[发明专利]机器人微纳混合生物活体细胞实时检测、操纵及诊断技术与系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种机器人微纳混合生物活体细胞实时检测、操纵及诊断技术与系统，其潜在应用包括几乎所有科技领域：生物科学、医学、材料制造、电子学、计算机科学、环境科学、能源科学、航天航空以及农业科学等。

技术背景

在本世纪，微纳米技术将在科技社会与经济发展中处于主导地位，疾病防治、食品安全、环境保护、新型能源、高性能材料、器件与系统将依赖于微纳米技术的发展。目前机器人微米或纳米操作是用各种不同的力进行微米或纳米操作而实现针对原子、分子和其它纳米物体的操纵，探索微米或纳米尺度现象，构建原型微纳米器件。应用领域包括生物技术(如研究细胞、DNA、核糖体和蛋白质等)、微纳米制造和材料表征等。

1982年，G.Binning和H.Rohner在IBM发明了扫描隧道显微镜(STM)，四年后，Binning，C.F.Quate和C.Gerber发明了原子力显微镜(AFM)。以STM和AFM为基础，衍生出了多种类型的扫描探针显微镜(SPM)。扫描探针显微镜(SPM)标志着对微纳领域的探索开辟了新纪元，1990年DonEigler第一次用SPM操纵氙原子写出“IBM”的标志，之后科学家开始广泛将SPM应用于微纳领域的研究，2004年Hoshi等首次尝试了用AFM观察液体环境中的染色体，实现了对染色体体积的测量及染色体显带、染色体高级结构和畸变的研究。随着微纳操纵技术的发展，在很多应用中由于SPM固有的物理结构使其不适合三维操作，并且，其操作与成像不能同时完成。随后又出现了机械钳/机械手，实现微纳三维操作，其中KNT制造的机械钳其分辨率可达1nm。利用SPM或机械钳/机械手实现的微纳操纵都属于机械微纳操纵，难免对被操作物体有损伤，而且对于机械操纵而言“粗手指”和“放不下”一直是尚未解决的两大问题。1986年美国贝尔实验室科学家Arthur Ashkin首次将光镊这种激光技术用于生命科学的研究，这有利于非接触无损操作及显微活体的研究。目前，人们开发了光镊对细胞、细胞器及染色体进行捕获、分选、操纵、弯曲细胞骨架、克服分子马达力引起的细菌旋转动力、测定马达蛋白作用力、及对膜体系进行定量研究。此外，光镊技术还可应用于微小颗粒的捕获、排列和显微制造等领域。

然而，当前制约微纳米技术广泛应用的重要因素之一是缺少通用微纳操纵制造的技术与工具。在本系统中，充分融合了扫描探针与光镊捕获系统的优势，弥补了机械微纳操纵系统的不足，并实现了目前微纳操纵中较难实现的被操作对象的实时检测、悬浮扫描以及无损操作等应用，可将其推广到其他应用领域(生物、医学、电子、材料等)。

参考文献

1.G.Binning，C.F.Quate and C.Gerber，“Atomic force microscope”，Physical Review Letters，Vol.56，No.9，pp.930-933，1986.

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4.A.Ashkin and J.M.Dziedzic，“Observation of a single-beam gradient forceoptical trap for dielectric particles”，Optics Letters，Vol.11，No.5，pp.288-290，1986.

5.H.Zhang and K.K.Liu，“Optical tweezers for single cells”.Journal of the Royal Society Interface，Vol.5，pp.671-690，2008.

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7.王燕华、张德添，“原子力显微镜及其在生命科学领域应用”，新技术应用，Vol.5，pp.31-32，2010.