一種微觀顆粒繞三坐標軸旋轉的微流控晶片及其控制方法與流程
2023-05-20 14:29:11 1
本發明提供了一種對微觀顆粒進行三維旋轉的方法，涉及微機電系統領域,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：
細胞顯微操作是現代生物工程中一項非常重要的技術，該技術被廣泛應用於生物醫學工程、生命科學、物理、化學等領域。隨著生物技術的發展，當前顯微操作已進入亞細胞級的操作水平。細胞位置和姿態調節是細胞顯微操作中的重要一環，因此，開展細胞位置姿態自動化調節研究具有重要意義。在許多顯微操作中，如卵胞漿內單精子顯微注射、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，以調節其位置和姿態。另外，對單個細胞位置和姿態的調節，亦能夠促進對細胞表面分子或主要受體進行高解析度識別的研究。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。這裡的細胞位置通常是指二維平面內的位置，而細胞姿態則涉及三個旋轉自由度。
近年來，國內外相關機構對細胞顯微操控技術的研究非常活躍，機械法、雷射法、微流控法、磁場法和電場法等被用於細胞操作。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，產生相對於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生空間移動，但由於三維介電籠中的微電極位置固定，難以實現細胞在指定位置處的三維旋轉。在基於電場、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。
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更加靈活的細胞微操控和位置姿態調整，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。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種微流控晶片及其控制方法，以針對目前在微觀顆粒（細胞）的顯微操作中，細胞的三個旋轉自由度難以在同一指定位置處實現的問題。
為了解決上述技術問題，本發明提供了一種微流控晶片，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於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(光電導層亮態電導率和暗態電導率分別記為σl和σd)，以調節微流體腔內的細胞姿態和/或位置。為了保證流體腔內明暗交界區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/σl < h1/h0 < 0.5σ0/σd , 即微流體腔高度與光電導層厚度的比值大於流體電導率與光電導層亮態電導率比值的兩倍，同時微流體腔高度與光電導層厚度的比值小於流體電導率與光電導層暗態電導率比值的1/2。
進一步，所述光電導層包括：自下而上依次沉積的本徵氫化非晶矽層、N+型氫化非晶矽層和氮化矽層；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，本發明還提供了一種微流控晶片的控制方法，通過相應光圖形調整微流控晶片中微流體腔內的細胞姿態和/或位置。
進一步，調整細胞姿態的方法包括：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；以及通過細胞內產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，調整細胞姿態的方法還包括：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於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：
根據細胞的位置，投射一帶有開口的環狀光圖形，使光電導層產生一帶有開口的環狀虛擬光電極以套於細胞，且所述環狀虛擬光電極的開口寬度小於細胞直徑；所述開口適於捕獲住細胞，以使環狀虛擬光電極跟隨環狀光圖形轉動時，帶動細胞水平旋轉。
進一步，調整細胞的位置的方法包括：通過環狀光圖形位移使環狀虛擬光電極帶動細胞位移，以調整細胞的位置。
本發明的有益效果是，本發明提供了對細胞進行三維旋轉進而進行位姿調整的方法，避免了在晶片上製作複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點，其通過投射至操控晶片光電導層上的縮微光圖形（虛擬光電極）使得微流體環境內產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生預期的平移與三維旋轉運動。
附圖說明
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1 為本發明的微流控晶片的結構側視圖；
圖2 為本發明的微流控晶片的等效電路示意圖；
圖3 為本發明實施例中細胞在旋轉電場中產生旋轉的原理示意圖；
圖4（a）為本發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係示意圖；
圖5（a）為本發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係示意圖；
圖6為本發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其繞垂直軸（z軸）旋轉的示意圖；
圖7（a）為本發明實施例中帶有缺口的環形光電極內的靠近微粒體腔底部的水平面內的電場近似分布示意圖；
圖7（b）為本發明實施例中帶有缺口的環形光電極對捕獲住的細胞進行旋轉時細胞與環狀虛擬光電極缺口的相對位置示意圖；
圖7（c）為本發明實施例中帶有缺口的環形光電極帶動細胞移動的示意圖。
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，本徵氫化非晶矽層31，N+型氫化非晶矽層32，氮化矽層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，暗片區域301，明片區域302，間斷條狀虛擬光電極101、102，環狀虛擬光電極103，開口104。
具體實施方式
現在結合附圖對本發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明的基本結構，因此其僅顯示與本發明有關的構成。
實施例1
如圖1所示，本發明的一種微流控晶片，其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於分別連接一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，以調節微流體腔內的細胞姿態和/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。
本微流控晶片適於在利用縮微光圖形陣列產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一交變信號源的兩極（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並聯的形式來描述，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，由於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（圖1的右半邊）和下層暗區（圖1的左半邊為光電導層3的陰影部分）三個區域處固液界面的電壓相位均不同，由於交變信號源，其電壓相位和幅值均呈周期性變化。本晶片流體腔內電場的方向隨著各電極幅值和相位的變化發生周期性變化及發生周期性旋轉。如圖2和圖3所示，被極化的細胞5內部產生等效電偶極矩p，而該等效電偶極矩p的方向總是趨向於電場E的方向且保持一個相位差，因此細胞產生旋轉。
為了保證流體腔內明暗交界區域的電場具有適度的非均勻程度，微流體腔高度與光電導層厚度的比值大於流體電導率與光電導層亮態電導率比值的兩倍，同時微流體腔高度與光電導層厚度的比值小於流體電導率與光電導層暗態電導率比值的1/2。
具體的，所述光電導層包括：自下而上依次沉積的本徵氫化非晶矽層、N+型氫化非晶矽層和氮化矽層；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，用於進樣或者將被執行完注射或其他操作的細胞輸運到外部裝置。
本微流控晶片內的細胞的旋轉速率與方向均可以通過調節頻率、信號幅值、溶液電導率等操作實現，簡單易行，具體的，關於頻率、信號幅值、溶液電導率的具體調節參數，本領域技術人員可以通過實驗經驗獲得。
本微流控晶片僅需一路正弦激勵信號，且所需電壓很低，在調整細胞姿態和/或位置後還能保持細胞的活性。
實施例2
在實施例1基礎上，本實施例2提供了一種微流控晶片的控制方法。
所述微流控晶片的控制方法，即通過相應光圖形（縮微光圖形）調整微流控晶片中微流體腔內的細胞姿態和/或位置。
所述微流控晶片適於採用如實施例1所述的微流控晶片。
調整細胞姿態的方法包括：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（投射處為明片區域，未投射處為暗片區域），該明暗交界線垂直向上映射至細胞，以作為水平虛擬轉軸；以及通過細胞內產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。
本晶片的設計相較於傳統姿態調整晶片，能夠更加靈活方便的在多個自由度上調整細胞的姿態。
具體的，通過構建x軸、y軸平面坐標系對細胞姿態控制進行詳細論述，在使用時，投射光圖形的光源可以但不限於採用雷射，以提高入射光功率密度，再通過數字微鏡系統對產生的明暗光圖形交界面的方向和位置任意改變。由於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，本晶片設計使得細胞的姿態調整極為靈活便捷，能夠在多個自由度上調整細胞的姿態。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。
調整細胞姿態的方法還包括：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於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（垂直於光電導層的平面（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，實現細胞沿著z軸旋轉，還可以採用圖7（a）和圖（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：根據細胞的位置，投射一帶有開口的環狀光圖形，使光電導層產生一帶有開口104的環狀虛擬光電極103以套於細胞，且所述環狀虛擬光電極的開口寬度小於細胞直徑；所述開口104適於捕獲住細胞，以使環狀虛擬光電極跟隨環狀光圖形轉動時，帶動細胞水平旋轉，由於細胞直徑非常小，因此，可以把環狀虛擬光電極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，由於本環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生如圖7（a）環狀虛擬光電極內箭頭分布所示，這種圓周非對稱的電場分別將會在細胞內部誘導出同樣圓周非對稱的偶極矩。當環狀虛擬光電極繞環中心自旋時，其內部電場的水平分量將展現出圓周方向的旋轉特徵，於是細胞在其內部偶極矩和旋轉電場的作用下，產生自旋運動。當細胞受到負介電泳力作用時，其會在旋轉的同時，貼近環狀虛擬光電極的缺口之後，達到捕獲細胞的目的，如圖7（b）所示。
本微流控晶片及其控制方法在目前的微觀顆粒的顯微操作中，實現了在同一指定位置處實現細胞的三個旋轉自由度旋轉，進而達到微觀顆粒（細胞）姿態和位置調整的目的。
如圖7（c）所示，並且，調整細胞的位置的方法包括：通過環狀光圖形位移使環狀虛擬光電極帶動細胞位移，以調整細胞的位置。
具體的，通過環狀虛擬光電極捕獲細胞後，細胞會跟隨環狀虛擬光電極移動，因此，達到調整細胞位置的目的。
並且，可以在所述環形光電極對捕獲住的細胞進行旋轉的同時，帶動細胞跟隨環狀虛擬光電極移動，同步完成旋轉和移位動作。
以上述依據本發明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內容，相關工作人員完全可以在不偏離本項發明技術思想的範圍內，進行多樣的變更以及修改。本項發明的技術性範圍並不局限於說明書上的內容，必須要根據權利要求範圍來確定其技術性範圍。