【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微流控在微小物体的质量/密度测量应用领域，具体涉及一种基于气泡微马达对单颗粒/细胞质量的测量方法。
技术介绍
1、单颗粒的质量和密度对于合成微纳米颗粒产品的品质控制至关重要。细胞的质量与密度变化也与整体健康和代谢功能密切相关。尽管每天都在通过天平等手段来称量物体的质量，但对于单细胞等非常小的生物样品进行称量却非常困难。这是因为这些样品一般处于1～100μm的尺度、10pg～100ng的质量范围，不但远低于天平的称量下限，还存在于与天平不兼容的液体环境中。尽管如此，尝试建立一种在液体环境中测量单细胞质量的手段却是非常必要的，例如，基于单细胞的质量信息，可以分辨细胞的生长阶段、监测细胞的健康状况、进行细胞的药物敏感性测试等。
2、目前对于微小物体质量共振模式下的微悬臂梁传感器是目前为数不多的称量微小质量的手段。称量原理是基于悬臂总质量与悬臂共振频率的依赖关系，悬臂的质量越小，悬臂对附加质量的变化越敏感。但是，这一方法在流体环境中，尤其是液体环境，却受到极大的限制。这是因为粘性阻尼在这里起主导作用，极大降低了测量精度，限制了可检测质量的下限。共振模式下的微悬臂梁传感器称量方法与所测细胞质量之间是间接映射关系，它获得的是悬臂的质量增量，即细胞的浮力或“干质量”，并不是真质量或惯性质量；其次，加工悬臂梁传感器涉及到异常复杂的微制造过程，而且当在微流道两端施加压力梯度，形成流动对进行细胞加载时，细胞会承受过高的压强及剪切力；悬臂梁传感器需要工作于真空环境，这就要求它必然是一种封闭式的测量系统，难以与其他技术进行集成
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于气泡微马达对单颗粒/细胞质量的测量方法。本专利技术通过微气泡溃灭引入瞬时的惯性作用，基于细胞在惯性作用下的力学响应反演其质量/密度。利用高速显微成像和手柄操控可以实时控制气泡微马达运动，可迅速完成待测微小颗粒的测量，具有可操作性强、快速灵敏、分辨率高的优势。本专利技术可以提供低至亚纳克(～10-10g)量级精度的质量分辨率以及0.05g/cm3的密度分辨率。
2、为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
3、一种基于气泡微马达对单颗粒/细胞质量的测量方法，包括以下步骤：
4、步骤1：制备磁性微马达，包括：首先配制sio2胶体颗粒稀溶液，其次利用匀胶技术，将sio2胶体颗粒稀溶液在单抛光超亲水处理的硅片上进行匀胶得到单层致密分布的sio2胶体颗粒；最后，利用电子束蒸发镀膜技术或磁控溅射镀膜技术在sio2胶体颗粒表面顺序镀20nm ni层和20nm pt层，即得到结构非对称的磁性微马达；
5、步骤2：进行磁性微马达的气泡驱动，包括：将步骤1中制备的磁性微马达置于合适浓度的双氧水溶液中，通过化学反应在pt侧反应产生单个气泡，从而驱动微马达运动；
6、步骤3：观测与控制气泡驱动的磁性微马达的运动，包括：将上述气泡驱动的磁性微马达放置于配备有高速相机的显微镜下，进行运动观测，并用手柄改变磁场方向进行微马达运动方向的实时调控；
7、步骤4：基于气泡微马达对微颗粒/细胞的质量/密度进行测量，包括：在显微镜平台下进行观察气泡驱动的磁性微马达与待测的微颗粒/细胞的相对位置，通过手柄实时调控磁性磁性微马达的运动方向，使得微马达产生的气泡有效推动待测的微颗粒/细胞，并用高速相机记录待测的微颗粒/细胞在气泡推动下的位移变化；
8、步骤5：对待测的微颗粒/细胞的位移速度进行处理，包括：在显微镜平台下使用高速相机记录待测的微颗粒/细胞的运动信息，对于待测的微颗粒/细胞的运动的分析借助图像处理软件和颗粒运动分析软件进行，进而得到气泡溃灭过程待测细胞/颗粒的速度vp随时间t变化曲线；
9、步骤6：通过解析速度反演待测颗粒/细胞的密度/质量；
10、步骤7：通过拟合实验数据得到未知参数：目标微粒的弛豫时间τp和流体初始速度uf(0)；通过双参数拟合，得到目标微粒的弛豫时间τp，待测的微颗粒/细胞的密度ρp由τp＝2rp2ρp/9μ计算，惯性质量由待测的微颗粒/细胞的体积乘以密度ρp得到。
11、进一步地，所述步骤1中，所述颗粒为不同材质的微颗粒，包括聚苯乙烯，玻璃微球、tio2，颗粒的直径为5-100μm。
12、进一步地，所述步骤2中，所述合适浓度为2％-15％。
13、进一步地，所述步骤3中，通过在显微平台上架设三维亥姆霍兹线圈，提供三维空间的均匀磁场，通过手柄集成磁场指令，通过手柄对气泡驱动的磁性微马达进行操控。
14、进一步地，所述步骤4中，细胞在缓冲液环境培养，随后在测试前稀释，与低浓度双氧水溶液混合后，进行快速的实验测量。
15、进一步地，所述步骤6包括：对气泡溃灭推动的待测的微颗粒/细胞运动的阶段建立动力学方程，得到：
16、
17、其中mp，rp，vp分别为待测颗粒/细胞的惯性质量，半径，速度,μ是环境溶液的粘度，uf(t)是待测目标物周围流体的速度，随时间t变化；
18、uf(t)＝(c1e-t/τ1+c2e-t/τ2) (2)
19、其中，参数c1和c2分别为气泡溃灭阶段回拉和前推阶段流体的初速度，由测量时流体初始速度决定，uf(0)＝c1+c2，根据测量时进行参数拟合；τ1和τ2分别为回拉阶段的特征时间和前推阶段的特征时间；其中，τ1≈0.5τb,τb为气泡融合特征时间，rb为气泡的最大半径，γ为气泡的表面张力系数，ρ为溶液的密度；τ2为100-200μs；
20、τp＝2rp2ρp/9μ (3)
21、将公式(2)和公式(3)带入公式(1)，得到：
22、
23、其中，t为测量时间，c为常数，vp和τp为待测颗粒/细胞的速度和弛豫时间，其他参数定义与前文相同；
24、进一步地，所述颗粒以二氧化硅或者中空玻璃微珠为基底，在微珠的一半覆盖化学反应金属层及磁性层。
25、进一步地，所述的磁性微马达的直径为5μm～100μm，所述的金属层pt层厚度为5-20nm，磁性层ni层厚度为10-100nm。反应层也可以为mg。
26、进一步地，所述的气泡微马达的磁场调控，基于手柄实时操控磁场方向，实现气泡微马达的实时操控。
27、进一步地，所述的目标微颗粒的气泡驱动，通过调控气泡微马达的运动方向，使得气泡侧位于微马达和目标微颗粒的中间，并实现气泡对目标微颗粒的驱动。
28、进一步地，所述微颗粒的运动信息记录，基于高速相机在显微平台下记录气泡微马达驱动目标颗粒物过程中的位置信息，根据气泡溃灭特征时间和颗粒弛豫特征时间，拍摄帧率为10-45万帧/秒。
29、本专利技术的有益效果为：
30、1.本专利技术提出了一种新的单颗粒、细胞质量和密度的测量方法，代替了原有的微悬臂梁测量方式，具有设计简单，可操作性强，精准度高的特点；
本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于气泡微马达对单颗粒/细胞质量的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于气泡微马达对单颗粒/细胞质量的测量方法，其特征在于，所述步骤1中，所述颗粒为不同材质的微颗粒，包括聚苯乙烯，玻璃微球、TiO2，颗粒的直径为5-100μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于气泡微马达对单颗粒/细胞质量的测量方法，其特征在于，所述步骤2中，所述合适浓度为2％-15％。
4.根据权利要求1所述的一种基于气泡微马达对单颗粒/细胞质量的测量方法，其特征在于，所述步骤3中，通过在显微平台上架设三维亥姆霍兹线圈，提供三维空间的均匀磁场，通过手柄集成磁场指令，通过手柄对气泡驱动的磁性微马达进行操控。
5.根据权利要求1所述的一种基于气泡微马达对单颗粒/细胞质量的测量方法，其特征在于，所述步骤4中，细胞在缓冲液环境培养，随后在测试前稀释，与低浓度双氧水溶液混合后，进行快速的实验测量。
6.根据权利要求1所述的一种基于气泡微马达对单颗粒/细胞质量的测量方法，其特征在于，所述步骤6包括：对气泡溃灭推动的待测的微颗
...【技术特征摘要】
1.一种基于气泡微马达对单颗粒/细胞质量的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于气泡微马达对单颗粒/细胞质量的测量方法，其特征在于，所述步骤1中，所述颗粒为不同材质的微颗粒，包括聚苯乙烯，玻璃微球、tio2，颗粒的直径为5-100μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于气泡微马达对单颗粒/细胞质量的测量方法，其特征在于，所述步骤2中，所述合适浓度为2％-15％。
4.根据权利要求1所述的一种基于气泡微马达对单颗粒/细胞质量的测量方法，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：王雷磊，崔海航，郑旭，陈力，盛敏佳，黄明华，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。