專利名稱：基于永磁體的生物粒子三維操縱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā) 明涉及的是一種生命科學技術(shù)領(lǐng)域的專用設(shè)備，尤其涉及的是一種基于永磁 體的生物粒子三維操縱裝置。
背景技術(shù)：
在生命科學領(lǐng)域，對單個或數(shù)個生物粒子在無損傷條件下，實施俘獲、移動等操縱 是實現(xiàn)生物學對象操作、加工、測試的基礎(chǔ)，這種對生物粒子的微操縱方法在基因分析、染 色體和細胞分析、蛋白質(zhì)和核酸聚合分析、新物種產(chǎn)生等生命科學領(lǐng)域，具有重大的理論和 現(xiàn)實意義。目前生物粒子的微操縱主要有接觸式機械微鉗、非接觸式磁鉗、非接觸式光鉗、基 于介電泳的生物微操縱等多種方法，接觸式微操縱方法易對生物粒子的活性產(chǎn)生影響，磁 鉗類生物微操縱方法需要第三者即磁球，對于需要直接操縱生物粒子的場合則不適用，光 鉗類生物微操縱方法需要較為復(fù)雜的設(shè)備，激光的高能量可能會對生物粒子造成未知的傷 害，介電泳式生物微操縱方法不適合系統(tǒng)的微型化，且控制復(fù)雜。因此，突破現(xiàn)有生物微操 縱模式，探索新的非接觸無損傷生物微操縱途徑，成為人們關(guān)注的焦點。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，Adam Winkleman等在Applied physics letters (應(yīng) 用物理學快報)，2004，85 (12) :2411 2413，發(fā)表了 Amagnetic trap for living cells suspendedin a paramagnetic buffer (順磁性緩沖液中懸浮活細胞的磁阱)，該文僅作為 一種學術(shù)研究的角度提及用磁阿基米德抗磁懸浮技術(shù)來懸浮物質(zhì)，但沒有對相應(yīng)技術(shù)的實 施方案作出說明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于永磁體的生物粒子三維操 縱裝置，將抗磁懸浮技術(shù)用于生物微操縱，利用大多數(shù)生物粒子自身的抗磁性，借助磁阿基 米德效應(yīng)，無需超導強磁環(huán)境、不需借助第三者(如磁性微球)，在常溫、永磁體產(chǎn)生的磁場 環(huán)境下，便可實現(xiàn)非接觸、無機械或光損傷的生物粒子微操縱，且實現(xiàn)方法簡單、可靠。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括底座、主軸、移動平臺、夾持器、 腔室、順磁性溶液和磁源，其中底座上固定設(shè)有主軸，主軸上活動設(shè)有移動平臺，夾持器套 接于主軸上，夾持器夾持腔室，磁源設(shè)于移動臺上，腔室內(nèi)設(shè)有順磁性溶液，夾持器位于移 動平臺之上。所述的順磁性溶液和生物粒子兼容，生物粒子是順磁性時，順磁性溶液的磁化率 大于生物粒子的磁化率。所述的磁源是永磁體組合。所述的移動平臺是滑臺導軌結(jié)構(gòu)或者壓電線性馬達。所述的夾持器和主軸的連接處設(shè)有鎖緊機構(gòu)。所述的腔室是PDMSTolydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)或玻璃材料，腔室的內(nèi)部覆有牛血清蛋白。所述的底座、主軸、移動平臺和夾持器是無磁性或弱磁性材料。本發(fā)明利用生物粒子的抗磁性或弱順磁性，將生物粒子放入順磁性溶液中，然后 將它們整體置于磁源產(chǎn)生的磁場環(huán)境中，生物粒子在豎直方向會受到重力、浮力和抗磁力， 水平方向會受到抗磁力和順磁性溶液對它的阻力，在合適的順磁性溶液中，生物粒子在豎 直方向和水平方向受力都會達到平衡，進而實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，調(diào)節(jié)磁源位置，磁場環(huán)境發(fā)生改 變，生物粒子會運動到下一個穩(wěn)定懸浮點，從而實現(xiàn)生物粒子的三維操縱。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點整個裝置利用了磁阿基米德效應(yīng)，使得不需 要超導強磁環(huán)境，無需借助第三者(如磁性微球)，在常溫、永磁體產(chǎn)生的磁場環(huán)境下即可 實現(xiàn)非接觸、無機械或光熱等損傷的生物粒子的三維操縱，整個裝置結(jié)構(gòu)簡單且易操控。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是腔室的局部示意圖；圖3是磁源的局部示意圖；圖4是生物粒子的受力分析圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。如圖1所示，本實施例包括底座1、主軸2、移動平臺3、夾持器4、腔室5、順磁性 溶液6、磁源7和生物粒子8，其中底座1上固定設(shè)有主軸2，主軸2上活動設(shè)有移動平臺 3，夾持器4套接于主軸2上，夾持器4夾持腔室5，磁源7設(shè)于移動臺上，腔室5內(nèi)設(shè)有順磁 性溶液6，順磁性溶液6內(nèi)放置生物粒子8，夾持器4位于移動平臺3之上。如圖2所示，腔室5是玻璃制成，腔室5的內(nèi)部覆有牛血清蛋白，采用玻璃加工技 術(shù)或MEMS (Micro-electromechanical Systems微型機電系統(tǒng))工藝制作腔室5。其他實施例中，如果腔室5是PDMS制成，則采用MEMS工藝制作腔室5。所述的順磁性溶液6和生物粒子8兼容，可選用GdCl3水溶液，當生物粒子8是順 磁性時，順磁性溶液6的磁化率大于生物粒子8的磁化率。如圖3所示，磁源7是永磁體組合。本實施例選用的是4個相同參數(shù)的NdFeB永 磁體組合，這四個永磁體的磁化方向沿軸向且相鄰磁極方向相反。本實施例中，移動平臺3是滑臺導軌結(jié)構(gòu)，它主要由不同方向的滑臺和導軌搭配 而成，調(diào)節(jié)方式為手動調(diào)節(jié)。其他實施例中，為實現(xiàn)納米精度的生物粒子的操縱控制，移動平臺3可是壓電線 性馬達。所述的夾持器4套接在主軸2上，可以在主軸2上移動，夾持器4和主軸2的相接 處設(shè)有鎖緊機構(gòu)，可以固定在主軸2上的任意位置，其形狀類似夾鉗。所述的底座1、主軸2、移動平臺3和夾持器4是無磁性或弱磁性材料制成，可以選用奧氏體不銹鋼或有機材料。如圖4所示，調(diào)節(jié)夾持器4和移動平臺3使腔室5位于磁源7正上方的合適位置， 這時，由于磁源7是軸對稱排列，生物粒子8懸浮時會位于磁源7中軸線上某一點處，當生 物粒子8偏離中軸線時，它會受到磁源7給它的一個回復(fù)力使其向中軸線移動，在豎直方 向，當生物粒子8所受的重力、浮力和抗磁力滿足方程<formula>formula see original document page 5</formula>其中P i、X i分別是生物粒子8的密度和磁化率，ρ 2、X 2分別是順磁性溶液6的 密度和磁化率，g是重力加速度，B是磁感應(yīng)強度，ζ是豎直方向的位移，μ ^是真空磁導率， 其值為 μ 0 = 4 π X 10_7H/m。此時，生物粒子8穩(wěn)定懸浮。在三維空間，通過調(diào)節(jié)移動平臺3和改變磁源7的 位置，進而改變磁場環(huán)境，生物粒子8的受力會發(fā)生變化，在重力、浮力、抗磁力等力的作用 下，生物粒子8會運動到下一個平衡位置處，實現(xiàn)生物粒子8的三維操縱。
權(quán)利要求
一種基于永磁體的生物粒子三維操縱裝置，其特征在于，包括底座、主軸、移動平臺、夾持器、腔室、順磁性溶液和磁源，其中底座上固定設(shè)有主軸，主軸上活動設(shè)有移動平臺，夾持器套接于主軸上，夾持器夾持腔室，磁源設(shè)于移動臺上，腔室內(nèi)設(shè)有順磁性溶液，夾持器位于移動平臺之上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于永磁體的生物粒子三維操縱裝置，其特征是，所述的順 磁性溶液和生物粒子兼容。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于永磁體的生物粒子三維操縱裝置，其特征是，所述的磁 源是永磁體組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于永磁體的生物粒子三維操縱裝置，其特征是，所述的移 動平臺是滑臺導軌結(jié)構(gòu)或者壓電線性馬達。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于永磁體的生物粒子三維操縱裝置，其特征是，所述的夾 持器和主軸的連接處設(shè)有鎖緊機構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于永磁體的生物粒子三維操縱裝置，其特征是，所述的腔 室是PDMS或玻璃材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于永磁體的生物粒子三維操縱裝置，其特征是，所述的腔 室的內(nèi)部覆有牛血清蛋白。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于永磁體的生物粒子三維操縱裝置，其特征是，所述的底 座、主軸、移動平臺和夾持器是無磁性或弱磁性材料。
全文摘要
一種生命科學技術(shù)領(lǐng)域的基于永磁體的生物粒子三維操縱裝置，包括底座、主軸、移動平臺、夾持器、腔室、順磁性溶液和磁源，底座上固定設(shè)有主軸，主軸上活動設(shè)有移動平臺，夾持器套接于主軸上，夾持器夾持腔室，磁源設(shè)于移動臺上，腔室內(nèi)設(shè)有順磁性溶液，夾持器位于移動平臺之上。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，在常溫非超導強磁環(huán)境下便可實現(xiàn)生物活性粒子的非接觸、無損傷的空間捕獲、定位、移動等多種形式的空間生物粒子微操縱。
文檔編號C12M1/42GK101818118SQ20101014887
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月17日
發(fā)明者劉武, 張衛(wèi)平, 李世鵬, 胡牧風, 陳文元 申請人:上海交通大學