一种微观颗粒绕三坐标轴旋转的微流控芯片的控制方法技术

本发明专利技术涉及一种微观颗粒绕三坐标轴旋转的微流控芯片及其控制方法，本微流控芯片自上而下依次包括上铟锡氧化物薄膜、微流体腔、光电导层和下铟锡氧化物薄膜；其中所述上、下铟锡氧化物薄膜适于分别连接一交变信号源的输出端、接地端；以及相应光图形通过分别透过下铟锡氧化物薄膜照射光电导层的下端面，以调节微流体腔内的细胞姿态和/或位置；本发明专利技术适于对细胞进行三维旋转进而进行位姿调整，操作简单，避免了在芯片上制作复杂的物理实体电极阵列或者其他的接触式操纵部件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提供了一种对微观颗粒进行三维旋转的方法，涉及微机电系统领域,特别是通过微观电作用力对细胞进行多自由度旋转的领域。
技术介绍
细胞显微操作是现代生物工程中一项非常重要的技术，该技术被广泛应用于生物医学工程、生命科学、物理、化学等领域。随着生物技术的发展，当前显微操作已进入亚细胞级的操作水平。细胞位置和姿态调节是细胞显微操作中的重要一环，因此，开展细胞位置姿态自动化调节研究具有重要意义。在许多显微操作中，如卵胞浆内单精子显微注射、胚胎极体活性检测、卵母细胞核移植和克隆等，均需要在操作前对细胞进行操控，以调节其位置和姿态。另外，对单个细胞位置和姿态的调节，亦能够促进对细胞表面分子或主要受体进行高分辨率识别的研究。在利用原子力显微镜研究细胞表面形貌或者物理特性时，如果配以细胞三维旋转的主动控制，则能够使得相应研究的灵活度进一步深化。这里的细胞位置通常是指二维平面内的位置，而细胞姿态则涉及三个旋转自由度。近年来，国内外相关机构对细胞显微操控技术的研究非常活跃，机械法、激光法、微流控法、磁场法和电场法等被用于细胞操作。在正交直角坐标系中，细胞在外部力场（由电场、流场、磁场等引起的力场）的作用下，能够在X轴、Y轴、Z轴方向上的三个平移自由度。例如，在介电泳器件中，细胞可以在平面微电极阵列的激励下，产生相对于微电极的二维平面位置移动。有时在三维介电笼中亦可以使得细胞产生空间移动，但由于三维介电笼中的微电极位置固定，难以实现细胞在指定位置处的三维旋转。在基于电场、流场或磁场的微机电器件中，均难以在指定位置处同时实现细胞沿着XY轴、YZ轴和XZ轴的旋转。总体而言，在各种微观力场的作用下，细胞的三个旋转自由度难以在同一指定位置处实现。因此，如果能够提供一种新方法，能够在承载细胞的器件中的任一位置处，同时实现细胞的三个自由度的旋转，且同时能够控制细胞在器件的二维操作腔中的平面位置，则可以在各应用领域中都实现更加灵活的细胞微操控和位置姿态调整，进而对显微注射、细胞表面形貌检测等方面技术的进步起到更大的推动作用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种微流控芯片及其控制方法，以针对目前在微观颗粒（细胞）的显微操作中，细胞的三个旋转自由度难以在同一指定位置处实现的问题。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种微流控芯片，自上而下依次包括上铟锡氧化物薄膜、微流体腔（高度记为h1,其内的溶液电导率记为σ0）、光电导层（厚度记为h0）和下铟锡氧化物薄膜；其中所述上、下铟锡氧化物薄膜适于分别连接一交变电压信号源的输出端、接地端,或者分别连接任意两个具有相位差的交变电压信号源；以及相应光图形通过分别透过下铟锡氧化物薄膜照射光电导层的下端面(光电导层亮态电导率和暗态电导率分别记为σl和σd)，以调节微流体腔内的细胞姿态和/或位置。为了保证流体腔内明暗交界区域的电场具有适度的非均匀程度，上述的参量值需要满足：2σ0/σl < h1/h0 < 0.5σ0/σd , 即微流体腔高度与光电导层厚度的比值大于流体电导率与光电导层亮态电导率比值的两倍，同时微流体腔高度与光电导层厚度的比值小于流体电导率与光电导层暗态电导率比值的1/2。进一步，所述光电导层包括：自下而上依次沉积的本征氢化非晶硅层、N+型氢化非晶硅层和氮化硅层；以及所述微流体腔的上部设有若干流道口，以及其侧面设有水平流道口。又一方面，本专利技术还提供了一种微流控芯片的控制方法，通过相应光图形调整微流控芯片中微流体腔内的细胞姿态和/或位置。进一步，调整细胞姿态的方法包括：在水平面定义细胞的水平虚拟转轴，且控制细胞以水平虚拟转轴翻转；即根据细胞的位置，投射一矩形光图形，使该矩形光图形在光电导层的下端面形成的一明暗交界线，该明暗交界线垂直向上映射至细胞，以作为水平虚拟转轴；以及通过细胞内产生的等效电偶极矩与矩形光图形在光电导层形成的虚拟光电极所生成的非均匀电场配合，使细胞以所述水平虚拟转轴翻转。进一步，调整细胞姿态的方法还包括：控制细胞水平旋转。进一步，所述控制细胞水平旋转的方法包括：根据细胞的位置，投射一对平行光图形阵列，使光电导层在细胞两侧产生一对平行间断条状虚拟光电极；且两间断条状虚拟光电极适于同时与细胞的两侧边缘相接触；当两平行光图形做相向或相背运动时，两间断条状虚拟光电极带动细胞水平旋转。进一步，所述控制细胞水平旋转的方法包括：根据细胞的位置，投射一带有开口的环状光图形，使光电导层产生一带有开口的环状虚拟光电极以套于细胞，且所述环状虚拟光电极的开口宽度小于细胞直径；所述开口适于捕获住细胞，以使环状虚拟光电极跟随环状光图形转动时，带动细胞水平旋转。进一步，调整细胞的位置的方法包括：通过环状光图形位移使环状虚拟光电极带动细胞位移，以调整细胞的位置。本专利技术的有益效果是，本专利技术提供了对细胞进行三维旋转进而进行位姿调整的方法，避免了在芯片上制作复杂的物理实体电极阵列或者其他的接触式操纵部件；具有非接触、可实时重构、且无损操控电中性微粒的优点，其通过投射至操控芯片光电导层上的缩微光图形（虚拟光电极）使得微流体环境内产生与虚拟电极几何形状一致的非均匀电场分布，进而使细胞受到特定介电泳力场作用而产生预期的平移与三维旋转运动。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1 为本专利技术的微流控芯片的结构侧视图；图2 为本专利技术的微流控芯片的等效电路示意图；图3 为本专利技术实施例中细胞在旋转电场中产生旋转的原理示意图；图4（a）为本专利技术实施例中光电导层对应的投射光图形中明暗界线的位置和方向的俯视图一；图4（b）为与图4（a）对应的A-A剖面细胞旋转方向的关系示意图；图5（a）为本专利技术实施例中光电导层对应的投射光图形中明暗界线的位置和方向的俯视图二；图5（b）为与图5（a）对应的A-A剖面细胞旋转方向的关系示意图；图6为本专利技术实施例中通过细胞两侧相对运动的虚拟条状光电极驱动细胞实现其绕垂直轴（z轴）旋转的示意图；图7（a）为本专利技术实施例中带有缺口的环形光电极内的靠近微粒体腔底部的水平面内的电场近似分布示意图；图7（b）为本专利技术实施例中带有缺口的环形光电极对捕获住的细胞进行旋转时细胞与环状虚拟光电极缺口的相对位置示意图；图7（c）为本专利技术实施例中带有缺口的环形光电极带动细胞移动的示意图。图中：上铟锡氧化物薄膜1，光图形100，微流体腔2，光电导层3，本征氢化非晶硅层31，N+型氢化非晶硅层32，氮化硅层33，下铟锡氧化物薄膜4，细胞5，RC等效电路121、122、131、132，流道口201、202、203，暗片区域301，明片区域302，间断条状虚拟光电极101、102，环状虚拟光电极103，开口104。具体实施方式现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本专利技术的基本结构，因此其仅显示与本专利技术有关的构成。实施例1如图1所示，本专利技术的一种微流控芯片，其自上而下依次包括上铟锡氧化物薄膜1、微流体腔2、光电导层3和下铟锡氧化物薄膜4；其中上、下铟锡氧化物薄膜为透明导电薄膜，且所述上、下铟锡氧化物薄膜适于分别连接一交变信号源的输出端、接地端；以及相应光图形（缩微光图形）通过分别透过下铟锡氧化物薄膜照射光电导层的下端面，以调节微流体腔内的细胞姿态本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微流控芯片，其特征在于，自上而下依次包括上铟锡氧化物薄膜、微流体腔、光电导层和下铟锡氧化物薄膜；其中所述上、下铟锡氧化物薄膜适于分别连接一交变信号源的输出端、接地端；以及相应光图形通过分别透过下铟锡氧化物薄膜照射光电导层的下端面，以调节微流体腔内的细胞姿态和/或位置。

【技术特征摘要】
1.一种微流控芯片，其特征在于，自上而下依次包括上铟锡氧化物薄膜、微流体腔、光电导层和下铟锡氧化物薄膜；其中所述上、下铟锡氧化物薄膜适于分别连接一交变信号源的输出端、接地端；以及相应光图形通过分别透过下铟锡氧化物薄膜照射光电导层的下端面，以调节微流体腔内的细胞姿态和/或位置。2.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，所述光电导层包括：自下而上依次沉积的本征氢化非晶硅层、N+型氢化非晶硅层和氮化硅层；以及所述微流体腔的上部设有若干流道口，以及其侧面设有水平流道口。3.一种微流控芯片的控制方法，其特征在于，通过相应光图形调整微流控芯片中微流体腔内的细胞姿态和/或位置。4.根据权利要求3所述的微流控芯片的控制方法，其特征在于，所述微流控芯片适于采用如权利要求1或2所述的微流控芯片。5.根据权利要求4所述的微流控芯片的控制方法，其特征在于，调整细胞姿态的方法包括：在水平面定义细胞的水平虚拟转轴，且控制细胞以水平虚拟转轴翻转；即根据细胞的位置，投射一矩形光图形，使该矩形光图形在光电导层的下端面形成的一明暗交界线，该明暗交界线垂直向上映射至细胞，以作为水平虚拟转轴；以及通过细...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱晓璐，杨逸飞，聂晟楠，戴含晖，陈宇恒，李欣，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏;32