本發(fā)明提供了一種對微觀顆粒進行三維旋轉的實驗系統(tǒng)及其工作方法，涉及微機電系統(tǒng)領域,特別是通過微觀電作用力對細胞進行多自由度旋轉的領域。

背景技術：

細胞顯微操作是現(xiàn)代生物工程中一項非常重要的技術，該技術被廣泛應用于生物醫(yī)學工程、生命科學、物理、化學等領域。隨著生物技術的發(fā)展，當前顯微操作已進入亞細胞級的操作水平。細胞位置和姿態(tài)調(diào)節(jié)是細胞顯微操作中的重要一環(huán)，因此，開展細胞位置姿態(tài)自動化調(diào)節(jié)研究具有重要意義。在許多顯微操作中，如卵胞漿內(nèi)單精子顯微注射、胚胎極體活性檢測、卵母細胞核移植和克隆等，均需要在操作前對細胞進行操控，以調(diào)節(jié)其位置和姿態(tài)。另外，對單個細胞位置和姿態(tài)的調(diào)節(jié)，亦能夠促進對細胞表面分子或主要受體進行高分辨率識別的研究。在利用原子力顯微鏡研究細胞表面形貌或者物理特性時，如果配以細胞三維旋轉的主動控制，則能夠使得相應研究的靈活度進一步深化。這里的細胞位置通常是指二維平面內(nèi)的位置，而細胞姿態(tài)則涉及三個旋轉自由度。

近年來，國內(nèi)外相關機構對細胞顯微操控技術的研究非?；钴S，機械法、激光法、微流控法、磁場法和電場法等被用于細胞操作。在正交直角坐標系中，細胞在外部力場（由電場、流場、磁場等引起的力場）的作用下，能夠在X軸、Y軸、Z軸方向上的三個平移自由度。例如，在介電泳器件中，細胞可以在平面微電極陣列的激勵下，產(chǎn)生相對于微電極的二維平面位置移動。有時在三維介電籠中亦可以使得細胞產(chǎn)生空間移動，但由于三維介電籠中的微電極位置固定，難以實現(xiàn)細胞在指定位置處的三維旋轉。在基于電場、流場或磁場的微機電器件中，均難以在指定位置處同時實現(xiàn)細胞沿著XY軸、YZ軸和XZ軸的旋轉。總體而言，在各種微觀力場的作用下，細胞的三個旋轉自由度難以在同一指定位置處實現(xiàn)。

因此，如果能夠提供一種新方法，能夠在承載細胞的器件中的任一位置處，同時實現(xiàn)細胞的三個自由度的旋轉，且同時能夠控制細胞在器件的二維操作腔中的平面位置，則可以在各應用領域中都實現(xiàn)更加靈活的細胞微操控和位置姿態(tài)調(diào)整，進而對顯微注射、細胞表面形貌檢測等方面技術的進步起到更大的推動作用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種實驗系統(tǒng)及其工作方法，以實現(xiàn)在顯微操作中對微觀顆粒（細胞）進行姿態(tài)和位置調(diào)整。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種實驗系統(tǒng)，包括：微流控芯片、交變信號源、用于產(chǎn)生相應光圖形的光源，其中將交變信號源接入微流控芯片中，且經(jīng)相應光圖形投射，以調(diào)節(jié)微流控芯片內(nèi)的細胞姿態(tài)和/或位置。

進一步，所述微流控芯片，自上而下依次包括上銦錫氧化物薄膜、微流體腔（高度記為h₁,其內(nèi)的溶液電導率記為σ₀）、光電導層（厚度記為h₀）和下銦錫氧化物薄膜；其中所述上、下銦錫氧化物薄膜適于分別連接一交變電壓信號源的輸出端、接地端,或者分別連接任意兩個具有相位差的交變電壓信號源；以及相應光圖形通過分別透過下銦錫氧化物薄膜照射光電導層的下端面(光電導層亮態(tài)電導率和暗態(tài)電導率分別記為σ_l和σ_d)，以調(diào)節(jié)微流體腔內(nèi)的細胞姿態(tài)和/或位置。為了保證流體腔內(nèi)明暗交界區(qū)域的電場具有適度的非均勻程度，上述的參量值需要滿足：2σ₀/σ_l < h₁/h₀ < 0.5σ₀/σ_d , 即微流體腔高度與光電導層厚度的比值大于流體電導率與光電導層亮態(tài)電導率比值的兩倍，同時微流體腔高度與光電導層厚度的比值小于流體電導率與光電導層暗態(tài)電導率比值的1/2。

進一步，所述光電導層包括：自下而上依次沉積的本征氫化非晶硅層、N+型氫化非晶硅層和氮化硅層；以及所述微流體腔的上部設有若干流道口，以及其側面設有水平流道口。

又一方面，本發(fā)明還提供了一種實驗系統(tǒng)的工作方法。

所述實驗系統(tǒng)的工作方法：將交變信號源接入微流控芯片中，且經(jīng)相應光圖形投射，以調(diào)節(jié)微流體腔內(nèi)的細胞姿態(tài)和/或位置。

進一步，調(diào)整細胞姿態(tài)的方法包括：在水平面定義細胞的水平虛擬轉軸，且控制細胞以水平虛擬轉軸翻轉；即根據(jù)細胞的位置，投射一矩形光圖形，使該矩形光圖形在光電導層的下端面形成的一明暗交界線，該明暗交界線垂直向上映射至細胞，以作為水平虛擬轉軸；以及通過細胞內(nèi)產(chǎn)生的等效電偶極矩與矩形光圖形在光電導層形成的虛擬光電極所生成的非均勻電場配合，使細胞以所述水平虛擬轉軸翻轉。

進一步，調(diào)整細胞姿態(tài)的方法還包括：控制細胞水平旋轉。

進一步，所述控制細胞水平旋轉的方法包括：根據(jù)細胞的位置，投射一對平行光圖形陣列，使光電導層在細胞兩側產(chǎn)生一對平行間斷條狀虛擬光電極；且兩間斷條狀虛擬光電極適于同時與細胞的兩側邊緣相接觸；當兩平行光圖形做相向或相背運動時，兩間斷條狀虛擬光電極帶動細胞水平旋轉。

進一步，所述控制細胞水平旋轉的方法包括：

根據(jù)細胞的位置，投射一帶有開口的環(huán)狀光圖形，使光電導層產(chǎn)生一帶有開口的環(huán)狀虛擬光電極以套于細胞，且所述環(huán)狀虛擬光電極的開口寬度小于細胞直徑；所述開口適于捕獲住細胞，以使環(huán)狀虛擬光電極跟隨環(huán)狀光圖形轉動時，帶動細胞水平旋轉。

進一步，調(diào)整細胞的位置的方法包括：通過環(huán)狀光圖形位移使環(huán)狀虛擬光電極帶動細胞位移，以調(diào)整細胞的位置。

進一步，若同時對多個細胞的姿態(tài)和/或位置分別進行調(diào)整，則構建光圖形陣列；所述光圖形陣列為用于細胞繞相應軸旋轉的若干縮微光圖形，且按照細胞的分布位置照射至光電導層，以形成虛擬光電極陣列的形式；以及各縮微光圖形適于獨立控制，即每個矩形光圖形的暗片區(qū)域和明片區(qū)域的交界線與構成水平面的水平橫軸所成角度適于任意調(diào)節(jié)，以及各環(huán)形光電極在相應位置適于同時驅動各個細胞以相同或者不同的角速度水平旋轉。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明提供的實驗系統(tǒng)及其工作方法，其對細胞進行三維旋轉進而進行位姿調(diào)整，避免了在芯片上制作復雜的物理實體電極陣列或者其他的接觸式操縱部件；具有非接觸、可實時重構、且無損操控電中性微粒的優(yōu)點，其通過投射至操控芯片光電導層上的縮微光圖形（虛擬光電極）使得微流體環(huán)境內(nèi)產(chǎn)生與虛擬電極幾何形狀一致的非均勻電場分布，進而使細胞受到特定介電泳力場作用而產(chǎn)生預期的平移與三維旋轉運動。本系統(tǒng)僅需一路正弦激勵信號，且所需電壓很低，既利于保持細胞的活性，又降低了構建該系統(tǒng)的復雜度和成本。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1為本發(fā)明的實驗系統(tǒng)的結構及等效電路示意圖；

圖2為本發(fā)明的微流控芯片的結構側視圖；

圖3 為本發(fā)明實施例中細胞在旋轉電場中產(chǎn)生旋轉的原理示意圖；

圖4（a）為本發(fā)明實施例中光電導層對應的投射光圖形中明暗界線的位置和方向的俯視圖一；

圖4（b）為與圖4（a）對應的A-A剖面細胞旋轉方向的關系示意圖；

圖5（a）為本發(fā)明實施例中光電導層對應的投射光圖形中明暗界線的位置和方向的俯視圖二；

圖5（b）為與圖5（a）對應的A-A剖面細胞旋轉方向的關系示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例中通過細胞兩側相對運動的虛擬條狀光電極驅動細胞實現(xiàn)其繞垂直軸（z軸）旋轉的示意圖；

圖7（a）為本發(fā)明實施例中帶有缺口的環(huán)形光電極內(nèi)的靠近微粒體腔底部的水平面內(nèi)的電場近似分布示意圖；

圖7（b）為本發(fā)明實施例中帶有缺口的環(huán)形光電極對捕獲住的細胞進行旋轉時細胞與環(huán)狀虛擬光電極缺口的相對位置示意圖；

圖7（c）為本發(fā)明實施例中帶有缺口的環(huán)形光電極帶動細胞移動的示意圖。

圖8為用于細胞繞各軸旋轉的縮微光圖形可按照不同的方位在光電導層平面上形成的虛擬光電極陣列的示意圖。

圖中：

上銦錫氧化物薄膜1，光圖形100，微流體腔2，光電導層3，本征氫化非晶硅層31，N+型氫化非晶硅層32，氮化硅層33，下銦錫氧化物薄膜4，細胞5，RC等效電路121、122、131、132，流道口201、202、203，暗片區(qū)域301，明片區(qū)域302，間斷條狀虛擬光電極101、102，環(huán)狀虛擬光電極103，開口104。

具體實施方式

現(xiàn)在結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結構，因此其僅顯示與本發(fā)明有關的構成。

實施例1

如圖1和圖2所示，本實施1提供了一種實驗系統(tǒng)，包括：微流控芯片、交變信號源、用于產(chǎn)生相應光圖形的光源，其中將交變信號源接入微流控芯片中，且經(jīng)相應光圖形投射，以調(diào)節(jié)微流控芯片內(nèi)的細胞姿態(tài)和/或位置。

進一步，微流控芯片自上而下依次包括上銦錫氧化物薄膜1、微流體腔2、光電導層3和下銦錫氧化物薄膜4；其中上、下銦錫氧化物薄膜為透明導電薄膜，且所述上、下銦錫氧化物薄膜適于分別連接交變信號源的輸出端、接地端；以及相應光圖形（縮微光圖形）通過分別透過下銦錫氧化物薄膜照射光電導層的下端面，以調(diào)節(jié)微流體腔內(nèi)的細胞姿態(tài)和/或位置。

上銦錫氧化物薄膜1可以通過上銦錫氧化物薄膜1對細胞操作進行觀測。

位于上銦錫氧化物薄膜1的上方還可以設有CCD圖像傳感器，以觀測細胞。

本微流控芯片適于在利用縮微光圖形陣列產(chǎn)生的介電泳力以及電滲流的綜合作用效果下，對電中性的細胞或其他微觀顆粒進行在指定位置處的三維旋轉。

上下銦錫氧化物薄膜分別連接在交變信號源的兩極（圖1中的v1 和GND）。微流體腔2和光電導層3的等效電路均可用阻容并聯(lián)的形式來描述，如圖2中的虛線框121、122、141、142所示，即每層都具備其自身特定的交流阻抗（在明暗配對的縮微光圖形照射時，由于被照亮的那部分光電層、未被照亮的那部分光電層的等效電路均為電阻電容電路，且二者的復阻抗不同）。當光電導層3被光圖形照射時，上層電極（銦錫氧化物薄膜）、下層明區(qū)（圖1的右半邊）和下層暗區(qū)（圖1的左半邊為光電導層3的陰影部分）三個區(qū)域處固液界面的電壓相位均不同，由于交變信號源，其電壓相位和幅值均呈周期性變化。本芯片流體腔內(nèi)電場的方向隨著各電極幅值和相位的變化發(fā)生周期性變化及發(fā)生周期性旋轉。如圖2和圖3所示，被極化的細胞5內(nèi)部產(chǎn)生等效電偶極矩p，而該等效電偶極矩p的方向總是趨向于電場E的方向且保持一個相位差，因此細胞產(chǎn)生旋轉。

為了保證流體腔內(nèi)明暗交界區(qū)域的電場具有適度的非均勻程度，以達到更好的等效電偶極矩與光圖形在光電導層形成的虛擬光電極所生成的非均勻電場配合的目的，微流體腔高度與光電導層厚度的比值大于流體電導率與光電導層亮態(tài)電導率比值的兩倍，同時微流體腔高度與光電導層厚度的比值小于流體電導率與光電導層暗態(tài)電導率比值的1/2。

具體的，所述光電導層包括：自下而上依次沉積的本征氫化非晶硅層、N+型氫化非晶硅層和氮化硅層；以及所述微流體腔的上部設有若干流道口，以及其側面設有水平流道口，用于進樣或者將被執(zhí)行完注射或其他操作的細胞輸運到外部裝置。

本微流控芯片內(nèi)的細胞的旋轉速率與方向均可以通過調(diào)節(jié)頻率、信號幅值、溶液電導率等操作實現(xiàn)，簡單易行，具體的，關于頻率、信號幅值、溶液電導率的具體調(diào)節(jié)參數(shù)，本領域技術人員可以通過實驗經(jīng)驗獲得。

實施例2

在實施例1基礎上，本實施例2提供了一種實驗系統(tǒng)的工作方法。

所述實驗系統(tǒng)的工作方法包括：將交變信號源接入微流控芯片中，且經(jīng)相應光圖形投射，以調(diào)節(jié)微流體腔內(nèi)的細胞姿態(tài)和/或位置。

所述實驗系統(tǒng)適于采用如實施例1所述的實驗系統(tǒng)。

調(diào)整細胞姿態(tài)的方法包括：在水平面定義細胞的水平虛擬轉軸，且控制細胞以水平虛擬轉軸翻轉；即根據(jù)細胞的位置，投射一矩形光圖形，使該矩形光圖形在光電導層的下端面形成的一明暗交界線（投射處為明片區(qū)域，未投射處為暗片區(qū)域），該明暗交界線垂直向上映射至細胞，以作為水平虛擬轉軸；以及通過細胞內(nèi)產(chǎn)生的等效電偶極矩與矩形光圖形在光電導層形成的虛擬光電極所生成的非均勻電場配合，使細胞以所述水平虛擬轉軸翻轉。

本芯片的設計相較于傳統(tǒng)姿態(tài)調(diào)整芯片，能夠更加靈活方便的在多個自由度上調(diào)整細胞的姿態(tài)。

具體的，通過構建x軸、y軸平面坐標系對細胞姿態(tài)控制進行詳細論述，在使用時，投射光圖形的光源可以但不限于采用激光，以提高入射光功率密度，再通過數(shù)字微鏡系統(tǒng)對產(chǎn)生的明暗光圖形交界面的方向和位置任意改變。由于細胞的旋轉受明暗交界面位置、方向影響，所以細胞翻轉時的水平虛擬轉軸的方向與光圖形明暗交界面的幾何位置有關。光圖形的投射方式可以任意設置，圖4（a）、圖4（b）和圖5（a）、圖5（b）所示了光圖形的兩種特殊投射方式：圖4（a）為光線投射在y軸左側，明暗分界面為y軸，細胞此時繞y軸旋轉，圖5(a)為光線投射在x軸下側，此時同理可知細胞繞x軸旋轉。由此可見，本芯片設計使得細胞的姿態(tài)調(diào)整極為靈活便捷，能夠在多個自由度上調(diào)整細胞的姿態(tài)。所以，這種方法使得細胞既完成了繞x軸旋轉，又完成了繞y軸旋轉。

調(diào)整細胞姿態(tài)的方法還包括：控制細胞水平旋轉。

所述控制細胞水平旋轉的方法包括：根據(jù)細胞的位置，投射一對平行光圖形陣列，使光電導層在細胞兩側產(chǎn)生一對平行間斷條狀虛擬光電極；且兩間斷條狀虛擬光電極適于同時與細胞的兩側邊緣相接觸；當兩平行光圖形做相向或相背運動時，兩間斷條狀虛擬光電極帶動細胞水平旋轉，即使細胞繞z軸（垂直于光電導層的平面（x軸、y軸平面坐標系）水平轉動，達到三維控制的目的。

如圖6所示，平行間斷條狀虛擬光電極相向運動，如F1和F2所示，則細胞順時針旋轉。

進一步，實現(xiàn)細胞沿著z軸旋轉，還可以采用圖7（a）和圖7（b）所示的虛擬光電極形式，所述控制細胞水平旋轉的方法包括：根據(jù)細胞的位置，投射一帶有開口的環(huán)狀光圖形，使光電導層產(chǎn)生一帶有開口104的環(huán)狀虛擬光電極103以套于細胞，且所述環(huán)狀虛擬光電極的開口寬度小于細胞直徑；所述開口104適于捕獲住細胞，以使環(huán)狀虛擬光電極跟隨環(huán)狀光圖形轉動時，帶動細胞水平旋轉，由于細胞直徑非常小，因此，可以把環(huán)狀虛擬光電極103的中心轉軸與細胞的中心轉軸看成是重合的，定義為z軸。

具體的，由于本環(huán)狀虛擬光電極其圓周非對性，在微粒體腔底部的電場的水平分量會產(chǎn)生如圖7（a）環(huán)狀虛擬光電極內(nèi)箭頭分布所示，這種圓周非對稱的電場分別將會在細胞內(nèi)部誘導出同樣圓周非對稱的偶極矩。當環(huán)狀虛擬光電極繞環(huán)中心自旋時，其內(nèi)部電場的水平分量將展現(xiàn)出圓周方向的旋轉特征，于是細胞在其內(nèi)部偶極矩和旋轉電場的作用下，產(chǎn)生自旋運動。當細胞受到負介電泳力作用時，其會在旋轉的同時，貼近環(huán)狀虛擬光電極的缺口之后，達到捕獲細胞的目的，如圖7（b）所示。

如圖7（c）所示，并且，調(diào)整細胞的位置的方法包括：通過環(huán)狀光圖形位移使環(huán)狀虛擬光電極帶動細胞位移，以調(diào)整細胞的位置。

具體的，通過環(huán)狀虛擬光電極捕獲細胞后，細胞會跟隨環(huán)狀虛擬光電極移動，因此，達到調(diào)整細胞位置的目的。

并且，可以在所述環(huán)形光電極對捕獲住的細胞進行旋轉的同時，帶動細胞跟隨環(huán)狀虛擬光電極移動，一步完成旋轉和移位動作。

如圖8所示，為用于細胞繞各軸旋轉的縮微光圖形可按照不同的方位在光電導層平面上形成的虛擬光電極陣列，以控制多個細胞同時且獨立完成姿態(tài)和/或位置調(diào)整。圖8中僅將一個3×3的光圖形陣列作為一個示意例子，例舉可以同時控制9個細胞，實際中可以構建出更大規(guī)模的縮微光圖形陣列，且陣列中的每個縮微光圖形可以單獨構建和控制。圖8中，暗片區(qū)域（3011、3012、3013、3014、3015、3016）分別與明片區(qū)域（3021、3022、3023、3024、3025、3026）之間的交界線沿y軸線方向或者與y軸（或x軸）成一定的夾角。例如，矩形光圖形形成的暗片區(qū)域3012和明片區(qū)域3022形成的明暗交界線都與x軸正方向成一銳角；以及暗片區(qū)域3015和明片區(qū)域3025形成的明暗交界線都與x軸正方向成一鈍角。環(huán)形光電極（1031、1032、1033）可以在不同位置同時且分別帶動細胞（57、58、59）以不同的速度旋轉。此外，細胞（51、52、53、54、55、56）均可以沿著各自的旋轉軸線在不同位置同時旋轉。每個細胞在旋轉的同時還可以沿著特定方向，例如F3、F4、F5進行移動。

本實驗系統(tǒng)及其工作方法在目前的微觀顆粒的顯微操作中，實現(xiàn)了在同一指定位置處實現(xiàn)細胞的三個旋轉自由度旋轉，進而達到微觀顆粒（細胞）姿態(tài)和位置調(diào)整的目的。

以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術思想的范圍內(nèi)，進行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權利要求范圍來確定其技術性范圍。