CN114910546B - 基于萃取技术的单细胞质谱分析装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于萃取技术的单细胞质谱分析装置和方法,所述基于萃取技术的单细胞质谱分析装置包括细胞容器、成像单元和质谱仪,所述质谱仪包括进样口;还包括:毛细针具有第二开口端和允许细胞进入的第一开口端,所述第一开口端和第二开口端之间具有至少一个弯折部,电极设置在细胞通道内,所述细胞通道处于所述毛细针内,且细胞通道的一端为所述弯折部;驱动单元连接所述毛细针的第二开口端,用于驱动所述细胞通道内的细胞正向和反向移动;移动单元用于移动所述毛细针,使得所述第一开口端对应所述细胞容器内选择的细胞,以及对应所述进样口。本发明具有结构简单、检测通量高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及细胞分析,特别涉及基于萃取技术的单细胞质谱分析装置和方法。
背景技术
细胞是组成生命体的基本单元,了解复杂多变环境中单个细胞各个阶段的变化以及行为,需要单细胞分析的方法。
在分析仪器领域,质谱仪代表着灵敏度和选择性的顶峰,不仅有着极低的检测极限,同时又有着绝佳的根据分子量和裂解规律区分分子的能力,是主流分析技术中能够同时做定性和定量分析的技术以及唯一可以确定分子量的方法。
由于质谱法无需标记,不需要事先获知待测分子的信息,因此,能够对细胞中各种未知成分进行快速鉴定,获得细胞中蛋白质乃至小分子代谢物的组学信息。此外,质谱能够容易地获得各组分分子的同位素信息,采用同位素内标和稀释技术,可以实现细胞中各种待测分子的精准定量。因此,质谱单细胞分析最近受到高度重视,被认为在单细胞的组学分析研究中将会发挥重要作用。
目前单细胞质谱的检测方法主要有三类,分别为:
1.质谱流式细胞法,利用质谱原理对单细胞进行多参数检测,既继承了传统流式细胞仪的高速分析特点,又具有质谱检测的高分辨能力,但需要金属标签抗体,同时非常复杂。
2.荧光流式细胞法,当同时进行多指标的检测时,由于荧光光谱的重叠以及染料的限制,最多可同时检测18个指标,通量很低,无法满足大批量需求。
3.质谱显微操作细胞法,基本原理:采用单液滴萃取,并利用电喷雾离子源离子化。该方法不足在于:需要获取皮升级单液滴,目前皮升级单液滴由于其体积过小,容易挥发,且形成不稳定,经常导致无法形成离子化喷雾,单次操作无效。
发明内容
为解决上述现有技术方案中的不足,本发明提供了一种基于萃取技术的单细胞质谱分析装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
基于萃取技术的单细胞质谱分析装置,所述基于萃取技术的单细胞质谱分析装置包括细胞容器、成像单元和质谱仪,所述质谱仪包括进样口;所述基于萃取技术的单细胞质谱分析装置还包括:
毛细针和电极,所述毛细针具有第二开口端和允许细胞进入的第一开口端,所述第一开口端和第二开口端之间具有至少一个弯折部,所述电极设置在细胞通道内,所述细胞通道处于所述毛细针内,且细胞通道的一端为所述弯折部;
驱动单元,所述驱动单元连接所述毛细针的第二开口端,用于驱动所述细胞通道内的细胞正向和反向移动;
移动单元,所述移动单元用于移动所述毛细针,使得所述第一开口端对应所述细胞容器内选择的细胞,以及对应所述进样口。
本发明的另一目的在于提供了基于萃取技术的质谱分析方法,该发明目的是通过以下技术方案得以实现的:
基于萃取技术的质谱分析方法,所述基于萃取技术的质谱分析方法包括细胞捕获阶段、萃取阶段和进样阶段;所述萃取阶段为:
驱动单元驱动毛细针内萃取液在细胞通道内正向和反向移动,随着萃取液移动的细胞撞击细胞通道内的电极和毛细针的弯折部内壁,从而完成萃取;
所述毛细针具有第二开口端和允许细胞进入的第一开口端,所述第一开口端和第二开口端之间具有至少一个弯折部,所述细胞通道处于所述毛细针内,且细胞通道的一端为所述弯折部。
与现有技术相比,本发明具有的有益效果为:
1.本技术方案无需金属标签抗体,更为简单快捷;
2.本技术方案利用了质谱分析技术,可以实现高通量检测;
3.本技术方案不需要单液滴萃取,利用细胞在细胞通道(处于第二开口端和临近其的第一个弯折部间的毛细针内)内机械运动产生的剪切力和由溶霉菌制成的萃取液的化学反应结合萃取,且仅需一个移动单元,如机械臂、一个毛细针即可实现单细胞质谱检测,结构简单;
利用离子化所需的电极片作为传感器,测定样品导电率,进而测定细胞萃取率,无需增加新的装置,结构简单、结果准确。
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的基于萃取技术的单细胞质谱分析装置的结构示意图;
图2是根据本发明实施例的毛细针和电极的结构示意图。
具体实施方式
图1-2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。为了解释本发明技术方案,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:
图1示意性地给出了本发明实施例1的基于萃取技术的单细胞质谱分析装置的结构图,如图1所示,所述基于萃取技术的单细胞质谱分析装置包括:
细胞容器301,所述细胞容器301用于容纳细胞302;
成像单元4,所述成像单元设置在所述细胞容器301的下侧,用于捕获所细胞容器301内细胞302的图像,从而定位细胞302;
质谱仪5,所述质谱仪包括进样口;
毛细针2和电极7,如图2所示,所述毛细针2具有第二开口端22和允许细胞302进入的第一开口端21,所述第一开口端21和第二开口端22之间具有至少一个弯折部23,所述电极7设置在细胞通道24内,所述细胞通道24处于所述毛细针2内,且细胞通道24的一端为所述弯折部23;
驱动单6元,所述驱动单元6连接所述毛细针2的第二开口端22,用于驱动所述细胞通道24内的细胞302正向和反向移动;
移动单元1,所述移动单元1用于移动所述毛细针2,使得所述第一开口端21对应所述细胞容器301内选择的细胞302,以及对应所述进样口。
为了提高萃取效果,进一步地,经过所述弯折部23后,所述毛细针2内流体速度方向的偏转角度的补角是直角或锐角。
为了监控萃取过程,进一步地,所述基于萃取技术的单细胞质谱分析装置还包括:
检测单元,所述检测单元连接所述电极7,获得导电率;
计算单元,所述计算单元根据所述导电率获得导电率的变化,以及所述导电率的变化间的差值;
判断单元和控制器,所述判断单元用于判断所述差值是否小于阈值,判断结果送所述控制器;
若所述差值小于阈值,控制器向所述驱动单元6发出停止工作的指令;
若所述差值不小于阈值,所述控制器向所述驱动单元6发出继续工作的指令。
为了降低分析难度,进一步地,所述细胞通道24处于所述第二开口端22和临近所述第二开口端22的第一个弯折部23之间的毛细针2内。
本发明实施例的基于萃取技术的质谱分析方法,所述基于萃取技术的质谱分析方法包括细胞捕获阶段、萃取阶段和进样阶段;所述萃取阶段为:
驱动单元6驱动毛细针2内萃取液在细胞通道24内正向和反向移动,随着萃取液移动的细胞302撞击细胞通道24内的电极7和毛细针2的弯折部23内壁,从而完成萃取;
所述毛细针2具有第二开口端22和允许细胞302进入的第一开口端21,所述第一开口端21和第二开口端22之间具有至少一个弯折部23,所述细胞通道24处于所述毛细针2内,且细胞通道24的一端为所述弯折部23。
为了监控萃取过程,进一步地,在萃取阶段中,所述电极7检测导电率;
根据所述导电率获得导电率的变化,以及所述导电率的变化间的差值;
判断所述差值是否小于阈值,判断结果送控制器;
若所述差值小于阈值,控制器向所述驱动单元6发出停止工作的指令;
若所述差值不小于阈值,所述控制器向所述驱动单元6发出继续工作的指令。
为了提高萃取效果,进一步地,所述细胞通道24处于第二开口端22和临近所述第二开口端22的第一个弯折部23之间的毛细针2内。
为了选择细胞302,进一步地,所述细胞捕获阶段为:
成像单元4获得细胞容器301内细胞302的图像,从而获得选择的细胞302的位置;
移动单元1移动所述毛细针2,使得所述第一开口端21对应所述细胞容器301内选择的细胞302;
驱动单元6驱动所述毛细针2内的萃取液正向移动,所述选择的细胞302穿过所述第一开口端21进入所述毛细针2,到达所述细胞通道24内。
为了实现离子进样,进一步地,所述进样阶段为:
驱动单元6驱动所述毛细针2内的液体反向移动,所述液体移动到所述第一开口端21;
所述电极7放电,溶液被离子化,离子进入质谱仪5的进样口。
为了确保萃取效果,进一步地,在所述萃取阶段中,萃取液在细胞通道24内的运动速率v满足:
,σ是维持所述细胞302所需的综合维持力,单位为牛,d是细胞302直径,单位是米,m是细胞302质量,单位为千克,μ是所述萃取液的黏度,单位是Pa·s,y是所述细胞通道24的长度,单位为米,θ是经过所述弯折部23后,所述毛细针2内萃取液速度方向的偏转角度的补角,单位为度。
实施例2:
根据本发明实施例1的基于萃取技术的单细胞质谱分析装置和方法在膀胱癌单细胞分析中的应用例。
在本应用例中,如图1所示,移动单元1采用机械臂,驱动毛细针2三维移动;驱动单元6采用泵,连通毛细针2的第二开口端22,实现了毛细针2细胞通道24内萃取液的正向和反向移动;细胞容器301采用培养皿,成像单元4采用相机;
如图2所示,毛细针2的第一开口端21和第二开口端22间仅有一个弯折部23,萃取液经过所述弯折部23后,速度方向的偏转角度的补角是直角;细胞通道24处于所述第二开口端22和弯折部23之间,电极7处于所述细胞通道24内;
检测单元连接所述电极7,获得导电率;计算单元根据所述导电率获得导电率的变化,以及所述导电率的变化间的差值;判断单元用于判断所述差值是否小于阈值,如零,判断结果送控制器;若所述差值小于阈值,控制器向所述驱动单元6发出停止工作的指令;若所述差值不小于阈值,所述控制器向所述驱动单元6发出继续工作的指令。
本发明实施例的基于萃取技术的质谱分析方法,也即根据本实施例的质谱分析装置的工作方法,所述基于萃取技术的质谱分析方法包括细胞捕获阶段、萃取阶段和进样阶段;
所述细胞捕获阶段为:
成像单元4获得细胞容器301内细胞302的图像,从而获得选择的细胞302的位置以及细胞302的直径d=10.25μm,细胞质量m=4.023×10-3g(由于细胞中水分占比很高,可认为细胞密度等于水密度);
移动单元1移动所述毛细针2,使得所述第一开口端21对应所述细胞容器301内选择的细胞302;
驱动单元6驱动所述毛细针2内的萃取液正向移动,所述选择的细胞302穿过所述第一开口端21进入所述毛细针2,到达所述细胞通道24内;
所述萃取阶段为:
驱动单元6驱动毛细针2内萃取液在细胞通道24内正向和反向移动,随着萃取液移动的细胞302撞击细胞通道24内电极7和毛细针2的弯折部23内壁,从而完成萃取,萃取液在细胞通道24内的运动速率v满足:
=0.661m/s,σ是维持所述细胞302所需的综合维持力,具体为394.4nN,d是细胞302直径,单位是米,m是细胞302质量,单位为千克,μ是所述萃取液的黏度,具体是3.18×10-3Pa·s,y是所述细胞通道24的长度,单位为米,θ是经过所述弯折部23后,所述毛细针2内萃取液速度方向的偏转角度的补角,具体为90度;
萃取完成的判断方式为:
检测单元利用所述电极7检测导电率Ki;
计算单元根据所述导电率Ki获得导电率的变化,如Kn-K(n-1)、K(n-2)- K(n-3),以及所述导电率的变化间的差值(Kn-K(n-1))-(K(n-2)- K(n-3));
判断单元判断所述差值是否小于阈值,本实施例的阈值是零,判断结果送控制器;
若所述差值小于阈值,控制器向所述驱动单元6发出停止工作的指令;
若所述差值不小于阈值,所述控制器向所述驱动单元6发出继续工作的指令。
为了提高萃取效果,进一步地,所述细胞通道24处于第二开口端22和临近所述第二开口端22的第一个弯折部23之间的毛细针2内;
所述进样阶段为:
驱动单元6驱动所述毛细针2内的液体反向移动,所述液体移动到所述第一开口端21;
所述电极7放电,溶液被离子化,离子进入质谱仪5的进样口。
实施例3:
根据本发明实施例1的基于萃取技术的单细胞质谱分析装置和方法在膀胱癌单细胞分析中的应用例,与实施例2不同的是:
1.毛细针的第一开口端和第二开口端之间具有多个弯折部,如2或3个弯折部。
2.细胞通道设置在第一个弯折部和第二弯折部之间的毛细针内,电极处于所述细胞通道内。
3.萃取液分别通过第一个弯折部以及第二弯折部后,速度方向的偏转角度的补角是钝角,如120度、135度等。
Claims (10)
1.基于萃取技术的单细胞质谱分析装置,所述基于萃取技术的单细胞质谱分析装置包括细胞容器、成像单元和质谱仪,所述质谱仪包括进样口;其特征在于,所述基于萃取技术的单细胞质谱分析装置还包括:
毛细针和电极,所述毛细针具有第二开口端和允许细胞进入的第一开口端,所述第一开口端和第二开口端之间具有至少一个弯折部,所述电极设置在细胞通道内,所述细胞通道处于所述毛细针内,且细胞通道的一端为所述弯折部;
驱动单元,所述驱动单元连接所述毛细针的第二开口端,用于驱动所述细胞通道内的细胞正向和反向移动;
移动单元,所述移动单元用于移动所述毛细针,使得所述第一开口端对应所述细胞容器内选择的细胞,以及对应所述进样口。
2.根据权利要求1所述的基于萃取技术的单细胞质谱分析装置,其特征在于,经过所述弯折部后,所述毛细针内流体速度方向的偏转角度的补角是直角或锐角。
3.根据权利要求1所述的基于萃取技术的单细胞质谱分析装置,其特征在于,所述基于萃取技术的单细胞质谱分析装置还包括:
检测单元,所述检测单元连接所述电极,获得导电率;
计算单元,所述计算单元根据所述导电率获得导电率的变化,以及所述导电率的变化间的差值;
判断单元和控制器,所述判断单元用于判断所述差值是否小于阈值,判断结果送所述控制器;
若所述差值小于阈值,控制器向所述驱动单元发出停止工作的指令;
若所述差值不小于阈值,所述控制器向所述驱动单元发出继续工作的指令。
4.根据权利要求1所述的基于萃取技术的单细胞质谱分析装置,其特征在于,所述细胞通道处于所述第二开口端和临近所述第二开口端的第一个弯折部之间的毛细针内。
5.基于萃取技术的质谱分析方法,所述基于萃取技术的质谱分析方法包括细胞捕获阶段、萃取阶段和进样阶段;其特征在于,所述萃取阶段为:
驱动单元驱动毛细针内萃取液在细胞通道内正向和反向移动,随着萃取液移动的细胞撞击细胞通道内的电极和毛细针的弯折部内壁,从而完成萃取;
所述毛细针具有第二开口端和允许细胞进入的第一开口端,所述第一开口端和第二开口端之间具有至少一个弯折部,所述细胞通道处于所述毛细针内,且细胞通道的一端为所述弯折部;所述驱动单元连接所述毛细针的第二开口端。
6.根据权利要求5所述的基于萃取技术的质谱分析方法,其特征在于,在萃取阶段中,所述电极检测导电率;
根据所述导电率获得导电率的变化,以及所述导电率的变化间的差值;
判断所述差值是否小于阈值,判断结果送控制器;
若所述差值小于阈值,控制器向所述驱动单元发出停止工作的指令;
若所述差值不小于阈值,所述控制器向所述驱动单元发出继续工作的指令。
7.根据权利要求5所述的基于萃取技术的质谱分析方法,其特征在于,所述细胞通道处于第二开口端和临近所述第二开口端的第一个弯折部之间的毛细针内。
8.根据权利要求5 所述的基于萃取技术的质谱分析方法,其特征在于,所述细胞捕获阶段为:
成像单元获得细胞容器内细胞图像,从而获得选择的细胞的位置;
移动单元移动所述毛细针,使得所述第一开口端对应所述细胞容器内选择的细胞;
驱动单元驱动所述毛细针内的萃取液正向移动,所述选择的细胞穿过所述第一开口端进入所述毛细针,到达所述细胞通道内。
9.根据权利要求5 所述的基于萃取技术的质谱分析方法,其特征在于,所述进样阶段为:
驱动单元驱动所述毛细针内的液体反向移动,所述液体移动到所述第一开口端;
所述电极放电,溶液被离子化,离子进入质谱仪的进样口。
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