专利名称：线圈阵列的微型生物粒子操纵系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种生物工程技术领域的装置，具体是一种线圈阵列的微型生物 粒子操纵系统。
背景技术：
在生命科学领域，对单个或数个生物活性粒子在无损伤条件下，实施俘获、移动等 操纵是实现生物学对象操作、加工、测试的基础，这种对生物活性粒子的微操纵方法在基因 分析、染色体和细胞分析、蛋白质和核酸聚合分析、新物种产生等生命科学领域，具有重大 的理论和现实意义。现阶段对微型生物粒子进行微操纵的主要方法有接触式机械微钳、磁钳、光钳等。 但是接触式机械微钳容易损坏粒子的生物活性和引入污染；磁钳需要引入第三者即磁性微 粒，这不仅使操作复杂化，也容易引入污染；而光钳的生成需要较为复杂的设备，激光的高 能量可能会造成对生物活性粒子的未知伤害。基于磁阿基米德效应的反磁微操纵方法可以 实现非接触、无损伤的反磁或弱顺磁粒子微操纵。经过对现有技术的检索发现，论文《Manipulation of biological cells using amicroelectromagnet matrix》中提到的磁钳类生物粒子微操纵方法，需要借助第三者即 磁球，但这种方法操作复杂，且不利于生物粒子的纯度，容易引起生物粒子的污染，因此探 索一种新型的非接触、不借助第三者(磁性微球)的生物粒子微操纵方法，具有重要的理论 与现实意义。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种线圈阵列的微型生物粒子操纵系 统，将反磁悬浮技术用于生物微操纵，利用大多数生物粒子自身的反磁性，借助磁阿基米德 效应和MEMS技术，不需借助第三者(如磁性微球)，在常温、普通磁场环境下，便可实现芯片 系统内，非接触、无机械或光损伤的生物活性粒子微操纵，且线圈间独特的连接方式(通过 行线和列线定位线圈)简化了线圈的控制和外围电路。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括生物活性粒子、与生物活性粒子 兼容的顺磁性溶液以及包含微操纵腔室、软磁层和线圈阵列的芯片，其中微操纵腔室、软 磁层和线圈阵列由上而下依次排列，生物活性粒子置于盛有顺磁性溶液的生物微操纵腔室 中。考虑到通常情况下通电线圈产生的磁场较小，可根据所需悬浮操纵的粒子的不同，加入 永磁体来产生背景磁场。所述的线圈阵列包含正方形矩阵排布的线圈；所述的顺磁性溶液与生物活性粒子兼容且顺磁性溶液的磁化系数需大于生物活 性粒子的磁化系数，如Gdc 13水溶液。所述的生物微操纵腔室采用SU-8胶或玻璃制成。所述的芯片通过MEMS工艺多层掩膜制成，该芯片的线圈电极由芯片外部引入。
所述的线圈阵列包括若干正方形矩阵排布且串联连接的线圈单元，每一个线圈单 元的外围都连接在对应的行线上，每一个线圈单元的中心都连接在对应的列线上，行线和 列线处在线圈阵列的不同层上且行线位于列线的垂直位置上方。所述的线圈单元为回字形结构。所述的线圈阵列的微型生物粒子操纵系统利用生物粒子的反磁性或弱顺磁性，使 之处于顺磁性溶液中，由通电线圈产生磁场，此时，生物活性粒子在竖直方向上受到重力、 浮力和反磁力；在水平方向上受到反磁力和溶液的阻力。在一定条件下，水平和竖直方向的 受力会达到平衡，从而实现稳定悬浮。而对不同线圈通电产生不同势阱，以此来实现生物粒 子的操纵。因为通电线圈产生的磁场强度有限，所以在其上加上软磁层来增强磁场强度。本发明整个系统利用了磁阿基米德效应，含有生物微操纵腔室、软磁层和线圈阵 列的芯片采用MEMS工艺构成生物微操纵芯片，使得系统具有整体结构简单、易操控的优 点ο
图1为本发明示意图。图2为微操纵腔室结构示意图。图3为软磁层结构示意图。图4为线圈阵列结构示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。如图1-图4所示，本实施例包括生物活性粒子1、与生物活性粒子1兼容的顺磁 性溶液2以及包含微操纵腔室4、软磁层5和线圈阵列6的芯片3，其中微操纵腔室4、软 磁层5、线圈阵列6、软磁块7和电极8由上而下依次排列，生物活性粒子1置于盛有顺磁性 溶液2的生物微操纵腔室4中。所述的线圈阵列芯片3用MEMS工艺多层掩膜制作，所有的线圈电极由外部引入。所述的生物微操纵腔室4制作材料为PDMS、SU-8胶或玻璃等，并利用牛血清蛋白 等对腔室内壁进行表面修饰，本实施例中的生物微操纵腔室4通过光刻等方法制作在软磁 层5上，或者通过键合等MEMS工艺和5组装在一起。所述的软磁层5为软磁材料阵列，本实施例中使用Ni，软磁材料阵列的行距、列距 与线圈阵列的行距、列距相同，通过电镀等MEMS工艺制作，在每一个线圈上都有一个立方 体状M块，用来增强线圈产生的磁场。所述的线圈阵列6包括若干正方形矩阵排布且串联连接的线圈单元9，每一个线 圈单元9为回字形结构。每一个线圈单元9都连接在对应的行线10上，每一个线圈的中心 都连接在对应的列线11上。行线和列线处在不同的层上，且行线所在的层在列线所在的层 的上方。如图4所示。在每一个线圈的正上方都有一个软磁块与之对应。
所述的芯片通过MEMS工艺多层掩膜制成，线圈的制作材料为良导体，如铜。该芯 片的线圈电极由芯片外部引入，电极的制作材料为镍。此基于线圈阵列的微型生物粒子三维微操纵系统加工技术主要是利用MEMS工艺 技术，线圈是螺旋形式，电极无法从同一平面引出，如图4所示。所以需采用MEMS多层掩膜 技术，将线圈的内电极从线圈的底下一层弓丨出，线圈阵列5表面可旋涂聚酰亚胺等材料，这 样既可以保护线圈也利于后续其与生物微操纵腔室4进行键合，形成生物微操纵芯片，顺 磁性溶液2需为合适成分与浓度的生物兼容流体。
权利要求
一种线圈阵列的微型生物粒子操纵系统，包括生物活性粒子、与生物活性粒子兼容的顺磁性溶液以及包含微操纵腔室、软磁层和线圈阵列的芯片，其特征在于微操纵腔室、软磁层和线圈阵列由上而下依次排列，生物活性粒子置于盛有顺磁性溶液的生物微操纵腔室中。
2.根据权利要求1所述的线圈阵列的微型生物粒子操纵系统，其特征是，所述的顺磁 性溶液与生物活性粒子兼容且顺磁性溶液的磁化系数需大于生物活性粒子的磁化系数。
3.根据权利要求1或2所述的线圈阵列的微型生物粒子操纵系统，其特征是，所述的顺 磁性溶液为Gdc 13水溶液。
4.根据权利要求1所述的线圈阵列的微型生物粒子操纵系统，其特征是，所述的生物 微操纵腔室采用SU-8胶或玻璃制成。
5.根据权利要求1所述的线圈阵列的微型生物粒子操纵系统，其特征是，所述的芯片 通过MEMS工艺多层掩膜制成，该芯片的线圈电极由芯片外部引入。
6.根据权利要求1所述的线圈阵列的微型生物粒子操纵系统，其特征是，所述的线圈 阵列包括若干正方形矩阵排布且串联连接的线圈单元，每一个线圈单元的外围都连接在对 应的行线上，每一个线圈单元的中心都连接在对应的列线上，行线和列线处在线圈阵列的 不同层上且行线位于列线的垂直位置上方。
7.根据权利要求6所述的线圈阵列的微型生物粒子操纵系统，其特征是，所述的线圈 单元为回字形结构。
全文摘要
一种生物工程技术领域的线圈阵列的微型生物粒子操纵系统，包括生物活性粒子、与生物活性粒子兼容的顺磁性溶液以及包含微操纵腔室、软磁层和线圈阵列的芯片，微操纵腔室、软磁层和线圈阵列由上而下依次排列，生物活性粒子置于盛有顺磁性溶液的生物微操纵腔室中。本发明线圈阵列的微型生物粒子操纵系统，将反磁悬浮技术用于生物微操纵，利用大多数生物粒子自身的反磁性，借助磁阿基米德效应和MEMS技术，不需借助如磁性微球，在常温、普通磁场环境下，便可实现芯片系统内，非接触、无机械或光损伤的生物活性粒子微操纵，且线圈间独特的连接方式简化了线圈的控制和外围电路。
文档编号C12M1/42GK101974422SQ20101029911
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月2日 优先权日2010年10月2日
发明者刘武, 吴校生, 崔峰, 张卫平, 李世鹏, 王群, 陈文元 申请人:上海交通大学