CN105944775A - 单细胞分离微流控芯片 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种单细胞分离微流控芯片，包括基体、以及形成于基体上的微通道，该微通道包括细胞进样口、单细胞收集池、以及依次连通于细胞进样口和单细胞收集池之间的细胞分离单元和液滴输出通道，所述细胞分离单元和液滴输出通道的接合处形成有液滴发生包裹单元，该液滴发生包裹单元与一油相输送通道连通，所述细胞分离单元用以将单排排列的细胞输送至液滴发生包裹单元。本发明采用螺旋盘式微通道对细胞溶液进行处理，使得细胞能够单排排列在管道中，通过液滴包裹单元实现了对细胞进行单个包裹。

Description

单细胞分离微流控芯片
技术领域
本申请属于微流控技术领域，涉及单细胞检测技术，是一种简单实用的实现液滴包裹单细胞的微流控芯片体系。
背景技术
单细胞的研究在重大疾病早期诊断，治疗，药物筛选和细胞生理、病理过程的研究方面具有重要意义。随着干细胞、肿瘤细胞的研究的进展，基于单细胞水平的研究越来越受到重视并成为一种研究趋势。单细胞分离技术是进行单细胞水平研究的基础。如何得到足够数量的单细胞是研究的关键。
目前能够实现单细胞分选的方法主要是流式细胞仪，可以实现活细胞的多通道分选，为单细胞研究奠定了基础。但是流式细胞仪价格昂贵，体积庞大，需要专人操作，不能实现大面积普及。除此之外，获得单细胞的方法还有细胞电泳和有限稀释法，细胞电泳是根据各种细胞或处于不同生理状态的同种细胞荷电量有所不同，故在一定的电场中的泳动速度不同原理实现分选，不适合相同生理状态同种细胞的分选；有限稀释法操作虽简单，但是在实际操作中，效率不高，一般仅在20％，需要实验人员进行观察排除，费时费力。
微流控芯片技术是一种在微尺度空间中对流体进行操控的科学技术。该技术分离单细胞方法简单，操作直观可靠，分离成功率高，易于推广普及。在一定程度上克服了上述这些局限性，并实现了类似仪器的小型化，集成化，自动化，便携化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低、简单实用的单细胞分离微流控芯片，以克服现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请实施例公开一种单细胞分离微流控芯片，包括基体、以及形成于基体上的微通道，该微通道包括细胞进样口、单细胞收集池、以及依次连通于细胞进样口和单细胞收集池之间的细胞分离单元和液滴输出通道，所述细胞分离单元和液滴输出通道的接合处形成有液滴发生包裹单元，该液滴发生包裹单元与一油相输送通道连通，所述细胞分离单元用以将单排排列的细胞输送至液滴发生包裹单元。
优选的，在上述的单细胞分离微流控芯片中，所述细胞分离单元为螺旋式微通道，该螺旋式微通道自细胞进样口向外螺旋。
优选的，在上述的单细胞分离微流控芯片中，所述螺旋式微通道宽度50～100μm，深度30～60μm，相邻两通道间距100～150微米。
优选的，在上述的单细胞分离微流控芯片中，所述螺旋式微通道的截面呈矩形。
优选的，在上述的单细胞分离微流控芯片中，所述细胞分离单元输出的单排排列的细胞具有相同间距。
优选的，在上述的单细胞分离微流控芯片中，所述液滴输出通道自液滴发生包裹单元向单细胞收集池方向的宽度渐性增加。
优选的，在上述的单细胞分离微流控芯片中，所述油相输送通道与液滴输出通道在液滴发生包裹单元位置呈T形或十字形交叉。
优选的，在上述的单细胞分离微流控芯片中，来自油相输送通道的油相溶液对细胞溶液形成剪切并实现对单细胞包裹。
优选的，在上述的单细胞分离微流控芯片中，所述基体材质为PDMS。
优选的，在上述的单细胞分离微流控芯片中，所述基体包括上下叠加的上芯片层和下芯片层，所述微通道凹设于所述上芯片层和下芯片层之间。
本发明采用螺旋盘式微通道对细胞溶液进行处理，使得细胞能够单排排列在管道中，通过液滴包裹单元实现了对细胞进行单个包裹。本发明还具有以下优点：
(1)、微型化。整个芯片面积仅为几平方厘米，反应通道宽50～100μm，深30～60μm，相邻两通道之间相距100～150微米，初始半径为2000μm，总长度为7～10cm。油相通入通道尺寸为80～200μm，宽50～100μm深，所需试剂体积仅为微升级别。
(2)、提高了包裹效率。应用上述微流控芯片使得细胞单排均匀分布在微通道中，提高了液滴包裹单个细胞的效率。
(3)、在线观测。该微流控芯片可以直接在CCD倒置显微镜下进行观察，用高速摄像机进行图像记录，操作方便。
(4)、价格低廉。芯片材质采用PDMS。试剂用量少，明显地降低了试剂成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本发明具体实施例中微流控芯片的结构示意图；
图2所示为本发明具体实施例中细胞分离单元的原理示意图；
图3所示为本发明具体实施例中液滴输送通道在显微镜下的照片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1所示，单细胞分离微流控芯片，包括基体、以及形成于基体上的微通道，该微通道包括细胞进样口1、单细胞收集池6、以及依次连通于细胞进样口1和单细胞收集池6之间的细胞分离单元3和液滴输出通道5，细胞分离单元3和液滴输出通道5的接合处形成有液滴发生包裹单元4，该液滴发生包裹单元4与一油相输送通道7连通，细胞分离单元3用以将单排排列的细胞输送至液滴发生包裹单元4。
该技术方案中，微流控芯片进样需要动力系统，动力系统用于将细胞溶液和油相分别从细胞进样口1和油相进样口2连续注入到芯片中，细胞进样口1和油相进样口2的直径优选为1mm。
细胞分离单元3为螺旋式微通道，该螺旋式微通道自细胞进样口1向外螺旋。
结合图2所示，应用该螺旋盘式实现细胞单排排列的原理为：在连续弯曲的矩形微通道中，细胞主要受升力FL和漩涡力FD两种力，在弯曲微通道的不同位置细胞受到两种力的方向发生不断的变化，FL和FD之间的平衡决定了细胞在弯曲几何形状的微通道的优选位置。当FL＞FD时，细胞聚焦在一起，当FL＜FD时，细胞相互混合；细胞在弯曲通道中进行多次循环流动，直到FD和FL平衡，细胞最终在微通道中成单排排列。
在优选的实施例中，螺旋式微通道宽度根据细胞的体积大小大约为50-100μm，深度为30-60μm，相邻两通道之间相距100-150μm，初始半径为2000μm，总长度为7-10cm。
优选的，螺旋式微通道的截面呈矩形。
细胞分离单元3输出的单排排列的细胞具有相同间距。这是用于控制单个细胞装载到液滴的关键。
液滴输出通道5自液滴发生包裹单元4向单细胞收集池6方向的宽度渐性增加。
该技术方案中，采用喇叭式液滴生成输送通道能够明显提高单个细胞装载到液滴中的成功率。
结合图3所示，油相输送通道7与液滴输出通道5在液滴发生包裹单元4位置呈T形或十字形交叉。
该技术方案中，液滴发生包裹单元可以采用“T”型结构，也可以采用“十”字型结构，本实施例优选采用“十”字型结构，其由4个微通道交叉形成，其中一个是细胞进入通道，两个是油相通入通道，通道尺寸为80～200μm，宽50～100μm深，另外一个是成喇叭状的液滴输出通道，从纵切面图看，液滴输出通道的前端与弯曲螺旋通道等深，随着通道的不断延展，其宽度向上下扩展。可以通过改变液滴输出通道的尺寸和溶液的流速对液滴的体积大小进行调整。
检测时，采用CCD倒置显微镜进行观察，用高速摄像机进行视频记录。
应用该“十”字形通道实现液滴发生包裹的原理为：细胞溶液和石蜡油互不相溶，细胞溶液作为分散相，石蜡油作为连续相；细胞溶液和石蜡油分别从水平和垂直通道中流出，在“十”字形结构处形成油/水界面。细胞溶液在外力的推动以及石蜡油剪切力的作用下与石蜡油同步向前运动，当油/水界面处的界面张力不足以维持石蜡油施加给细胞溶液的剪切力时，细胞溶液断裂生成独立的被石蜡油包裹的微小体积；细胞单排均匀分布在水溶液中，随着水溶液进入液滴中，实现液滴的单细胞包裹。
基体包括上下叠加的上芯片层和下芯片层，微通道凹设于上芯片层和下芯片层之间。
在优选的实施例中，上芯片层和下芯片层材质均为PDMS，两层PDMS板采用等离子键合的方式结合在一起，在其他实施例中，也可以考虑采用玻璃、PMMA等材质。
微流控芯片工作流程包括：
(1)、准备好两台注射泵，将注射器分别抽取PC3细胞和石蜡油，放在注射泵上通过特氟龙管与芯片连接好。
(2)、将芯片放在CCD倒置显微镜下合适位置，调节焦距，进行清晰观察。
(3)、打开注射泵，调节流速，实现单细胞包裹；同时打开高速摄像机进行实时观察细胞包裹情况。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种单细胞分离微流控芯片，其特征在于，包括基体、以及形成于基体上的微通道，该微通道包括细胞进样口、单细胞收集池、以及依次连通于细胞进样口和单细胞收集池之间的细胞分离单元和液滴输出通道，所述细胞分离单元和液滴输出通道的接合处形成有液滴发生包裹单元，该液滴发生包裹单元与一油相输送通道连通，所述细胞分离单元用以将单排排列的细胞输送至液滴发生包裹单元。
2.根据权利要求1所述的单细胞分离微流控芯片，其特征在于：所述细胞分离单元为螺旋式微通道，该螺旋式微通道自细胞进样口向外螺旋。
3.根据权利要求2所述的单细胞分离微流控芯片，其特征在于：所述螺旋式微通道宽度50~100μm，深度30~60μm，相邻两通道间距100~150微米。
4.根据权利要求2所述的单细胞分离微流控芯片，其特征在于：所述螺旋式微通道的截面呈矩形。
5.根据权利要求2所述的单细胞分离微流控芯片，其特征在于：所述细胞分离单元输出的单排排列的细胞具有相同间距。
6.根据权利要求1所述的单细胞分离微流控芯片，其特征在于：所述液滴输出通道自液滴发生包裹单元向单细胞收集池方向的宽度渐性增加。
7.根据权利要求1所述的单细胞分离微流控芯片，其特征在于：所述油相输送通道与液滴输出通道在液滴发生包裹单元位置呈T形或十字形交叉。
8.根据权利要求7所述的单细胞分离微流控芯片，其特征在于：来自油相输送通道的油相溶液对细胞溶液形成剪切并实现对单细胞包裹。
9.根据权利要求1所述的单细胞分离微流控芯片，其特征在于：所述基体材质为PDMS。
10.根据权利要求1所述的单细胞分离微流控芯片，其特征在于：所述基体包括上下叠加的上芯片层和下芯片层，所述微通道凹设于所述上芯片层和下芯片层之间。
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