Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Квантовая электроника

Диссертационная работа:

Марковкина Наталья Николаевна. Лазерное формирование микропипеток : Дис. ... канд. техн. наук : 05.27.03 : СПб., 2005 133 c. РГБ ОД, 61:05-5/3414

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 4

Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи исследования 15

1.1 Основные области применения микропипеток 15
1.1.1 Биотехнологии 15

  1. Микроскопия 17

  2. Микроэлектроника 22

  1. Требования к микропипеткам 25

  2. Техника изготовления микропипеток 27

1.3.1 Методы и устройства вытяжки МП 28

1.3.2 Лазерная технология изготовления микропипеток 35

1.4 Выводы 37
Глава 2. Разработка экспериментальной установки и технологии с лазерным 40
нагревом для вытяжки МП.

2.1 Лазерно-технологический комплекс для формирования МП. 41

2.1.1 .Выбор энергетического источника. 42

2.1.2. Разработка оптических систем для формирования 47

МП.

2.1.3.Анализ возможностей механических систем вытяжки. 60

  1. Выбор материала для формирования МП. 68

  2. Выводы 74 Глава 3. Экспериментальное и теоретическое исследование процесса формооб- 75 разования МП.

3.1 .Экспериментальное исследование процесса формообразования. 75

  1. Методика эксперимента 75

  2. Результаты эксперимента. 79 3.2.Теоретическое исследование процесса формообразования МП. 87

  1. Анализ процесса лазерного нагревания МП 88

  2. Математическая модель процесса вытяжки. 92 3.3. Выводы. 96

Глава 4. Оптимизация технологии формирования МП и демонстрация 99 практических приложений.

4.1 Требования к современной экспериментальной установке для 99 формирования МП

4.2 Модифицированная установка для вытяжки МП 100

  1. Оптимизация оптической схемы 101

  2. Энергетический расчет оптической схемы с гомогенизатором 106

  3. Оптимизация механической системы 110

  1. Оптимизация процесса формирования МП 112

  2. Основные модификации МП и методы их формирования 115

  3. Практические применения МП 117

  1. Световодовод 117

  2. Офтальмология 122 Заключение 125

Список литературы 127

Приложение. Акт внедрения. 133

Введение к работе:

Актуальность

В настоящее время исследовательские и производственные микро- и нанотехнологии в самых разнообразных областях современной жизни -от фотоники и микроэлектроники до медицины и генной инженерии- стимулируют разработку компактного и высокоточного инструментария. Для проведения исследований на уровне молекул и клеток необходим инструмент, выполняющий функции универсальной микроиглы - трубочки, позволяющий проводить операции с зонами воздействия микронных и субмикронных размеров [1-5].

Необходимость в создании такого инструмента была вызвана интенсивными исследованиями в области клеточной физиологии, в частности нейрофизиологии, в 40-х годах XX века [6-15]. Серьезным препятствием в исследованиях того времени являлось несовершенство техники изготовления различных модификаций микроинструментов.

Микроинструменты, открывшие новые перспективы решения трудновыполнимых задач науки, в том числе и особенно биомедицины и биотехнологий, стали называться микропипетками (МП), а техника для их изготовления - микропипеточными пуллерами [16].

Создание МП техники - пуллеров, было спровоцировано стремлением к повышению качества формируемых микроинструментов.

5 Первые МП были изготовлены вручную: посредством кислородной горелки

и ручной вытяжки [17]. Полученные таким образом микропипетки могли быть использованы лишь для решения ограниченного класса задач, а для формирования микроинструментов, предназначенных для более деликатных применений, таких например, как нейрофизиология, требовались более контролируемые способы. Переход от ручного метода к МП-пуллерам позволил добиться управления процессом формирования, обеспечивая при этом надежные МП с разумно тонкими стенками, более короткой длиной наконечника и значением апертуры наконечника менее 1 мкм [16,18-23]. Такая конфигурация МП наиболее благоприятна для вне- и внутриклеточных исследований, облегчая проникновение и инъекцию в клетки и ткани. В результате внедрения пуллеров была открыта перспектива формирования МП с разнообразными конфигурациями. МП стали доступными инструментами для измерения мембранных потенциалов клеток, для доставки веществ к труднодоступным зонам воздействия, для идентификации клеток различных тканей. Эволюция МП техники привела к появлению новых типов МП -автоматических высокоточных микропипеток с цифровой индикацией объема. Для этих целей требуются МП с апертурой наконечника от десятков нанометров до нескольких миллиметров.

Как видно из приведенного выше краткого обзора некоторых результатов, достигнутых с помощью техники микропипеток,можно выделить два основных вида таких инструментов - собственно микропипетки (МП) для передачи биологических (или иных) субстратов, и микроэлектроды,

т.е. микропипетки с вставленными в трубочку металлическими проволочками для приложения электрического потенциала к исследуемому объекту.

В настоящее время МП находят широкое применение в качестве биосенсоров, микроигл, насадок растров МП головок, ближнепольных зондов, световодоводов. В методе клонирования МП позволяют извлекать ядра из клетки донора и трансплантировать в обезъядренную клетку [1]. МП, наполненные электролитом, осуществляют регистрацию электрической активности клетки [4], а также микроскопическое исследование живых клеток, основанное на сканировании поверхности образца [5]. В сканирующем нанолитографическом методе доставка жидкого фоторезиста на подложку происходит через нанометровую апертуру наконечника МП [2]. В ряде новых аналитических методов в различных сферах человеческой деятельности МП осуществляют точное дозирование, транспортировку и идентификацию проб объемом от пкл до мкл [23-25].

Универсальность МП основана отчасти на использовании в качестве исходного материала стекла, удовлетворяющего требованиям большинства приложений, а отчасти на возможности создания различных конфигураций МП, приспособленных к многообразным областям применениям [26-32].

Для формирования разновидностей МП существуют два основных технологических метода, адаптированные под разные типо-размеры микроинструментов: оплавление и вытяжка. Для получения МП с коротким

7 конусным концом или приталенной МП, предназначенных для отсоса

продуктов хирургических операций, применяется метод оплавления. Суть

метода заключается в действии центробежных сил одновременно с

интенсивным нагревом стеклянного капилляра. Тепловому воздействию

подвергается участок заготовки в зависимости от назначения МП: либо торец

стеклянного капилляра, либо участок на некотором расстоянии от торца [33].

Формирование МП с удлиненной формой наконечника,

предназначенной для безболезненного проникновения в клетки и ткани, осуществляется с помощью метода вытяжки. Этот метод основан на действии мощного теплового источника на капиллярную заготовку с последующим приложением растягивающей силы [33-35].

Традиционным методом изготовления МП является вытяжка стеклянного капилляра при локальном нагреве источником тепла. На этом основан принцип работы пуллера - устройства для вытяжки МП [36-39].

История установок для вытяжки МП начинается с устройства Дю Бойса, разработанного на основе изучения процесса ручной вытяжки [18]. Главными требованиями к создаваемому устройству были подходящая температура стекла в момент формирования наконечника и относительно большая скорость вытяжки. Данные требования были выполнены с помощью платиновой нити накаливания для нагрева узкой зоны стеклянного капилляра, и крепежно-вытяжного механизма, включающего пружину. Степень нагрева платиновой нитью участка стеклянного капилляра

8 регулировалась с помощью тока через нить, а расстояние от стекла до нити

сохранялось постоянным. Крепежно-вытяжной механизм обеспечил необходимое натяжение капилляра в процессе вытяжки, параллельность трубки базе устройства и регулировку высоты над базой в момент охлаждения, во избежание деформации сформированной МП. Вытяжка начиналась автоматически с момента достижения температуры, при которой происходит уменьшение вязкости стекла. Конструкция Дю Бойса решила главные проблемы ручной вытяжки и стала прототипом других конструкций.

Пуллер Ливингстона являлся модификацией конструкции Дю Бойса [19]. В этой установке вытяжка МП осуществлялась с помощью пружины, вращающей в противоположных направлениях пару колес с зажимами для капилляра. Скорость вращения определялась напряжением пружины. При вращении колес капилляр опускался в область нагрева нитью накаливания, стекло разогревалось до температуры размягчения, и образовывалась МП. Главными недостатками этого устройства были тенденция к изгибу и излишняя длина наконечника МП.

В установке Александра-Настука пружина заменяется соленоидом [20]. Зажимы располагаются с одной стороны капилляра в двух точках с некоторым интервалом, на котором осуществляется нагрев платиновой нитью накаливания. Требуемый поток через сформированную в петлю полосу платины контролируется выключателем. В результате односторонней

9 вытяжки из одного капилляра сформированы наконечники с различными

длинами, не удовлетворяющими многим применениям.

Особой модификацией пуллеров является вертикальная установка, устраняющая проблемы формирования МП в горизонтальных пуллерах связанные с влиянием силы тяжести [22]. В вертикальном пуллере тяготение стало важным положительным фактором вытяжки,позволишим избежать изгиба МП и сократить длину получаемых наконечников.

До настоящего момента было предложено достаточное количество конструкций установок. Однако, несмотря на определенные успехи в совершенствовании МП-пуллеров оставались нерешенными вопросы, связанные с формированием высокоточных, химически чистых МП различных модификаций, предназначенных и доступных для разнообразных приложений.

Основными недостатками ранее существующих методов являлись низкая производительность и сложность контроля. В связи со значительным расширением сферы использования, повышением требований к точности производимых работ, а также быстрым износом МП, появилась потребность в существенной оптимизации технологии изготовления МП. В настоящее время эти задачи решаются с помощью современной технологии формирования МП с использованием лазерного нагрева [33,40].

10
С 1950г. изготовлением технологических установок для

формирования МП - пуллеров-, занимается компания "Sutter Instrument Со",

которая вышла в мировые лидеры и к концу 90-х годов перешла на лазерные

источники нагрева [40]. Предложенная технология вытяжки в пуллерах этой

фирмы является несовершенной, так как лазер установлен напрямую в той

же схеме, где ранее в качестве теплового источника нагрева применялась

платиновая нить накаливания. Простейшая оптическая схема пуллера с

односторонним нагревом приводит к заметному браку, а иногда и просто к

растрескиванию заготовки, особенно у пипеток малого диаметра из-за

склонности к изгибу конца МП. К недостаткам данного устройства можно

отнести ограничение при работе с внешним диаметром капилляров,

предназначенных для формирования МП: для формирвоания МП из

капилляров различных диаметров используются модели пуллеров P-2000/G и

P-2000/F. Стоимость каждой модели пуллера составляет 12 250 $.

Представленные модели пуллеров предназначены для формирования МП

методом вытяжки.

Таким образом, оптимизация лазерной технологии и разработка

прототипа отечественной лазерной установки, обеспечивающей создание

коммерчески доступных МП различных конфигураций и размеров, и поныне

является актуальной задачей формирования МП.

Цель и задачи работы

Цель работы: исследование, разработка и оптимизация лазерной технологии формирования МП.

Достижение указанной цели потребовало решения следующих основных задач:

  1. Создание установки для вытяжки микропипеток с лазерным нагревом;

  2. Исследование процесса, разработка и оптимизация технологии лазерной вытяжки микропипеток;

3. Изучение параметров полученных микропипеток и демонстрация их
практических применений.

Для решения поставленных задач были разработаны и выбраны следующие методы исследования:

1.Проведен анализ основных литературных данных по методам изготовления и применению микропипеток.

2.Проведено экспериментальное исследование процесса лазерной вытяжки микропипеток, в том числе с применением видеосъемки.

3.Предложена математическая модель процесса формирования микропипеток на основе модели Ньютона.

4. Использованы методы оптической и электронной микроскопии для
оценки качества полученных микропипеток.

12 Личный вклад автора

Все представленные экспериментальные исследования и теоретические

расчеты проведены при личном участии автора.

Научная новизна диссертации

Впервые решена математическая задача о вытяжке МП, позволяющая в полной постановке, учитывающей изменение вязкости с температурой и температуры во времени, проводить анализ влияния различных факторов на параметры получаемых МП.

Впервые изучена кинетика процесса лазерного формообразования МП методом вытяжки с использованием микровидеосъемки.

Впервые предложены и разработаны схемные решения в оптике для лазерной вытяжки на базе торического зеркала и гомогенизирующей камеры, позволяющие значительно улучшить качество МП, управляемость и воспроизводимость процесса вытяжки.

Научные положения, выносимые на защиту

  1. Основными параметрами, определяющими качество МП и их форму, являются равномерность зоны лазерного воздействия и ее размеры.

  2. Равномерность зоны лазерного воздействия может быть обеспечена либо за счет зеркальной оптики при соблюдении условия

13 перпендикулярности пучка и оси заготовки (торическое зеркало), либо за

счет гомогенизатора.

3. При реализации численной модели лазерной вытяжки МП, предназначенной для быстрых оценок параметров процесса, достаточно учесть деформацию капилляра только в самой горячей зоне облучения.

Практическая ценность работы

Выявлены оптимальные режимы и технология формирования МП стандартных конфигураций.

Продемонстрированы наиболее современные и перспективные приложения МП

Изготовлены различные модификации МП, прошедшие экспериментальную проверку в качестве аппликаторов при глазных операциях в НИИ «Микрохирургии глаза», ближнепольных оптических зондов в ВНЦ ГОИ им. Вавилова.

Реализация на практике

Изготовленные образцы МП были опробованы в качестве: -ближнепольных оптических зондов -световодоводов -офтальмологических аппликаторов

14 Апробация работы

Результаты проведенных в работе исследований докладывались: на
международных конференциях NATO-ASI (Крит, Греция, 2003), ILATA-III
(Санкт-Петербург, Россия, 2003), ILAA-2000 (Санкт-Петербург, Россия,
2000), на Международной школе по оптическим микро-и нанотехнологиям
OMAN (Санкт-Петербург, Россия, 2002); на конференциях ППС

СПбГУИТМО, «Современные направления приборостроения,

информационных и гуманитарных наук» (Санкт-Петербург, СПбГУИТМО, 2004).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 6 статей, опубликованных в научно-технических журналах и сборниках трудов.

Подобные работы
Петров Андрей Анатольевич
Лазерное формирование микролинз на базе оптических волокон
Зыонг Ван Зунг Зыонг Ти Зунг
Исследование лазерного формирования комбинированных нанозондов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net