專利名稱：染色體微切割設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及先進制造領域，具體為采用電氣機械方法進行染色體切割、分離的微切割設備及工藝技術。
目前用于染色體微切割的方法有兩種一是機械方法。它主要是利用安裝在倒置顯微鏡上的玻璃針，通過液壓傳導裝置或電動裝置進行微切割分離，如埃噴道夫(Eppendorf NK-2)裝置。但因該裝置的倒置顯微鏡只能使用低倍(20X、40X)干燥物鏡，所以其切割精度僅在1μm以上，不能滿足染色體重組工程對其分離技術的要求，限制了該項方法的發(fā)展。另一種是激光方法。它主要使用激光顯微鏡切割裝置，如美國瑪麗蒂安(Meridian)公司生產(chǎn)的激光共聚焦掃描顯微鏡ACAS 470，切割的精度可達到0.5～1μm，但除該切割裝置價錢昂貴(約70萬人民幣)外，該切割方法也存在著不足即該切割裝置是利用激光束燒掉不需要的染色體部分，而留下所需的染色體部分，來實現(xiàn)“切割”的，因此切割的質(zhì)量會受到一定的影響，如沒有燒掉或燒盡的脫氧核糖核酸(DNA)容易造成產(chǎn)品污染，并且該方法工序十分繁雜，工藝技術難度也大。此外，有的學者在此領域進行了其他方法的研究，例如采用伺服電機-絲杠驅(qū)動的微操作機器人來進行細胞操作的方法(參見文獻“黃亞樓，盧桂章。微機器人和精微操作的研究與發(fā)展。機器人。1992，14(4)52-59”)，但該方法著眼于“細胞”層面的操作，切割精度只是3μm以上。限于精度的制約，該方法不滿足染色體微切割的精度的要求，不能用于染色體操作；還有的學者研究了在1000-1500倍油顯微鏡下用機械方法手動切割分離染色體的方法(參見文獻“李秀蘭，宋文芹，許文勝，陳瑞陽。一種改進的染色體顯微切割方法。南開大學學報，1998，31(2)102-105”)，該方法，以滑動軌道手動推移來實現(xiàn)宏動操作，如切割刀的趨近、回退以及取下已切割的染色體等操作；以手動精密液壓裝置作微動執(zhí)行元件進行染色體切割。很明顯，該方法采用手動控制和切割操作的方式工作，不能實現(xiàn)手動控制與切割操作的分離，使切割操作直接受到操作者的動作，甚至呼吸等因素的干擾，影響了切割的精度和穩(wěn)定性。另一方面，滑動軌道手動推移方式宏動操作所引起的振動，也會直接影響后續(xù)的微切割的穩(wěn)定性或質(zhì)量，并且在取得已切割染色體的操作過程中，手動回退操作的不平穩(wěn)性，常常會造成染色體掉落，使染色體微切割功虧一簣。由于該方法對操作人員操作技術的要求非常高，人的依賴性極大，微切割的成功率較低，或可因其設備簡單，價格低廉而用于實驗室的實驗研究，而不適于工業(yè)化應用，難于實際推廣。
綜上所述，染色體微切割技術雖有廣泛用途，但由于染色體微切割設備的限制影響了該技術的普及應用。因此設計良好的設備結(jié)構方案，突破染色體切割的瓶頸，成為生物工程和基因研究的先決條件。
本發(fā)明解決所述技術問題的設備方案是設計一種染色體微切割設備，其特征在于它包括僅以電信號連接的操作部分和控制部分操作部分包括防震基座，分別安裝在防震基座上的宏動機器人和顯微鏡；宏動機器人上固連有微動機器人，微動機器人上安裝著切割操作器，切割操作器的切割刀可自由出入所述顯微鏡承載臺上的工作區(qū)；一個被安裝在支架上的透光體覆蓋在顯微鏡承載臺的工作區(qū)上；在所述顯微鏡上安裝有數(shù)字攝像裝置；控制部分包括經(jīng)電信號與所述數(shù)字攝像裝置相連接的計算機；計算機還分別電連接著顯示器和數(shù)控驅(qū)動裝置；數(shù)控驅(qū)動裝置經(jīng)電信號分別與所述的宏動機器人和微動機器人連接；所述計算機通過數(shù)控驅(qū)動裝置可以控制所述的宏動機器人和微動機器人、進而控制所述的切割操作器切割刀工作。
發(fā)明人對公知技術染色體切割過程的研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有染色體機械切割方法不能有效實施的關鍵問題主要集中在三個方面其一是振動，包括宏動操作如趨近、回退等工藝過程中產(chǎn)生的振動，和微動操作如微切割、取下已切割的染色體等工藝過程中產(chǎn)生的振動，以及手動操作如操作者的動作、呼吸等工藝過程中產(chǎn)生的振動。其中手動操作是產(chǎn)生振動的主要原因；其二是精度，即微操作的精度問題。液壓微動操作在低速時所固有的爬行現(xiàn)象是造成精度低、穩(wěn)定性差的主要原因；其三是回取，即切割后的染色體回取問題。由于切割后的染色體極其微小(1μm以內(nèi))，非常容易掉落，而掉落必然污染，無法取回且不能使用，或者沾附在染色體載體的表面，且沾附后再取回非常困難。發(fā)明人研究表明解決所述振動問題的技術手段是有效隔離；解決所述的精度和回取問題的技術手段是借助多維復合動作(如切割、回退組合等)，而多維復合動作使用手動操作很難完成，這也是目前手動方法難以推廣應用的關鍵原因之一；同時，解決所述的精度和回取問題也有賴于基礎技術研究(如高精度的機械人或機械手)的突破與成功。
考察染色體切割工藝過程發(fā)現(xiàn)由于染色體位置、姿態(tài)的多樣性，宏動操作至少需要三個方向(x，y，z軸向)的平動和兩個方向(繞x，z軸方向)的轉(zhuǎn)動共5個自由度的運動(參見

圖1)，以實現(xiàn)操作器與染色體之間的最佳相互位置；為了實現(xiàn)切割、取物的一次完成，微操作同樣需要多維動作。此外，因目前操作器末端或頭端(如玻璃針針尖)一般僅能制成1μm左右，有時不能滿足微切割精度的要求(如有些植物染色體切割要求達到0.2μm)，為了提高切割精度，必須在切割時實時調(diào)整操作器的位置和姿態(tài)，用操作器末端(或頭端)的某一恰當部分進行切割，故微操作至少需要6個自由度的運動。現(xiàn)有技術的微操作尚不能滿足這些要求。這也同樣需要相關基礎技術研究(如高精度的機械人或機械手)的突破與成功。
所以，有必要進一步考察目前基礎單元技術的研究情況?；A單元技術可分為微動、宏動兩個方面。在微動操作或微操作領域，六自由度微動機器人主要使用并聯(lián)結(jié)構實現(xiàn)。但由于并聯(lián)結(jié)構各維驅(qū)動之間的運動耦合性，造成工作精度不高。為此，發(fā)明人曾研究出了并聯(lián)解耦結(jié)構的微動機器人，并提出了六自由度的解耦新機構(參見中國發(fā)明專利ZL 99 1 21020.4，“六自由度并聯(lián)解耦結(jié)構微動機器人”)。解耦后的并聯(lián)微動機器人運動分辨率為0.01μm，定位精度可達0.05μm，它為微動操作提供了可靠的基礎單元技術。在宏動操作或宏操作領域，五自由度的宏動操作主要應解決剛度問題，以便減小操作過程中的振動，提高操作的穩(wěn)定性。發(fā)明人在并聯(lián)構型理論研究的基礎上曾提出了五自由度并聯(lián)機構技術，可解決這一問題(參見文獻[1]《新型2-5自由度并聯(lián)操作器運動結(jié)構設計》(F.Gao，W.M.Li，X.C.Zhao，Z.L.Jin，H.Zhao.New kinematic structures for 2-，3-，4-and 5-DOF parallelmanipulator designs，Mechanism and Machine Theory，37(2002)1395-1411)；[2]中國發(fā)明專利ZL 00 1 22181.7“可重組三、四、五軸并聯(lián)機床”)。此外，如何實現(xiàn)控制與操作的分離以解決振動隔離問題也是提高穩(wěn)定性的關鍵問題之一。發(fā)明人曾又研制了六維控制器(六維鼠標)，可通過電信號進行六自由度控制(參見中國發(fā)明專利申請01122211.5號，“新型并聯(lián)結(jié)構六維控制器”)，為實現(xiàn)分離控制中的手動操作也提供了可靠的基礎技術手段。
本發(fā)明由于采用已有的基礎單元技術作手段，以電氣機械自動方法進行染色體的切割、分離，不需要激光器，因此具有操作簡單，節(jié)省能源，無污染之虞的優(yōu)點；特別是所述的基礎單元技術是發(fā)明人自己的已有技術，因此本發(fā)明的染色體微切割設備組合設計，具有很好的可靠性、成熟性和協(xié)調(diào)性；又由于設計采用了目前成熟的六維并聯(lián)解耦結(jié)構的微動機器人技術，其運動分辨率為0.01μm，定位精度可達到0.05μm，因此與目前已有技術相比(目前機械方法精度為1μm，激光切割方法最高也僅達0.5μm)，本發(fā)明精度至少可提高一個數(shù)量級，并具有工作穩(wěn)定性好，微切割精度高的優(yōu)點。經(jīng)初步檢索，目前國內(nèi)外尚沒有發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明相似的文獻報道。
由前述可知實用化高精度的染色體微切割設備必須解決所述的振動隔離、宏動機構剛度、微動機構精度、微切割多維復合軌跡實現(xiàn)等技術問題。而發(fā)明人既往的基礎技術研究恰可以提供本發(fā)明所需的單元技術。
本發(fā)明的主要技術思想為使用五自由度并聯(lián)結(jié)構構造宏動平臺，以提高其剛度，并能滿足微操作工位、姿態(tài)的要求；以六自由度并聯(lián)解耦結(jié)構構造微動平臺，以獲得微操作運動的高精度，并可實現(xiàn)微切割時工位、姿態(tài)的實時調(diào)整；采用計算機編程控制，以自動實現(xiàn)微切割操作過程中多維復合軌跡，進而確保操作的穩(wěn)定性和高精度，順利連續(xù)完成微切割、取樣的一體化操作；利用數(shù)字攝像裝置和計算機縮放、顯示技術結(jié)合作為圖像反饋裝置，以確保實現(xiàn)精確操作。
本發(fā)明設計的染色體微切割設備，主要包括操作A和控制B兩大部分(參見圖1)?？刂撇糠諦與操作部分A在機械結(jié)構上分離放置，它們之間僅以電信號連接。這種操作部分A和控制部分B在機械結(jié)構上分為相互隔離的兩大部分設計，可有效防止控制操作對操作器4的振動干擾，提高操作的穩(wěn)定性和可靠性。
本發(fā)明操作部分A包括防震基座1，分別安裝在防震基座1上的宏動機器人2和顯微鏡5；宏動機器人2上固連有微動機器人3，微動機器人3上安裝著切割操作器4，切割操作器4的切割刀可自由出入所述顯微鏡5承載臺上的工作區(qū)；一個被安裝在支架6上的透光體7覆蓋在顯微鏡5承載臺的工作區(qū)上；在所述顯微鏡5上安裝有數(shù)字攝像裝置8；控制部分B包括與經(jīng)電信號與所述數(shù)字攝像裝置8相連接的計算機9；計算機9還分別電連接著顯示器10和數(shù)控驅(qū)動裝置11；數(shù)控驅(qū)動裝置11經(jīng)電信號分別與所述的宏動機器人2和微動機器人3連接；所述的計算機9通過數(shù)控驅(qū)動裝置11可以控制所述的宏動機器人2和微動機器人3、進而控制所述的切割操作器4切割刀工作。
本發(fā)明所述操作部分的實施例(圖1中A單元)做如下選擇防震基座1選用HB109型防震臺；宏動機器人2選用五自由度并聯(lián)宏動機器人，該宏動機器人2由“中國發(fā)明專利ZL 00 1 22181.7”所規(guī)定；微動機器人3選用六自由度并聯(lián)解耦微動機器人，該微動機器人3由“中國發(fā)明專利ZL 991 21020.4”所規(guī)定；操作器4選用玻璃針；顯微鏡5選用奧林帕斯(Olympus)公司的BX40-32H02型顯微鏡；透光體7選用玻璃板；透光體支架6采用不銹鋼自制；數(shù)字攝像裝置8可使用目前市售任何型號的數(shù)字攝像頭或帶連續(xù)攝影功能的數(shù)字照相機，本實施例選用的是索尼TRV-356E數(shù)字攝像機。
本發(fā)明所述控制部分的實施例(圖1中B單元)做如下選擇計算機9選用研華486工控機；顯示器10選用愛德文泰克(ADVENTECH)液晶顯示器；數(shù)控驅(qū)動裝置11選用松下交流驅(qū)動器(宏動驅(qū)動)和哈工大陶瓷電機驅(qū)動器(微動驅(qū)動)。
本發(fā)明的進一步特征為所述的計算機9還連接有用于手動控制所述宏動機器人2操作的六維手動控制器12。所選用的六維控制器(六維鼠標)作為手動控制元件，可以配合計算機程序，實現(xiàn)高精度的工位調(diào)整、趨進、定位和平穩(wěn)的回退、取樣等各項操作。同時還可以隔離外部振動，防止手動操作對操作器4的振動干擾，進一步提高操作的穩(wěn)定性和可靠性。
本發(fā)明染色體微切割設備在工作時，將被切割染色體13置于所述的透光體7上遠離顯微鏡物鏡51一側(cè)的表面(參見圖2)，以供切割操作器4操作。在透光體7上靠近顯微鏡物鏡51一側(cè)的表面加有透明液體14液滴，以增強顯微鏡5的放大倍數(shù)(這樣做，與干燥物鏡相比，可增強放大倍數(shù)30～50倍，增強后可達1500倍，參見文獻“李秀蘭，宋文芹，許文勝，陳瑞陽。一種改進的染色體顯微切割方法。南開大學學報，1998，31(2)102-105”)。放大后的圖像經(jīng)所述的數(shù)字攝像裝置8轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸送給與之電信號連接的計算機9，再經(jīng)計算機9放大，放大倍數(shù)可高達15000～20000倍，并可在顯示器10上顯示出來。經(jīng)多次高倍放大后，在顯示器10上以0.05μm的高分辨率可清楚地觀察到被切割染色體13，滿足了染色體13切割過程中的微操作、控制和信息反饋的要求。由于染色體13與透明液體14分別放置在透光體7的兩側(cè)，因此透明液體14也不會對染色體13造成任何污染。所述的透明液體14液滴實施例選用油。
本發(fā)明設備實施例的操作工藝為通過六維手動控制器12，經(jīng)計算機9和數(shù)控驅(qū)動裝置11，控制所述的宏動機器人2運動，并帶動操作器4實現(xiàn)調(diào)整、趨進、定位、回退、取樣等宏動操作；通過編程，由計算機9，經(jīng)數(shù)控驅(qū)動裝置11按規(guī)定的軌跡，控制所述的微動機器人3運動，并帶動操作器4實現(xiàn)對染色體13進行微切割操作，并產(chǎn)生多維復合運動軌跡，實現(xiàn)切割、取樣(即將染色體沾附在操作器上)一次完成的一體化操作。這樣操作設計的優(yōu)點是手動調(diào)整、趨進、定位等宏動操作，可通過觀察顯示器10由人眼實現(xiàn)閉環(huán)控制，有利于將操作器4調(diào)整到最佳位置和姿態(tài)，進而進一步提高切割精度；計算機9的編程按預定的多維復合運動軌跡進行切割、取樣操作，也有利于提高操作的穩(wěn)定性。
本發(fā)明所述計算機9的編程軟件由發(fā)明人已公開的各現(xiàn)有技術所規(guī)定，例如，宏動機器人2和微動機器人3等均有自己的控制軟件，本發(fā)明只需把它們整合進所述的控制部分B中即可。
權利要求
1.一種染色體微切割設備，其特征在于它包括僅以電信號連接的操作部分(A)和控制部分(B)操作部分(A)包括防震基座(1)，分別安裝在防震基座(1)上的宏動機器人(2)和顯微鏡(5)；宏動機器人(2)上固連有微動機器人(3)，微動機器人(3)上安裝著切割操作器(4)，切割操作器(4)的切割刀可自由出入所述顯微鏡(5)承載臺上的工作區(qū)；一個被安裝在支架(6)上的透光體(7)覆蓋在顯微鏡(5)承載臺的工作區(qū)上；在所述顯微鏡(5)上安裝有數(shù)字攝像裝置(8)；控制部分(B)包括與經(jīng)電信號與所述數(shù)字攝像裝置(8)相連接的計算機(9)；計算機(9)還分別電連接顯示器(10)和數(shù)控驅(qū)動裝置(11)；數(shù)控驅(qū)動裝置(11)經(jīng)電信號分別與所述的宏動機器人(2)和微動機器人(3)連接；所述計算機(9)通過數(shù)控驅(qū)動裝置(11)可以控制所述的宏動機器人(2)和微動機器人(3)、進而控制所述的切割操作器(4)切割刀工作。
2.根據(jù)權利要求1所述的染色體微切割設備，其特征為所述的宏動機器人(2)為五自由度并聯(lián)宏動機器人，所述的微動機器人(3)為六自由度并聯(lián)解耦微動機器人。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的染色體微切割設備，其特征為所述的計算機(9)還連接有用于手動控制所述宏動機器人(2)操作的六維手動控制器(12)。
全文摘要
本發(fā)明涉及染色體微切割設備，其特征在于它包括僅以電信號連接的操作部分和控制部分操作部分包括防震基座，分別安裝在防震基座上的宏動機器人和顯微鏡；宏動機器人上固連有微動機器人，微動機器人上安裝著切割操作器，其可自由出入顯微鏡承載臺上的工作區(qū)；一個被安裝在支架上的透光體覆蓋在顯微鏡承載臺的工作區(qū)上；在顯微鏡上安裝有數(shù)字攝像裝置；控制部分包括經(jīng)電信號與數(shù)字攝像裝置相連接的計算機；計算機還分別電連接著顯示器和數(shù)控驅(qū)動裝置；數(shù)控驅(qū)動裝置經(jīng)電信號分別與宏動機器人和微動機器人連接；計算機通過數(shù)控驅(qū)動裝置可以控制宏動機器人和微動機器人、進而控制切割操作器工作。本發(fā)明具有操作簡單，工作穩(wěn)定性好，微切割精度高，無污染之虞等優(yōu)點。
文檔編號C12M1/00GK1462798SQ0312976
公開日2003年12月24日 申請日期2003年5月16日 優(yōu)先權日2003年5月16日
發(fā)明者高峰, 李為民, 張建軍, 金振林 申請人:河北工業(yè)大學