微喷射三维调节装置设计

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1、1绪论本论文设计的微喷射三维调节装置用与南京理工大学微系统研究室原创的物质数字化基础研究和应用研究。“物质数字化是指物质以液体态或以流体为载体进行数字化传输，并在微传输的某些环节中进行数字化转化。”1.1微注射以细胞内微注射和微灌注技术为基础的玻璃针头(GlassNeedle)（精细的玻璃微量毛细移液管）的使用，已经在越来越多的实验生物学研究领域中成为一项非常普遍的操作方法，比如在体外受精、转基因中等等。这些技术最恰当的话应当称其为显微外科操作，因为这些操作是通过单个的或多个的筒状玻璃微量移液管、精确的定位装置（显微操纵器）以及微量注射器或微量灌注器来在单

2、个的细胞上进行的。这些操作中所使用的微量移液管是用一毛细管拉针器(pipettepuller)来制作的，先将玻璃毛细管加热到其熔化的温度，再将其拉制成所需的合适大小的直径和锥形，微量移液管小头的直径（小至0.2微米）与纤维操纵器的高精度相关，它可以用于精准的移液。这种精确度可以为各种类型和任意大小的细胞提供亚皮克升级或0.1微米(micron)范围内的精确的、重复性良好的细胞内和细胞旁注射。通过运用直接的水压（压力注射）或者不通过使用水流，而通过施加一电场来使带电离子运动（离子电渗法），都可以获得将微量移液管中的物质挤喷出去的效果。微注射应用的范围非常广泛

3、，从辅助（体外）细胞受精技术至分子和细胞基本组分的转运都需使用这一技术，比较典型的是将某些物质注射进细胞中以操作和/或监测某种特定的存活细胞中的基本机体生物化学状态。这些可以注射进细胞的物质包括有：各种细胞器、激酶、组织化学标志物（比如辣根过氧化物酶或者荧光黄）、蛋白质、代谢物质、微磁头、离子、抗体、基因、分子生物学的mRNA和DNA，等等。运用这一技术，也可以实现用于单个细胞或一组细胞的较少量（皮升至毫升）药剂或药物的精确输送（微灌注），例如药理学的药物检验。为了使科研人员能够顺利进行上述的实验并得到有意义的结果，这些实验中所使用的器具（设备）不仅应当有

4、特殊的功能，还应当同时有很高的、过硬的质量，能够提供确保结果正确所需的可靠性、精确性以及可重复性。1.2微注射装置用于定量直接加压微注射的必备装置有一台光学显微镜，一台显微操作仪，微米注射器，拉针仪，防震装置等。由于其进行的是精细操作，所以定量直接细胞注射系统还包括安静无尘的环境，适宜温度下培养细胞的方法，细胞养箱以及起“闸控”小于的装置。更精细的系统还包括高质量视觉，多用、稳定良好的显微操作仪，照相和录音机、监视器，数字图象加工和图象检出仪。1.3微注射方法现有的微注射方法可分为定量和半定量方法，定量直接加压显微注射方法两大类。1.3.1定量和半定量方法

5、定量微注射方法有包被针尖法、被动注射和直接压强法。在包被针尖方法中，将针尖（密封针）浸到即将导入到细胞的物质溶液中。微注射针刺入细胞，样品在细胞质中溶解。这种方法既快又简单，但对实际上导入细胞中样品的量难以控制。在被动注射方法中，针中充满注射溶液。将针刺入细胞质中，样品被动地流入细胞中。这种方法避免了包被针尖方法所遇到的许多问题，包括由于针尖干燥使样品变性问题。另一优点是导入到细胞中的物质浓度是已知的，但控制注射的量极为困难。这是由于时间、位置以及导入样品进入细胞的速度无法精确控制。直接压强法微注射方法应用最广泛。它对大量的特异分如细胞骨架蛋白质是很有效的

6、。这种方法有两种不同方式，一是使用恒定的溶液引流，二是使用脉冲引流。恒定流动显微注射方法需要相当量的样品，对十分宝贵的样品是不合适的。脉冲流动注射方法可能是当前最为广泛使用的方法。该方法是用抗压的管将持针器与压强控制装置相连接在一起，这能精确控制排出气体量以及控制喷射压强的时机和时间。需测定针的平衡压强，防止样品从针内流出或倒流。现在，用于该种微注射方法的压强控制装置（微注射器）已经可以在市面上买到。现有的此种压强控制装置分手动和自动两种。如Eppendorf研制的自动微注射器。这种设备接在一个压缩空气瓶上，为针头提供压强。另外，它还通过塑料管连到针头的托

7、棒上。通过调整相应的阀门可获得低、中、高三种不同的输出压强：低压在针头内形成一种持续的压强（维持压），用来防止吸入培养基；中压为微注射提供压强（注射压）；高压用遇毛细管和清洗。1.3.1定量直接加压显微注射方法定量直接加压显微注射目的是特定时间和位置，依靠压强直接将一精确体积的已知浓度的物质，精确地导入到细胞中。通过“谨慎”地操作，可以通过滴定确定细胞对特定物质成分的反应。空气-水银和液压返回方法是最广泛使用于导入已知体积的方法（如皮升或更小）。1.3.2微流体数字化微注射方法南京理工大学微系统研究室研制中的数字化细胞微注射仪有四个特点，“一是注射数字化脉

8、冲流动，注液工序实现自动化且液量分辨率达飞升级；二是注射针在刺入、