[发明专利]一种基于液滴微流控芯片的高通量自动捕获单细胞的方法

说明书

本发明提供了一种基于液滴微流控芯片的高通量自动捕获单细胞的方法。该微流控芯片所述芯片由两层组成，上层为流路出入口层；下层为流路控制层；所述流路出入口层有液体流路通道入口和液体流路通道出口；所述流路控制层由单细胞捕获流路通道、气路通道、液滴生成单元组成。该方法引入了气压可控的气体流路通道，可形成负压流路通道并自动将单细胞悬液吸入捕获阱，便于观察、检测单细胞的增殖、分化以及药物反应等行为。本发明利用液滴微流控技术和流体力学原理实现单细胞的高通量自动捕获，相比于传统的单细胞捕获方法，具有操作简便、灵活、高通量、无污染、适用范围广以及可扩展性强等优点。

技术领域

本发明属于微流控技术与细胞生物学的交叉领域，具体涉及一种基于液滴微流控芯片的高通量自动捕获单细胞的方法。

背景技术

微流控芯片实验室早期致力于芯片电泳的研究，并提出了微全分析系统(μ-TAS)的概念，研究工作主要集中在连续流微流控系统。近年来，微流控芯片领域出现了一个新的分支-非连续流微流控系统，即液滴微流控系统。液滴微流控系统使用不相溶的两相流体在微孔道界面处形成液滴，这类液滴的体积通常在纳升至皮升(10^-9～10^-12L)范围。相对于连续流系统，液滴具有体积小、低扩散、无交叉污染、快速的反应动力学等特点，并且具有高通量分析的潜力。经过几年的发展，液滴的制备技术已日趋成熟；同时，液滴的分裂、融合、混合、分选、存储和编码等丰富多样的操控技术也都有广泛的报道。

单细胞水平的生物物理特性表征，可有效阐明细胞的功能和状态，揭示细胞的单体差异性，对于细胞的分化和病理研究，以及疾病的早期临床诊断和治疗具有非常重要的意义，目前已成为研究的热点之一。由于细胞极小，直径一般为5～500μm，组分含量少，种类繁多，使得操纵和分析难度很大。早期的单细胞研究，主要采用膜片钳、细胞穿刺等技术，同时借助显微镜三维微操作器进行操作。毛细管电泳分离方法具有进样体积小、分离效率高、分离速度快等优点，已用于单细胞多组分的检测，取得了一些成果。但毛细管属一维结构，进样和溶膜操作复杂。传统的流式细胞仪虽已实现集成化和自动化，但同样具有仪器体积大、内部结构复杂、易损坏等缺点。

近年来，随着液滴微流控技术的迅速发展，其在单细胞分析中的应用引起了越来越多的关注。液滴作为单细胞微反应器，能够有效控制扩散，提高检测灵敏度，已被成功应用于多种单细胞分析中。然而，在微流控系统内研究单细胞，首要解决的问题就是如何对单细胞进行捕获，以实现单细胞的移动、固定等，然后才能对其进行分析和检测。目前，已发展出多种单细胞捕获技术，其驱动力主要包括流体压力、电动力、磁力、光学陷阱以及机械力等。其中，由于外部电学原件、磁力控制部件、光学传感器和机械控制器结构复杂，成本偏高，不便广泛应用。利用物理屏障捕获单细胞简单且成本低廉，但容易造成细胞损伤且不便于加载动态生化信号刺激。因此迫切需要一种能够长期捕获悬浮培养单细胞、减少细胞损伤且便于加入药物刺激的单细胞捕获微流控芯片。

本发明利用液滴微流控技术和流体力学实现单细胞的高通量自动捕获，通过在芯片通道内部形成负压，将单细胞悬液自动吸入单细胞捕获流路通道，通过单细胞捕获阱后，单细胞截留于生成的液滴中，实现单细胞自动捕获；通过调节单细胞悬液流速和单细胞悬液密度控制单细胞捕获率。整个装置结构简单，无需任何复杂和昂贵的设备，可实现高通量，操作方便自动化。因此，本发明提供了一种灵活可控的高通量自动捕获单细胞的方法，并期望在细胞学、药物毒理学研究等领域得到应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于液滴微流控芯片的高通量自动捕获单细胞的方法，本发明制备过程稳定，操作简单，可实现快速、高效、高通量、自动捕获单细胞。

一种液滴微流控芯片，所述芯片由两层组成，上层为流路出入口层；下层为流路控制层；

所述流路出入口层有液体流路通道入口和液体流路通道出口；

所述流路控制层由单细胞捕获流路通道、气路通道、液滴生成单元(单细胞捕获阱)组成；