基于光诱导介电泳技术的虚拟微通道操纵微纳物体的方法

1.本发明属于微纳米控制领域，具体涉及一种基于光诱导介电泳技术的虚拟微通道操纵微纳物体的方法。


背景技术：

2.光诱导介电泳技术是在介电泳技术基础上发展的一种新型微纳物体操纵技术。利用光诱导虚拟电极形成虚拟微通道实现对微纳物体的操纵，具有操作简单节约成本等优点，受到研究人员的广泛关注。
3.中国专利，zl 201910155647.4，涉及一种基于光诱导介电泳的群细胞三维结构操纵与构建系统及方法，利用光诱导介电泳技术构建细胞三维结构操纵系统并实现了对酵母菌细胞的形貌观察及测量。中国专利，zl 201710649227.2，涉及一种激光干涉图案化光场作为光源的光诱导介电泳装置，利用激光干涉系统产生干涉图案化光场制备光诱导介电泳装置，控制溶液中的微观粒子运动。中国专利，zl 201710749707.6，涉及一种基于光诱导介电泳装置筛选被磁性纳米粒子修饰细胞的方法，利用携带有磁性纳米粒子的酵母菌细胞与正常酵母菌细胞存在差异实现细胞筛选。以上方法存在一定的局限性，仅针对酵母菌细胞实现了细胞筛选和分离，且需要提前对细胞进行磁性纳米粒子修饰。而本发明通过制备虚拟微通道对微纳物体进行直接操纵，不需要对操纵物体进行任何修饰，也不局限于某种微纳物体。本方法操纵范围及操纵对象广泛，简单易实现，成本低，操作灵活、方便。


技术实现要素：

4.本发明的技术解决问题：避免了传统微通道操纵微纳物体存在的制作过程复杂，成本高，耗时长，微通道形状受限，结构不稳定等问题。提供一种基于光诱导介电泳技术的虚拟微通道操纵微纳物体的方法。具有灵活性高，用时少，加工成本低，对所操纵的微纳物体无损伤且操纵对象范围广泛，不局限于某种微纳物体，不需要对操纵物体进行任何修饰，操纵灵活多变等优点。可以实现虚拟微通道内微纳物体的运输、收集等作用，应用于生物、医学等领域。
5.本发明提供的一种基于光诱导介电泳技术的虚拟微通道操纵微纳物体的方法，目的可通过以下的技术措施来实现：
6.本发明的光诱导介电泳系统包括：投影装置(11)、光学系统(12)、微流控芯片(13)、信号发生器(14)、显微镜系统(15)、ccd图像传感器(16)、计算机(17)。其中光学系统(12)由两个正透镜和一个显微物镜组成，正透镜的作用是汇聚光强，并将投影装置(11)投出的光图案调节到适合操纵和观测微粒运动的尺寸。
7.制备细胞溶液，将细胞溶液通过注射器注入微流控芯片(13)中，溶液量为4μl-6μl。另外，在本发明的实施例中，在芯片上下两层之间注入细胞溶液后，选用厚度为50μm的pet双面胶对芯片进行封装。
8.投影装置(11)发射出的光图案通过光学系统(12)照射到微流控芯片(13)上，微流
控芯片的光敏层(23)的光照区域产生大量光生载流子(电子空穴对)，光照区的光生载流子浓度迅速增加使得该局部区域导电性急剧提高，进而在受光区和暗区产生不同的分压，产生不均匀电场，形成光诱导虚拟电极。此时照射在溶液层(25)的光图案便作为虚拟微通道，宽度为5μm-350μm，长度为300μm-1300μm。
9.优选地，将投影装置投出的两束条形光图案之间暗区作为虚拟微通道，信号发生器输出交流电压为8v
pp-15v
pp
，输出交流频率为20khz-50khz。随着投影装置发出的另一水平条形光图案在虚拟微通道内的移动，实现了虚拟微通道对微纳物体的操纵。
10.优选地，将投影装置投出的一束条形光图案亮区作为虚拟微通道，信号发生器输出交流电压为8v
pp-15v
pp
，输出交流频率为1mhz-2mhz。随着投影装置发出的另一椭圆形光图案在虚拟微通道内的移动，实现了虚拟微通道对微纳物体的操纵。
11.所述微流控芯片(13)，外面为0.06cm-1cm厚的pdms框架(20)，pdms材料具有很好的疏水性、具有良好的生物相容性、透气性并且无毒。里面分为上下两层，下层从下到上依次为玻璃基底(21)、导电层(22)、光敏层(23)、保护层(24)、溶液层(25)、微纳物体(26)。上层从上到下依次为玻璃基底(28)、导电层(27)、导线(29)。进一步地，所述芯片中玻璃基底为3cm
×
3cm
×
0.08cm，导电层(22)与导电层(27)氧化铟锡膜厚度分别为120nm和200nm，光敏层氢化非晶硅厚度为500nm，保护层二氧化硅厚度为20nm。
12.本发明通过制备虚拟微通道代替传统物理微通道，实现对微纳物体的操纵，具有以下优点：
13.1)所需设备简单，无需特殊的实验环境。
14.2)成本低，效率高，可应用于大规模生产中。
15.3)微通道的形状更加稳定、多变，可以实现复杂的操纵。
16.4)操纵对象范围广泛，不局限于某种微纳物体，不需要对操纵物体进行任何修饰，操纵更加灵活。
附图说明
17.图1为光诱导介电泳装置结构示意图。
18.其中11为投影装置，12为光学系统，13为微流控芯片，14为信号发生器，15为显微镜系统，16为ccd图像传感器，17为计算机。
19.图2为微流控芯片结构示意图。
20.其中20为pdms框架，21、28为玻璃基底，22、27为导电层，23为光敏层，24为保护层，25为溶液层，26为微纳物体，29为导线。
21.图3为两个条形光图案之间暗区作为虚拟微通道操纵人永生化表皮细胞(hacat细胞)实验图。
22.图4为条形光图案亮区作为虚拟微通道操纵酵母菌细胞实验图。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明做进一步说明。
24.如图1所示光诱导介电泳装置，包括投影装置11、光学系统12(两个正透镜和一个显微物镜)、微流控芯片13、信号发生器14、显微镜系统15、ccd图像传感器16、计算机17。其
中光学系统由两个正透镜和一个显微物镜组成，光学系统用以汇聚光强并将光图案调节到适合操纵和观测微粒运动的尺寸。投影装置发出的光图案通过光学系统12，聚焦照射到微流控芯片13上，信号发生器14向微流控芯片13输出交流信号。显微镜系统15、ccd图像传感器16，计算机17依次连接起来，可以实时观测到操纵情况。
25.如图2所示，微流控芯片包括pdms框架20、玻璃基底21、28，导电层22、27，光敏层23，保护层24。选用厚度为50μm的pet双面胶对微流控芯片13进行封装，并与信号发生器14通过导线29相连接。当投影装置11投出的光图案照射在微流控芯片13中的溶液层25时，光照区的光生载流子浓度迅速增加使得该局部区域导电性急剧提高，因此在受光区和暗区电压降不同，产生不均匀电场，进而产生光诱导虚拟电极，形成虚拟微通道，随后投影出的光图案叠加在虚拟微通道上，并沿着虚拟微通道移动，实现了对微纳物体的操纵。
26.如图3所示，投影装置投出两束条形光图案照在微流控芯片表面，此时两束条形光图案之间的暗区作为虚拟微通道，信号发生器14输出交流电压为10v
pp
，交流频率为30khz。接下来，投影装置投出另一束水平条形光图案，沿着虚拟微通道向上运动，可以观测到虚拟微通道内的hacat细胞随着此光图案向上运动，并聚集在终点，实现在虚拟微通道内的操纵。
27.如图4所示，打开投影装置，投出一束条形光图案照在微流控芯片表面，光图案的亮区作为虚拟微通道，信号发生器14输出交流电压为10v
pp
，交流频率为1mhz。接下来，投影装置投出另一束略宽于通道的椭圆形光图案，沿着虚拟微通道向上运动，此种运动可以重复，以便得到更好的操纵效果。从图4中可以观测到此束光图案在虚拟微通道内经过的路径无酵母菌细胞残留，即虚拟微通道内的酵母菌细胞随着此光图案向上运动，聚集在终点，实现在虚拟微通道内的操纵。
28.下面再对本发明方法进行详细说明。
29.实施例一：
30.(1)制备1mlhacat细胞混合溶液
31.取50mg葡萄糖粉末，加入1ml去离子水，充分混匀。葡萄糖溶液的作用是给hacat细胞供能，维持活性。将培养好的hacat细胞加入配制完成的葡萄糖溶液中，用移液枪轻轻吹打，混合均匀。
32.(2)光图案暗区作为虚拟微通道操纵hacat细胞
33.按照图1所示光诱导介电泳装置，将微流控芯片用酒精棉球轻轻擦拭一遍，再用去离子水清洗3遍，通过注射器将3.3μl hacat细胞混合溶液注入到微流控芯片中，投影装置投出两束条形光图案，通过光学系统照射在微流控芯片表面，在微流控芯片的溶液层出现两束条形光图案，用导线连接微流控芯片与信号发生器，调节信号发生器，输出交流电压和频率分别为10v
pp
和30khz。两束条形光图案之间的暗区便作为虚拟微通道，接下来，投影装置投出另一束水平条形光图案，此束光图案叠加在虚拟微通道上，并沿着虚拟微通道向上运动，通过计算机可以观测到虚拟微通道内的hacat细胞随着此光图案向上运动，并聚集在终点，如图3所示，实现虚拟微通道内的操纵。
34.实施例二：
35.(1)制备3ml酵母菌细胞混合溶液
36.在干净的离心管中加入3ml去离子水，然后放入3粒酵母菌颗粒，用移液枪混合均
匀后并用封口膜封口，放入超声清洗机中超声，温度25℃，超声2次，每次5分钟。
37.(2)光图案亮区作为虚拟微通道操纵酵母菌细胞
38.按照图1所示光诱导介电泳装置，将微流控芯片用酒精棉球轻轻擦拭一遍，再用去离子水清洗3遍，用注射器将3.3μl的酵母菌细胞混合溶液注入微流控芯片中，投影装置投出一束条形光图案，通过光学系统照射在微流控芯片表面，在微流控芯片的溶液层出现一束条形光图案，用导线连接微流控芯片与信号发生器，调节信号发生器，输出交流电压和频率分别为10v
pp
和1mhz。此束条形光图案亮区作为虚拟微通道，接下来，投影装置投出另一束略宽于通道的椭圆形光图案，此束光图案叠加在虚拟微通道上，并沿着虚拟微通道向上运动，通过计算机可以观测到虚拟微通道内的酵母菌细胞随着此光图案向上运动，并聚集在终点，如图4所示，实现虚拟微通道内的操纵。
39.上述描述的实施例并非限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种更改和等同替换，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。