實用新型提供的用于操縱微小物體的冰鑷，還可進(jìn)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(xì)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。
本實用新型提供的用于操縱微小物體的冰鑷，由于冰鑷探頭2的尖部非常小，因而比較適合于與顯微鏡配合使用。在啟動半導(dǎo)體制冷器5實施冷凍后，可以通過在冰鑷探頭2的尖部形成的冰球6固定微小物體7，并在三維方向上加以操作(如圖2所示的方式可以實現(xiàn)這一目標(biāo))。在微細(xì)探針1和冰鑷探頭2外表面的局部或全部外表面上覆蓋微型電加熱薄膜3，該電加熱薄膜的內(nèi)部安裝有電加熱絲31，通過控制加熱電流，不但可以控制形成冰球5的大小，而且可以卸載已固定的微小物件6，由此可以實現(xiàn)對液體環(huán)境內(nèi)或在表面附有液體的微小物體進(jìn)行固定、移動、旋轉(zhuǎn)、碰撞、卸載等復(fù)雜操作；冰鑷探頭2的表面設(shè)置溫度傳感器4，具體為熱電偶溫度傳感器，可以監(jiān)測和反饋冰鑷探頭的溫度；請參閱圖3，其為本實用新型冰鑷對液體環(huán)境中的微小物體進(jìn)行固定和操作的示意圖。該冰鑷中的操作控制裝置包括微操作臺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，并按圖3中順序進(jìn)行連接。其中，微操作臺81通過其上的夾持機(jī)構(gòu)固定微細(xì)探針1，以控制該微細(xì)探針1在三維方向的運(yùn)動，達(dá)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(jìn)行控制；顯微鏡84是觀察微觀世界的工具，其通過數(shù)據(jù)采集卡和電腦83進(jìn)行連接；微細(xì)探針安裝在微操作臺81上，在微操作控制儀82和電腦83的控制下，實現(xiàn)在三維方向上操縱液體環(huán)境86中的微小物體7。由于微細(xì)探針1和冰鑷探頭2可以加工到很小，因而比較適合于在顯微鏡84下進(jìn)行觀察。
使用本實施例中的冰鑷，對置于液體環(huán)境中的微小物體進(jìn)行固定和操縱過程是這樣實現(xiàn)的a)對冰鑷的微細(xì)探針1和冰鑷探頭2進(jìn)行清潔，消毒后，將該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)在顯微鏡84的觀察下，將微細(xì)探針伸入液體環(huán)境86中，冰鑷探頭2的尖部21靠近或接觸目標(biāo)微小物體7。連通半導(dǎo)體制冷器5的電路，同時設(shè)置好微型電加熱薄膜3上的電流大小；幾秒鐘后，冰球6即在微小物體7朝向冰鑷探頭2的表面形成，則微小物件7得到固定；c)結(jié)合顯微鏡84和微操作儀82，對固定在冰鑷探頭2的尖部21的微小物體7即可進(jìn)行三維方向上的移動和旋轉(zhuǎn)等操作。當(dāng)樣品到達(dá)目標(biāo)地點時，通過調(diào)整微型電加熱薄膜3上的電流大小，使冰球6融化，即實現(xiàn)對微小物件10的卸載。
實際應(yīng)用中，多個冰鑷探頭2可以同時使用，以更好地固定或操縱微小物體如微小生物樣品或生物細(xì)胞等。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(xì)胞等的內(nèi)部操作，如抽取和加入遺傳物質(zhì)，細(xì)胞膜打孔等復(fù)雜的研究內(nèi)容。
在非液體情況下，本實用新型同樣可以實現(xiàn)對微小對象的固定和操作，這在許多微/納米加工領(lǐng)域的微小物體的搬運(yùn)和操縱方面會有重要應(yīng)用。比如通過對微小樣品表面預(yù)先覆蓋一層液體薄膜，冰鑷探頭2可對該液體薄膜進(jìn)行凍結(jié)并完成對樣品的抓取或卸載。此外，通過本實用新型的冰鑷，也可對潮濕空氣中的微小粒子等物體進(jìn)行抓取或卸載等操作。
當(dāng)冰鑷探頭2的尖部接近或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6(由于二者間的結(jié)合力很大，這一微小冰球可以帶動質(zhì)量很大的物體)，這是因為微小物體7面向冰鑷探頭尖部的表面實際上充當(dāng)了一個結(jié)冰的成核區(qū)域，因而結(jié)冰極易發(fā)生在微小物體7的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(zhǔn)確而快速。而冰球6的大小和溫度由于微型電加熱薄膜3的存在，可以得到充分的控制，因而對液體內(nèi)的微小物體7的操作是相當(dāng)安全的。
本實用新型具有很多優(yōu)點首先，采用半導(dǎo)體冷凍技術(shù)可以加快在冰鑷探頭2的尖部形成冰球6的速度，使用方便，可通過改變微型電加熱薄膜3的加熱電流大小實現(xiàn)多種調(diào)控方案；另一方面，由于冰鑷探頭2極小，產(chǎn)生的冰球6可以精確地固定和操縱微小物體，且不會損壞生物樣品等微小物體；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(jié)構(gòu)緊湊，對于實驗研究比較有利。正是由于這些綜合因素，使得本實用新型冰鑷的制造成本價格較低，相比以往的光鑷等技術(shù)在某些方面具有一定優(yōu)勢。
權(quán)利要求1.一種用于操縱微小物體的冰鑷，其特征在于，該冰鑷包括一半導(dǎo)體制冷器(5)，一微細(xì)探針(1)，該微細(xì)探針(1)的一端與半導(dǎo)體制冷器(5)冷端相接觸，另一端固定連接至少一冰鑷探頭(2)，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(xì)探針(1)及冰鑷探頭(2)的部分或全部外表面上。
2.如權(quán)利要求1所述的用于操縱微小物體的冰鑷，其特征在于，所述的半導(dǎo)體制冷器(5)由一半導(dǎo)體制冷片(51)，一散熱片(52)和一電源(53)組成，電源(53)通過導(dǎo)線(54)與半導(dǎo)體制冷片(51)電連接。
3.如權(quán)利要求1所述的用于操縱微小物體的冰鑷，其特征在于，所述的微細(xì)探針(1)為一圓柱體型，其直徑為1mm-5mm，長度為5mm-50mm，所述冰鑷探頭(2)為與該圓柱體型微細(xì)探針(1)成一體結(jié)構(gòu)的圓錐體，其圓錐體錐度1-10°。
4.如權(quán)利要求1所述的用于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(gòu)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。
5.如權(quán)利要求1或3所述的用于操縱微小物體的冰鑷，其特征在于，所述的微細(xì)探針(1)和冰鑷探頭(2)由高熱導(dǎo)率材料制成。
6.如權(quán)利要求5所述的用于操縱微小物體的冰鑷，其特征在于，所述的高熱導(dǎo)率材料為不銹鋼，銅，銀或金。
7.如權(quán)利要求1或4所述的用于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(quán)利要求1或2所述的用于操縱微小物體的冰鑷，其特征在于，所述的半導(dǎo)體制冷片為立方體，其長、寬、高尺寸為1-50mm×1-50mm×0.1-50mm。
9.如權(quán)利要求1所述的用于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(shè)有一溫度傳感器(4)。
10.如權(quán)利要求9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。
11.如權(quán)利要求1所述的用于操縱微小物體的冰鑷，其特征在于，還進(jìn)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(xì)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。
12.如權(quán)利要求11所述的用于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)。
專利摘要本實用新型涉及的用于操縱微小物體的冰鑷，包括半導(dǎo)體制冷器，一端與半導(dǎo)體制冷器冷端相接觸，另一端固定連接冰鑷探頭的微細(xì)探針，包覆在微細(xì)探針及冰鑷探頭外表面上的微型電加熱薄膜，其半導(dǎo)體制冷器由半導(dǎo)體制冷片，散熱片和電源組成，電源通過導(dǎo)線與半導(dǎo)體制冷片電連接；圓柱體型微細(xì)探針和錐度在1－10°的圓錐體型冰鑷探頭成一體結(jié)構(gòu)；該冰鑷由于采用半導(dǎo)體制冷，通過改變微型電加熱薄上的電流大小實現(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、速度響應(yīng)快、力量大、結(jié)構(gòu)簡單、成本低，操作十分簡便等優(yōu)點。
文檔編號G12B21/00GK2574187SQ02257290
公開日2003年9月17日 申請日期2002年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月10日
發(fā)明者于天驊, 劉靜 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所