基于纳米级微操的单细胞亚纳米级运动控制系统

摘要

本发明公开了一种基于纳米级微操的单细胞亚纳米级运动控制系统。微操平台固定在显微镜的载物台上，第一转接板固定在微操平台上，单轴亚纳米定位系统固定在第一转接板的表面，第二转接板上端连接到单轴亚纳米定位系统侧面，下端固定探针夹持器夹具，前端装有探针的探针夹持器卡在探针夹持器夹具的弹簧卡槽内，探针夹持器前端的探针根据设计需要进行开口处理，通过探针夹持器后端提供正压或负压对吸取或释放探针尖端附近细胞。本发明三轴精度可达~7nm，控制范围~20mm，控制过程对活体细胞损伤小；运动控制精密，闭环精度达到0.05纳米；由于微操平台三维尺寸小，节省载物台空间，易于整合到其他复杂实验系统。

说明书

技术领域

本发明涉及单细胞运动控制系统，尤其是涉及一种基于纳米级微操的单细胞亚纳米级运动控制系统。

背景技术

工程学与生物医学相结合可以解决很多传统生物学方法无法解决的问题，将工程领域研究问题的方法应用到生物学的研究当中是工程学与生物医学相结合的重要途径。随着近年来生物物理方法的发展，其中很多新颖、高效的方法已经渐渐成为了生物医学研究的重要工具。这些新兴的系统市场上往往没有集成的产品，而是用户根据需要将成型的子模块巧妙地整合到新系统中。

细胞运动的控制是很多生物力学领域研究方法的基础，完整的细胞运动的精密控制子系统却鲜有提及。由于细胞尺寸小，其运动控制要求精度高、响应快。目前市场上很少有成型的单细胞运动控制系统，尤其是作为子模块，可以简单、方便地整合进新系统的单细胞运动控制系统更加少见。

实现细胞运动的控制首先要抓取单个细胞并将其固定在探针尖端。目前应用较多的方法主要是用水压／气压系统形成负压产生吸力，将单细胞吸附在毛细微吸管尖端。细胞运动控制方面，细胞的小尺寸往往需要高倍物镜进行观察，而高倍物镜的视野范围通常很小，因而需要对细胞实现极为精确的纳米甚至亚纳米级别的操纵。很多基于显微镜的单细胞水平的实验都需要对单细胞显微操作，如显微注射、膜片钳等，很多基于动力学的研究方法更是需要操作细胞的往复运动，如生物膜力学探针（BFP）实验。因此，需要一种易于与其他实验整合的单细胞运动控制系统。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于纳米级微操的单细胞亚纳米级运动控制系统。通过在探针夹持器末端提供正／负压力，实现对细胞的释放／抓取。用纳米级微操平台对单细胞进行精确的三维控制，并用单轴亚纳米定位系统实现对细胞单轴运动的超精密控制。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

本发明包括微操平台，第一转接板，单轴亚纳米定位系统，第二转接板，探针夹持器夹具，探针夹持器和探针；微操平台固定在显微镜的载物台上，第一转接板通过螺孔固定在微操平台上，单轴亚纳米定位系统背面固定在第一转接板的表面，第二转接板上端连接到单轴亚纳米定位系统侧面，探针夹持器夹具固定在第二转接板下端螺孔内，探针夹持器卡在探针夹持器夹具的弹簧卡槽内，装在探针夹持器前端的探针根据设计需要进行开口处理，并通过探针夹持器后端提供正压或负压对释放或吸取探针尖端附近的细胞。

所述微操平台型号为为Sensapex三维微操平台。

所述单轴亚纳米定位系统型号为PhysikInstrument公司产品P-753.1CD，行程12微米，闭环精度0.05纳米。

所述第二转接板下端设有均匀分布的螺纹孔，满足探针所需不同高度。

所述探针夹持器夹具型号为Narishige公司产品HIK-3探针夹持器夹具。

所述探针夹持器型号为为Narishige公司产品HI-7探针夹持器。

本发明具有的有益效果是：

本发明主要针对生命科学领域中单细胞精密运动控制问题，提供了一种基于纳米级微操的亚纳米级单细胞运动控制系统。通过向探针夹持器末端提供正／负压力实现对探针尖端附近细胞的释放／吸取；用纳米级微操平台对单细胞进行精确的三维控制，并用单轴亚纳米定位系统实现对细胞单轴运动的超精密控制，兼具以下优势：

1）单细胞操作简便，空间控制精度高且范围广（X，Y，Z三轴精度可达~7nm，控制范围~20mm），控制过程对活体细胞损伤小；

2）运动控制精密，闭环精度达到0.05纳米。

3）第二转接板下端均匀布孔，方便调整探针高度，使该系统的适应性更强。

4）由于Sensapex微操平台三维尺寸小，节省载物台空间，易于整合到其他复杂实验系统。

附图说明

图1是本发明系统原理图。

图2是本发明第一转接板的结构图。

图3是本发明第二转接板的结构图。

图中：1、微操平台，2、第一转接板，3、单轴亚纳米定位系统，4、第二转接板，5、探针夹持器夹具，6、探针夹持器，7、探针。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图3所示，本发明包括微操平台1，第一转接板2，单轴亚纳米定位系统3，第二转接板4，探针夹持器夹具5，探针夹持器6和探针7。

微操平台1固定在显微镜的载物台上，第一转接板2通过螺孔固定在微操平台1上，单轴亚纳米定位系统3背面固定在第一转接板2的表面，第二转接板4上端连接到单轴亚纳米定位系统3侧面，探针夹持器夹具5固定在第二转接板4下端螺孔内，探针夹持器6卡在探针夹持器夹具5的弹簧卡槽内，装在探针夹持器6前端的探针7根据设计需要进行开口处理，并通过探针夹持器6后端提供正压或负压对释放或吸取探针7尖端附近的细胞。

所述微操平台1型号为为Sensapex三维微操平台。

所述单轴亚纳米定位系统3型号为PhysikInstrument(PI)公司产品P-753.1CD，行程12微米，闭环精度0.05纳米。其控制器为PhysikInstrument（PI）公司E753.1CD控制器，通过PI公司提供的控制软件PI-MICROMOVE进行控制，并可以根据用户需要，用不同编程语言编写程序整合进其他系统中。

所述第二转接板4下端设有均匀分布的螺纹孔，满足探针所需不同水平高度。

所述探针夹持器夹具5型号为Narishige公司产品HIK-3探针夹持器夹具。

所述探针夹持器6型号为为Narishige公司产品HI-7探针夹持器。

本发明的工作原理如下：

首先根据所需要的细胞运动轨迹编写单轴亚纳米定位系统3的控制程序。探针7根据用户需要口径进行开口处理，放入探针夹持器6中，在探针夹持器6末端连通水压／气压控制系统，通过正／负压力的控制实现对探针7尖端附近细胞的释放／吸取；将探针夹持器6放入探针夹持器夹具7的弹簧卡槽中；调整显微镜准焦螺旋，使目标细胞清晰地出现在视野中；微操平台1固定在显微镜载物台的合适位置，通过手柄或程序控制，移动微操平台1，使探针7尖端清晰地出现在视野中央；继续移动微操平台1使探针7尖端接近目标细胞；向探针夹持器6末端提供合适负压，吸取目标细胞；启动程序，控制单轴亚纳米定位系统3，即可使所吸取的细胞按照所需轨迹运动；运动结束后向探针夹持器6末端提供正压，将所吸细胞释放，之后可以另外吸取细胞反复实验。