CN112067533B - 单细胞质谱分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单细胞质谱分析系统及方法，单细胞质谱分析系统包括质谱仪，所述质谱仪具有进样口；微流控芯片具有液体进口和多个液体通道；所述多个液体通道设置在所述微流控芯片内部，并与所述液体进口连通；所述液体通道具有出口；细胞捕获单元设置在所述液体通道内；隔离单元用于根据需要地实现液体通道间的隔离；所述隔离单元包括隔离件和驱动模块；电极设置在所述液体通道内部或外部；移动单元用于驱动所述微流控芯片或质谱仪的进样口，使得多个液体通道的出口选择性地对应所述质谱仪的进样口。本发明具有分析效率高等优点。

Description

单细胞质谱分析系统及方法

技术领域

本发明涉及细胞分析，特别涉及单细胞质谱分析系统及方法。

背景技术

质谱单细胞分析是指利用质谱检测手段，依据单细胞中各种成分的分子量不同，通过多级质谱分析，获得细胞中各种成分的分子信息，实现多组分的同时分析，具有广大的生命科学研究价值。

目前主流的单细胞质谱分析多为人工操作，操作人员在显微视野的引导下，手动控制毛细针对单细胞进行萃取与电喷雾质谱检测的流程，因此高度依赖于人工操作，效率低且不稳定，分析的过程耗时费力，操作困难。由于质谱单细胞分析在相当大程度上取决于操作者的熟练程度，因此不同实验室间所得结果存在很大差异。

有研究者开发了基于显微操作技术的质谱单细胞质谱分析方法。在机械臂的控制下，利用一根毛细针对单细胞滴加萃取液并完成单细胞萃取，利用另外一根毛细针吸取单细胞萃取液并进行电喷雾质谱分析。该方法的毛细针易于损坏(堵塞、破损等)，且严重依赖于高精度毛细针尖定位技术，在复杂的实际应用场景下难以做到普遍适用。

也有研究者将微流控技术引入到了单细胞质谱的分析中来，通过微流控芯片控制萃取液的流动，并且在液流的末端对萃取液进行离子化。该方法细胞捕获与萃取分别从属于两个独立模块，无法一体化完成，流程复杂。此外，持续流动的萃取液也存在交叉污染的风险。

发明内容

为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种分析效率高、结构紧凑、一致性好、可靠性好的单细胞质谱分析系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

单细胞质谱分析系统，所述单细胞质谱分析系统包括质谱仪，所述质谱仪具有进样口；所述单细胞质谱分析系统还包括：

微流控芯片，所述微流控芯片具有液体进口和多个液体通道；所述多个液体通道设置在所述微流控芯片内部，并与所述液体进口连通；所述液体通道具有出口；

多个细胞捕获单元，所述细胞捕获单元设置在所述液体通道内；

隔离单元，所述隔离单元用于根据需要地实现液体通道间的隔离；所述隔离单元包括隔离件和驱动模块；

多个电极，所述电极设置在所述液体通道内部或外部；

移动单元，所述移动单元用于驱动所述微流控芯片或质谱仪的进样口，使得多个液体通道的出口选择性地对应所述质谱仪的进样口。

本发明的另一目的在于提供了应用上述单细胞质谱分析系统的单细胞质谱分析方法，该发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

根据本发明的单细胞质谱分析系统的单细胞质谱分析方法，所述单细胞质谱分析方法包括：

细胞悬浮液通过液体进口，进入各个液体通道内，细胞捕获单元捕获单个细胞，任一液体通道内仅有一个细胞；

萃取液通过液体进口，进入各个液体通道内；

各个液体通道间隔离，各个液体通道内的细胞被萃取；

移动单元调整微流控芯片或质谱仪进样口的位置，使得选择的液体通道的出口对应质谱仪进样口；

电极放电，选择的液体通道内的萃取物质被离子化，从液体通道的出口喷出，离子流进入质谱仪进样口。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

1.分析效率高；

将单细胞捕获、细胞间隔离、萃取和离子化集成在微流控芯片上，无需通过多个模块间的移动来实现，显著地提高了分析效率；

微流控芯片上的液体通道短，单细胞捕获快，进一步地提高了分析效率；

多个液体通道集成在微流控芯片上，一次进样，同时实现了不同单细胞的捕获，如直径不同的细胞，进一步提高了总体的分析效率；

单细胞捕获、细胞间隔离、萃取、离子化以及质谱分析，均是自动化进行，耗时短，分析效率高；

2.分析一致性好；

细胞进样、单细胞捕获、隔离、萃取、离子化以及质谱分析，均是自动化进行，无需人工介入，避免了认为干扰因素，提高了单细胞分析的一致性；

3.可靠性好；

无需使用毛细针等易损耗材，提高了分析的可靠性；

4.准确性好；

在萃取阶段，利用隔离单元实现了各个液体通道间的隔离，防止了不同液体通道内细胞萃取间的交叉污染，提高了分析准确性；

5.结构紧凑、体积小；

细胞捕获单元、隔离单元和电极均可集成在微流控芯片上，结构紧凑、体积小，如具有5个液体通道的三层结构微流控芯片的宽度仅有6mm，长度仅有3cm。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1是根据本发明实施例2的单细胞质谱分析系统第三层的水平剖视示意图；

图2是根据本发明实施例2的单细胞质谱分析系统的竖直剖视示意图；

图3是根据本发明实施例2的单细胞质谱分析系统的另一竖直剖视示意图。

具体实施方式

图1-3和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

实施例1：

单细胞质谱分析系统，所述单细胞质谱分析系统包括：

质谱仪，所述质谱仪具有进样口，如锥形进样口；

微流控芯片，所述微流控芯片具有液体进口和多个液体通道；所述多个液体通道设置在所述微流控芯片内部，并与所述液体进口连通；所述液体通道具有出口；

多个细胞捕获单元，所述细胞捕获单元设置在所述液体通道内，用于捕获单个细胞；

隔离单元，所述隔离单元用于根据需要地实现液体通道间的隔离；所述隔离单元包括隔离件和驱动模块；

多个电极，所述电极设置在所述液体通道内部或外部；

移动单元，所述移动单元用于驱动所述微流控芯片或质谱仪的进样口，使得多个液体通道的出口选择性地对应所述质谱仪的进样口。

为了方便地实现了液体通道间的隔离，进一步地，所述微流控芯片的内部还有连通部，所述液体进口、连通部和液体通道依次连通；所述隔离单元用于将所述连通部隔离为多个部分，每一部分仅与一个液体通道连通。

为了实现液体通道和隔离单元的一体化，进一步地，所述驱动模块包括设置在所述微流控芯片外侧的流体通道以及连通所述流体通道的压力可调的流体源，所述隔离件采用柔性材料，隔离了所述流体通道和微流控芯片内的通道。

为了方便地设置隔离单元，进一步地，所述流体通道设置在连通部的外侧，并延伸到相邻液体通道之间的部分的外侧。

为了形成结构紧凑、自动化工作的装置，进一步地，所述流体通道形成在第一层的凹槽内；所述连通部和多个液体通道形成在第三层的凹槽内，柔性材料为第二层的部分或全部，设置在所述第一层和第三层之间。

为了降低分析装置的加工难度，进一步地，所述细胞捕获单元包括至少二个柱体，柱体间的距离小于细胞的直径；所述柱体设置在所述第三层的凹槽的底壁，与第三层一体成型；所述电极设置在所述第二层。

本发明实施例的根据上述单细胞质谱分析系统的单细胞质谱分析方法，所述单细胞质谱分析方法包括：

细胞悬浮液通过液体进口，进入各个液体通道内，细胞捕获单元捕获单个细胞，捕获结束后，任一液体通道内仅有一个细胞；

萃取液通过液体进口，进入各个液体通道内；

各个液体通道间隔离，各个液体通道内的细胞被萃取；

移动单元调整微流控芯片或质谱仪进样口的位置，使得选择的液体通道的出口对应质谱仪进样口；

电极放电，选择的液体通道内的萃取物质被离子化，从液体通道的出口喷出，离子流进入质谱仪进样口。

为了方便地实现液体通道间的隔离，进一步地，所述隔离单元的工作方式为：

提高流体通道内流体的压力，柔性材料向外侧凸起，从而封闭流道。

实施例2：

根据本发明实施例1的单细胞质谱分析系统及方法的应用例。

在本应用例中，如图1-3所示，微流控芯片采用三层结构，第三层结构为：在本体13上加工出多个相互平行并直线排列的矩形凹槽31作为液体通道，矩形凹槽31的一个开口端(即液体通道的出口)的宽度变小，多个矩形凹槽31的另一开口端连通具有弧形侧壁的凹槽32(即连通部)，侧壁与底壁的连接部具有斜坡；本体13上具有通孔35作为液体进口，该通孔35通过凹槽34连通所述连通部；在本体13的加工中，每个矩形凹槽31内一体成型有单细胞捕获单元41，也即三个垂直于矩形凹槽底壁的柱体，柱体间的距离适于捕获单个细胞，各个液体通道内的三个柱体间的距离不等，使得各个液体通道内捕获不同直径的单个细胞；

在第一层凹槽的一侧铺设柔性材料12作为第二层，如PDMS，覆盖各个凹槽(液体通道的凹槽31、连通部的凹槽32，连通液体进口和连通部的凹槽34)，使得凹槽成为细胞悬浮液、萃取液等液体的通道，其中临着液体通道的部分上加工有电极21，电极21一端延伸到芯片外连接高压电源(高压电源控制每一电极的通电与否)，另一端处于处于液体通道(凹槽31)内，未到细胞捕获单元处，也即细胞捕获单元和液体通道出口间区域无电极；电极宽度为₁₀₀μ_m，液体通道的宽度为₂₀₀μ_m；

第一层结构：如图3所示，在本体11上加工处多个相互平行的矩形凹槽33，第一层、第二层和第三层依次固定在一起，使得柔性材料12覆盖了第一层的各个凹槽，使得各个矩形凹槽33成为流体通道，如气体通道；该通道沿着平行于液体通道的延伸方向延伸，一端延伸到第三层相邻液体通道间部分的外侧，另一端延伸到连通部的远离液体通道的一侧的部分的外侧，使得当流体通道内压力变大时，柔性材料受压外凸，从而将连通部隔离为多个部分，每个部分仅与一个液体通道连通，实现了各个液体通道间的隔离；

气源输出的气体通过压力控制后连通各个流体通道；

上述微流控芯片设置移动单元(直线移动平台)上，当微流控芯片被驱动直线移动时，各个液体通道的出口依次对应静止的质谱仪的进样口。

本发明实施例的根据上述单细胞质谱分析系统的单细胞质谱分析方法，所述单细胞质谱分析方法包括：

细胞悬浮液依次通过液体进口和连通部，进入各个液体通道内，细胞捕获单元分别捕获直径不同的单个细胞，捕获结束后，任一液体通道内仅有一个细胞，；

萃取液通过液体进口和连通部，进入各个液体通道内；

提高气体压力，各个流体通道内的压力变大，柔性材料受压外凸，并接触连通部的第三层的底壁、侧壁及斜坡，从而将连通部隔离为多个部分(数量与液体通道数量相同)，每一部分仅与一个液体通道连通，实现了各个液体通道间隔离，各个液体通道内直径不同的单个细胞被萃取；

移动单元调整微流控芯片的位置，使得选择的液体通道的出口对应质谱仪进样口；

高压电源控制选择的液体通道内的电极放电(其它电极不放电)，选择的液体通道内的萃取物质被离子化，从液体通道的出口喷出，离子流进入质谱仪进样口；

通过移动单元的驱动，实现了其它液体通道内单个细胞的萃取物质的离子化和分析。

实施例3：

根据本发明实施例1的单细胞质谱分析系统及方法的应用例，与实施例2不同的是：

1.不再设置流体通道，也即不再设置柔性材料和第一层，使用一层材料封闭原第三层的凹槽即可；

2.液体通道内设置微阀，实现了液体通道和连通部间的连通和隔离；微阀是微流控领域的现有技术，具体结构和工作方式在此不再赘述。

实施例4：

根据本发明实施例1的单细胞质谱分析系统及方法的应用例，与实施例2不同的是：

1.流体通道仅有一个，沿着垂直于液体通道延伸方向的方向设置，并处于各个液体通道的外侧；

当流体通道的气体压力变大时，柔性材料受力外凸，并接触第三层的矩形凹槽的底壁，从而分别隔离各个液体通道和连通部，也即实现了各个液体通道间的隔离。

Claims (7)

1.单细胞质谱分析系统，所述单细胞质谱分析系统包括质谱仪，所述质谱仪具有进样口；其特征在于，所述单细胞质谱分析系统还包括：

微流控芯片，所述微流控芯片具有液体进口和多个液体通道；所述多个液体通道设置在所述微流控芯片内部，并与所述液体进口连通；所述液体通道具有出口；

多个细胞捕获单元，所述细胞捕获单元设置在所述液体通道内；

隔离单元，所述隔离单元用于根据需要地实现液体通道间的隔离；所述隔离单元包括隔离件和驱动模块；所述驱动模块包括设置在所述微流控芯片外侧的流体通道以及连通所述流体通道的压力可调的流体源，所述隔离件采用柔性材料，隔离了所述流体通道和微流控芯片内的通道，微流控芯片内的通道为连通部；

多个电极，所述电极设置在所述液体通道内部或外部；

移动单元，所述移动单元用于驱动所述微流控芯片或质谱仪的进样口，使得多个液体通道的出口选择性地对应所述质谱仪的进样口；

所述微流控芯片的内部还有所述连通部，所述液体进口、连通部和液体通道依次连通，所述连通部是具有弧形侧壁的凹槽，侧壁和底壁的连接部具有斜坡；当所述流体通道内的压力变大，所述柔性材料外凸，并接触连通部的底壁、侧壁和斜坡，从而将所述连通部隔离位多个部分，每一部分仅与一个液体通道连通。

2.根据权利要求1所述的单细胞质谱分析系统，其特征在于，所述流体通道设置在连通部的外侧，并延伸到相邻液体通道之间的部分的外侧。

3.根据权利要求1所述的单细胞质谱分析系统，其特征在于，所述流体通道形成在第一层的凹槽内；所述连通部和多个液体通道形成在第三层的凹槽内，柔性材料为第二层的部分或全部，设置在所述第一层和第三层之间。

4.根据权利要求3所述的单细胞质谱分析系统，其特征在于，所述细胞捕获单元用于捕获单个细胞。

5.根据权利要求4所述的单细胞质谱分析系统，其特征在于，所述细胞捕获单元包括至少二个柱体，柱体间的距离小于细胞的直径；所述柱体设置在所述第三层的凹槽的底壁，与第三层一体成型；所述电极设置在所述第二层。

6.根据权利要求1-5任一所述的单细胞质谱分析系统的单细胞质谱分析方法，所述单细胞质谱分析方法包括：

细胞悬浮液通过液体进口，进入各个液体通道内，细胞捕获单元捕获单个细胞，任一液体通道内仅有一个细胞；

萃取液通过液体进口，进入各个液体通道内；

各个液体通道间隔离，各个液体通道内的细胞被萃取；

移动单元调整微流控芯片或质谱仪进样口的位置，使得选择的液体通道的出口对应质谱仪进样口；

电极放电，选择的液体通道内的萃取物质被离子化，从液体通道的出口喷出，离子流进入质谱仪进样口。

7.根据权利要求6所述的单细胞质谱分析方法，其特征在于，所述隔离单元的工作方式为：

提高流体通道内流体的压力，柔性材料向外侧凸起，从而封闭流道。