[發明專利]一種基于微流控芯片的單細胞自動操控分選裝置及方法

在審

• 申請號: 201710108455.9
• 申請日: 2017-02-27
• 公開（公告）號: CN107164212A
• 公開（公告）日: 2017-09-15
• 發明（設計）人: 宋永欣;王琪
• 申請（專利權）人: 大連海事大學;大連醫科大學附屬第二醫院
• 主分類號: C12M1/00
• 分類號: C12M1/00;C12M1/36;C12M1/34;C12N5/00
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司21212
• 代理人: 王丹,李洪福

技術領域

本發明涉及細胞操控技術領域，具體說是涉及一種基于微流控芯片的單細胞自動操控分選裝置及方法。

背景技術

在生命科學、醫學以及生物學等諸多領域，經常需要從較為復雜的樣品中，分選出單個目標細胞，以進行后續的科學研究。例如在癌癥研究中，分選獲得單個癌細胞是進行后續細胞測序的關鍵技術。

目前，最為常用的單細胞分選技術是借助顯微鏡，采用手動的方法從樣品中隔離出單個細胞。該方法費時，操控難度大并且容易對細胞造成傷害。以流式細胞儀為代表的細胞計數和篩選儀器，雖已實現集成化和自動化，但無法實現單個細胞的分選。

微流控芯片是通過構建網絡式通道，從而將樣品制備、生物與化學反應、分選和檢測等過程，縮微或基本縮微到一塊幾平方厘米的芯片上，并對其結果進行檢測與分析，擴展了在細胞和亞細胞水平上進行生命科學研究的能力。在微流控芯片上，通過對微流體施加不同的作用，比如介電電泳、磁場力、聲動力、光鑷技術等，使微流控通道內這些作用與流體動力相結合，從而實現對細胞或者顆粒的分選以便使單細胞計數、篩選以及胞內組分分析等操作大大簡化。目前，有多種方法應用在微流控芯片上進行細胞操控：

1)立柱結構分選：該方法是根據細胞粒徑和變形等特點，通過改變芯片內立柱之間的距離，實現對不同粒徑的細胞或粒子的分選。其優點是能夠精確控制分選的細胞或者顆粒尺寸，但是具有芯片體積較大，通量較小，容易形成通道堵塞等缺點，并且捕獲的細胞很難回收進行后續研究。

2)慣性力分選：慣性分選的原理主要是基于細胞在微流道中所受的慣性升力、離心力等慣性力作用，使得不同尺寸的細胞受力之后的平衡位置不同，從而實現分選。其優點是通量高，能夠實現連續分選。但是無法實現單個細胞的捕獲。

3)磁力分選：磁力分選主要利用特異性磁珠來捕獲細胞，并繼而利用外加磁場來操控。該方法的主要缺點是某些細胞很難有特異性的磁珠，并且后續脫附磁珠的步驟會影響細胞的活性。

4)電分選：電分選主要分兩種，一是電泳分離：利用外加電場和粒子表面電荷的相互作用來驅動細胞運動；二是介電泳分離，利用細胞在非均勻電場中受到的極化作用使細胞運動。該兩種方法具有分選通量高和分選效率高等優點，但是受流道內電導率影響較大。

5)光學分選：光學分選利用激光光束作用在細胞或顆粒上的不同位置，能夠實現對細胞的精確控制，但是通量低，對光源的波長及功率有特定要求。

6)聲波分選：聲波分選利用微流道中被壓電材料感應到超聲波共振時，產生的輻射能使細胞運動。其優點是能夠對單個細胞進行操控，但是對分選設備要求高，操作較復雜。

7)水動力分選：利用外界提供的力對溶液中的流體施加作用，從而分選溶液中的細胞。其優點是施加的力可以控制大小，能對細胞進行精確操控，缺點就是外界設備比較多，集成困難。

綜上所述，使用上述任意單一方法均不能實現有效地單細胞全自動快速操控，且其所用裝置大多結構復雜，操作不便。

發明內容

鑒于已有技術存在的不足，本發明的目的是要提供一種結合水動力分選技術與電分選技術，同時能夠實現單細胞自動操控分選的裝置及方法。

為了實現上述目的，本發明技術方案如下：

一種基于微流控芯片的單細胞自動操控分選裝置，其特征在于，裝置包括細胞分選基片、壓力控制元件、信號處理元件、通道分選元件及信號采集控制裝置；

所述細胞分選基片由玻璃底片及凹刻有微流道的PDMS微流控芯片封裝構成，所述PDMS微流控芯片與玻璃底片鍵合一側中間位置凹刻有首尾兩端分別設置進樣儲液孔和廢液儲液孔的主通道；

所述主通道中間位置對應的兩側側壁向通道中心方向漸縮，以形成用以檢測通過細胞的細胞檢測區域；所述主通道位于細胞檢測區域后一定位置處呈放射性均勻連接有N條末端設置有目標細胞儲液孔的細胞分選通道，其中N≧2；

所述主通道與所述細胞分選通道連通處為細胞分選區域，所述細胞檢測區域前的部分主通道為上游主通道，所述細胞分選區域后的部分主通道為下游主通道；

同時，任意所述目標細胞儲液孔均與壓力控制元件一端連接；所有壓力控制元件另一端均與信號采集控制裝置連接；所述進樣儲液孔和廢液儲液孔內均插有鉑電極，所述進樣通道儲液孔內的鉑電極與一直流電源的正極連接，且廢液儲液孔內的鉑電極通過一參考電阻與上述直流電源的負極連接；所述參考電阻的兩端均通過導線與所述信號處理元件的輸入端連接，所述信號放大元件的輸出端與所述信號采集控制裝置連接。