[实用新型]一种多物理量的集成化微型实验装置

说明书

本实用新型涉及一种用于生物学及微/纳米器件研究的一种多物理量的集成化微型实验装置。

正如大多数领域内学者们所逐渐认同的那样，二十一世纪是生物学世纪，如今很难找到一门完全独立于生命科学的学科，对生命科学的涉足和探索已经成为各门学科取得重大进展的关键契机之一，由此应运出现了许多新兴领域如生物电学、磁学、声学、光学及热学等以及这些学科的交叉学科如生物电磁学、生物光热学等。其宗旨可概括为揭示各类物理因素(主要如电、磁、声、光、热等)对生命系统在各种宏、微尺度水平上的影响规律，并将有关成果充分地应用于医学生物学实践，从而造福人类。而这些探索活动中最重要的一个步骤是营建合适的实验环境。比如研究电的生物学效应时，要建立方便可调的电场环境；而研究磁学效应时，则要有相应的磁环境；而考察生物热效应，则需建立相应的冷热环境，等等。所以，获得相应物理环境是研究各物理因子的生物效应的首要步骤。然而，我们注意到，以往此类装置大多仅具备单一功能，即要么提供电场特性，要么仅具备热场效应，而且设备往往趋于庞大，价格昂贵，操作复杂。目前在市场上尚无同时兼具多物理量的集成化微型实验装置。

近二三十年来自然科学与工程技术发展的一个重要趋势是朝微型化迈进，具体体现为微/纳米科学的相继诞生，由此产生了一系列重要器件如各式各样的微电子机械系统、纳米器件等。微器件以其价格低廉和性能卓越而对世人产生了不可阻挡的诱惑力。各类微系统的尺寸正被超乎寻常地降低而同时它们却保持了与原有大系统相同甚至更好的性能。实际上，建立尽可能紧凑的系统多年来一直是工程实践的主旋律，人们为此作出的努力可以用全球化的技术创新来衡量。为能制造出充分复杂而精细的系统，无数的时间和经费被投入此项技术的研究。如过去司空见惯的庞大光学实验系统目前已可作成相当紧凑的集成化微光路系统，其完成的功能可与大系统相匹敌，而价格则相当便宜，且操作十分简便。此外，也有其它一些微系统相继问世，如微能源系统、微型传感器等等。

物理因子对生物样品或微/纳米器件会产生重要的影响。以下先从热效应的角度并以生物样品为对象阐述建立实验环境的重要性。我们知道，生物热医学技术均涉及大量的热效应问题，从本质上讲，温度对生命系统的影响同时体现在纳米(分子)及微米(细胞)尺度，而这种影响又反映到组织的宏观尺度上。热科学在生物医学工程上的角色归纳为：研究生命系统内的细观和微观传热问题，揭示各种热物理因素对生命系统在微尺度水平上的影响规律，并将有关成果充分地应用于临床实践。其研究必将对理解生命的设计、生物对各种冷热环境的响应、各种工业产品热安全标准的建立、发展极端温度下的热保护装置及大量的临床热应用产生重要的影响。可以认为，在众多的物理因素(如电、磁、声、光、热等)中，温度显著地影响着微尺度水平上的生命行为，自然界的长期演化使得各种生物均有其最适宜生存的温度范围，一旦环境温度发生改变，则往往会带来一系列后果。正常的哺乳动物只能在一个十分狭窄的温度范围内生存。然而在地球表面的大气温度、海水冻结温度及沸腾温度之间，如南极地带及海底火山口均存在有生命，这说明温度与生命的关系是多样化的。因而研究温度的生物学作用规律具有重要意义，如：微尺度热医学工程的首要任务就在于充分揭示温度对细胞生命活动的作用规律。细胞是最小的生命组成单元，一个细胞即是一个有机体，其外部由脂双层膜组成，内部则含有细胞内溶液——细胞质，细胞质内又分为若干个细胞器。许多细胞如血液细胞、造血干细胞、生殖细胞受冷、热因素影响的研究具有重要意义。因而通过合适的温控技术，开展相关的生物热学实验具有重要意义。总之，细胞尺度范围内的传热传质研究一直是诸多领域关注的重要课题，也已取得一定进展，但与其工程应用相比，基础研究远远落后于临床实践，就各种物理因子引起的生物学的一系列物理、化学行为进行研究，具有重要意义，但迄今对此机制的认识仍严重匮乏，原因一方面是工程手段的介入远远不够，同时又缺乏完备的科学实验装置，也在于缺乏对微小生物样品状态的准确控制，限制了进一步拓展的空间。可以预见，结合微米/纳米热科学的研究手段揭示生命现象必将是一个激动人心的领域。本多物理量的集成化微型实验装置有助于全面考察各物理因子的生物学效应及微/纳米器件的工作特性，因为微小器件极其敏感于外界场的改变。对微实验环境的建立具有重要的意义。

以上以热对生物学作用机制为例阐述了建立微环境实验室的重要性，显然，其它物理因子如电、磁、声、光等也都会产生形形色色的生物学效应，因内容较多，在此不一而足，但从上面对生物热效应的阐述可见，建立具备这些物理场效应的实验装置必然会大大有助于微尺度生物学、微/纳米器件研究的开展。