CN210656895U - 一种微滴式单细胞捕获装置及捕获系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微滴式单细胞捕获装置及捕获系统，单细胞捕获装置包括储液部、设置在所述储液部下方的汇流部及设置在所述汇流部下方的微滴生成针，所述储液部包括多个独立的腔室，各所述腔室上分别设置有出液口，所述汇流部具有汇流腔，所述汇流腔与所述微滴生成针连通，各所述腔室内的液体在外力驱动下能够通过所述出液口进入所述汇流部的汇流腔。本实用新型的单细胞捕获装置中单细胞悬浮液、捕获粒子悬浮液、反应试剂在压力的驱动下，按泊松分布规律，从样本存储腔进入汇流腔汇合并被微滴生成针甩出，形成单细胞微滴，从而实现对单细胞的捕获，捕获后的单细胞可用于细胞分型、单细胞测序文库制备等等。

Description

一种微滴式单细胞捕获装置及捕获系统

技术领域

本实用新型涉及单细胞测序文库制备领域，特别涉及一种微滴式单细胞捕获装置及捕获系统。

背景技术

对于多细胞生物来讲细胞和细胞之间是有差异的，即遗传信息的异质性。例如在肿瘤组织中，肿块中心细胞、肿块周围的细胞其基因组和转录组等遗传信息是存在差异的，这种差异在临床上可决定该肿瘤对某种疗法是否有效。

传统的研究方法是在多细胞水平进行的，如NGS测序，因此最终得到的信号值，其实是多个细胞的平均，丢失了异质性信息。

目前实现单细胞测序的技术为通过流式技术、激光捕获显微切割技术等将单个细胞分离出来，并独立构建测序文库，缺点是通量非常低，这主要是受成本限制，随着待测细胞的个数增长，测序的成本会成线性增加。

现有技术中缺少一种经济成本可控的、测序效率高的单细胞捕获技术。

实用新型内容

为了解决现有技术的问题，本实用新型提供了一种微滴式单细胞捕获装置及捕获系统，利用微滴将细胞进行分离以便后续进行整体建库，所述技术方案如下：

一方面，本实用新型提供了一种微滴式单细胞捕获装置，包括储液部、设置在所述储液部下方的汇流部及设置在所述汇流部下方的微滴生成针，所述储液部包括多个独立的腔室，各所述腔室上分别设置有出液口，所述汇流部具有汇流腔，所述汇流腔与所述微滴生成针连通，各所述腔室内的液体在外力驱动下能够通过所述出液口进入所述汇流部的汇流腔。

进一步地，各所述腔室内的液体在无外力驱动时不能通过所述出液口排出。

进一步地，各所述的腔室上设有排液针，所述排液针的上端部与对应腔室接通，所述的排液针的下端部插入所述的汇流部中且位于所述的汇流腔的开口上方，所述排液针的针口构成所述出液口。

进一步地，各所述腔室的内径大于其所连接的排液针的内径。

可选地，所述的多个腔室对应的多个排液针并列设置。

进一步地，所述排液针的内径范围为60-80um。

进一步地，所述排液针采用不锈钢材料制成。

进一步地，所述汇流腔具有朝上的开口，且所述汇流腔自上而下内径逐渐减小。

进一步地，所述储液部包括外壳体，所述外壳体的下方设有中空的连接部，所述的连接部的下部为自上而下内径逐渐减小的锥体结构，多个所述的排液针被收容在所述外壳体和连接部内，且多个所述的排液针的针头穿过所述连接部的锥壁，且排液针的针口与所述的连接部的锥壁齐平或凸出锥壁。这种结构布局非常巧妙，使得可以很方便和稳定地组装产品的同时，可以保持最小的体积。

进一步地，所述连接部比所述外壳体窄，所述的汇流部的上端可拆卸地套接在所述连接部的上部。

进一步地，所述储液部包括三个或更多个所述的腔室。

进一步地，所述储液部包括用于装载单细胞悬浮液的第一腔室、用于装载标记细胞的捕获粒子的悬浮液的第二腔室以及用于装载反应试剂的第三腔室，所述第一腔室、第二腔室、第三腔室的容积之比为1：1～2：1～2。

进一步地，所述第一腔室、第二腔室、第三腔室的容积分别为20～80ul、20～80ul、20～80ul。

另一方面，本实用新型提供了一种微滴式单细胞捕获系统，包括驱动设备及一个或多个如上所述的单细胞捕获装置，所述驱动设备包括第一动力装置及第二动力装置，所述第一动力装置用于驱动所述单细胞捕获装置的储液部的腔室内的液体从腔室的出液口排出，所述第二动力装置用于驱动所述单细胞捕获装置的微滴生成针进行往复振动，所述的单细胞捕获装置与所述驱动设备相可拆卸地连接。

进一步地，所述驱动设备还包括用于驱动所述单细胞捕获装置沿着上下方向移动的第三动力装置。

可选地，所述第一动力装置为流体驱动机构，通过向所述单细胞捕获装置的储液部的腔室内注油或者注气，以推动各个腔室内的液体从出液口排出并进入汇流腔。

进一步地，所述驱动设备分别具有多个用于连接单细胞捕获装置的连接部和多个第一动力装置，多个单细胞捕获装置的上部分别与多个驱动设备的连接部对应连接，并分别借由所述多个第一动力装置来推动腔室内液体从出液口排出。

进一步地，所述单细胞捕获系统还包括用于装载油液的容器，将所述微滴生成针的针头伸入所述油液的油面以下并进行往复振动从而产生单细胞微滴。

本实用新型提供的技术方案带来的有益效果如下：

a.相比微流控芯片，本实用新型结构更简单，加工成本低；

b.能够兼容现有的微滴生成设备，例如数字PCR液体生成设备，进一步降低成本；

c.可以准确的识别和捕捉细胞，获得的单细胞微滴的一致性好，可用于细胞分型、单细胞测序文库制备，通过一次建库即可测得数百上千个单细胞的信息，提高测序效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例提供的微滴式单细胞捕获装置的立体透视效果图；

图2是本实用新型实施例提供的微滴式单细胞捕获装置的立体图；

图3是本实用新型实施例提供的微滴式单细胞捕获装置的正视图；

图4是本实用新型实施例提供的微滴式单细胞捕获装置的俯视图；

图5是本实用新型实施例提供的微滴式单细胞捕获装置的储液部的立体透视图；

图6是本实用新型实施例提供的微滴式单细胞捕获装置的储液部的正视图；

图7是本实用新型实施例提供的微滴式单细胞捕获装置的汇流部的立体透视图；

图8是本实用新型实施例提供的微滴式单细胞捕获装置的汇流部的正视图；

图9是本实用新型实施例提供的驱动设备与微滴式单细胞捕获装置的配合使用状态图；

图10是本实用新型实施例提供的单细胞微滴的制备过程流程图。

其中，附图标记包括：11-第一腔室，12-第二腔室，13-第三腔室，14-排液针，2-汇流部，20-汇流腔，3-微滴生成针，4-外壳体，41-连接部，5-驱动设备。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本实用新型采用基于标签(barcode)的单细胞识别技术，该技术的主要思路是给每个细胞加上独一无二的DNA序列，这样在测序的时候，就把携带相同barcode序列的核酸视为来自同一个细胞，这样就可以通过一次建库测得数百上千个单细胞的信息。

在本实用新型的一个实施例中，提供了一种微滴式单细胞捕获装置，利用微滴将细胞进行分离以便后续进行整体建库，参见图1，所述单细胞捕获装置包括储液部、设置在所述储液部下方的汇流部2及设置在所述汇流部2下方的微滴生成针3，所述储液部包括多个独立的腔室，各所述腔室上分别设置有出液口，所述汇流部2具有汇流腔20，所述汇流腔20与所述微滴生成针3连通，如图2、图3和图8所示，各所述腔室内的液体在外力驱动下能够通过所述出液口进入所述汇流部2的汇流腔20，各所述腔室内的液体在无外力驱动时不能通过所述出液口排出。

如图1、图5和图6所示，各所述的腔室上设有排液针14，所述排液针14的上端部与对应腔室接通，所述的排液针14的下端部插入所述的汇流部2中且位于所述的汇流腔20的开口上方，如图1和图7所示，所述汇流腔20具有朝上的开口，且所述汇流腔20自上而下内径逐渐减小，所述排液针14的针口构成所述对应腔室的出液口。

如图1和图5所示，各所述腔室的内径大于其所连接的排液针14的内径，优选地，所述排液针14的内径范围为60-80um，由于所述排液针14为微管道结构，因此，各所述腔室内的液体在无外力驱动时不能通过所述排液针14的针口排出。

在本实用新型的一个实施例中，所述的多个腔室对应的多个排液针14并列设置，并列设置的方式包括：如图5，所述多个排液针14在使用状态下平行并竖直向下设置，或者，除了多个排液针14平行设置的方式，多个排液针14具有相同的倾斜角度同样属于并列设置的其中一种实现方式。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述排液针14采用不锈钢材料制成。由于目前大多采用微流控芯片的方式来实现，即在高分子材料、玻璃材料等表面上加工出精细管道，来实现对液体的驱动和操控，加工成本较高，从而造成耗材的成本较高，本实用新型采用传统的加工工艺，用钢针代替微流控芯片管道，可以大大降低成本。

如图1-6所示，所述储液部包括外壳体4，所述外壳体4的下方设有中空的连接部41(参见图6)，所述的连接部41的下部为自上而下内径逐渐减小的锥体结构，多个所述的排液针14被收容在所述外壳体4和连接部41内，且多个所述的排液针14的针头穿过所述连接部41的锥壁(参见图6)，且排液针14的针口与所述的连接部41的锥壁齐平或凸出锥壁，并且，所述连接部41比所述外壳体4窄，所述的汇流部2的上端可拆卸地套接在所述连接部41的上部。

优选地，所述储液部包括三个或更多个所述的腔室，以下以储液部包括三个腔室为例，对所述单细胞捕获装置的应用进行描述：

如图4所示，所述储液部包括第一腔室11、第二腔室12和第三腔室13，所述第一腔室11用于装载单细胞悬浮液，所述第二腔室12用于装载捕获粒子的悬浮液，其中，捕获粒子即gel beads用于对细胞进行标记，所述第三腔室13用于装载反应试剂，具体反应试剂视实际应用场景而定。在向第一腔室11内加入单细胞悬浮液、在第二腔室12中加入捕获粒子的悬浮液以及在第三腔室13内加入反应试剂的前提下，在驱动力的作用下，所述单细胞悬浮液、捕获粒子的悬浮液以及反应试剂同时向下移动并从所述出液口排出，通过对应的排液针14进入汇流腔20进行混合，混合后的液体再通过微滴生成针甩出，形成大小均一的微滴。为了实现“大小均一”，首先，所述单细胞悬浮液和捕获粒子的悬浮液浓度应当等于或接近一比一，其次，所述单细胞悬浮液、捕获粒子的悬浮液和反应试剂的流速应该稳定，三者流速比例优选为1:1:1，这样，按照泊松分布规律，一个细胞和一个捕获粒子以及一定量反应试剂在汇流腔汇合并被微滴生成针甩出去，形成“大小均一”的单细胞微滴。其中，通过微滴生成针的往复振动生成微滴的技术为现有技术，参见申请号为2019100778504的专利申请或者公开号为CN209162064U的专利。

在本实用新型的一个实施例中，提供了一种微滴式单细胞捕获系统，包括驱动设备5及如上所述的单细胞捕获装置，所述的单细胞捕获装置与所述驱动设备相可拆卸地连接，所述驱动设备5包括第一动力装置及第二动力装置，所述第一动力装置用于驱动所述单细胞捕获装置的储液部的腔室内的液体从所述出液口排出，优选地，所述第一动力装置可采用油动或者气动的方式，即所述第一动力装置向所述单细胞捕获装置的储液部的腔室内注油或者注气，以推动各个腔室内的液体进入单细胞捕获装置的汇流部2的汇流腔20进行混合；所述第二动力装置用于驱动所述单细胞捕获装置的微滴生成针3往复振动，以使所述汇流腔20内的混合液通过微滴生成针3排出。优选地，所述单细胞捕获装置还可以设置有上盖，在其未与驱动设备5连接的情况下，或者在向其储液部内加入液体之前，可以利用上盖将其储液部与外部隔离，防止外界环境污染所述储液部的腔室。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述驱动设备5还包括第三动力装置及用于装载油液的容器，所述第三动力装置用于驱动所述单细胞捕获装置沿着上下方向移动，具体地，在所述容器中盛放油液，将所述容器放置在所述单细胞捕获装置的下方，在第三动力装置的驱动下，所述单细胞捕获装置向下移动，直至其微滴生成针3的下端针口浸没在所述容器中的油液中，然后启动第一动力装置和第二动力装置，即可在油液的油面下生成微滴，形成油包水微滴。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述驱动设备5的第一动力装置的数量为多个，如图9所示，所述驱动设备5能够同时与多个单细胞捕获装置配合。

本实用新型实施例中的驱动设备5可以为现有技术中用于微滴生成的驱动设备，即本实用新型实施例中的单细胞捕获装置可以兼容现有技术中的驱动设备，利用相同的所述驱动设备，只需要更换耗材，即可实现不同的功能：配合微滴生成装置，可以实现微滴生成；配合本实用新型实施例中的单细胞捕获装置，即可实现单细胞微滴生成。

利用上述单细胞捕获装置或捕获系统来进行单细胞微滴的制备过程参见图10，包括以下步骤：

S1、将单细胞悬浮液、捕获粒子悬浮液及反应试剂分别装载在三个独立的腔室内，所述腔室具有口径小于或等于80um的出液口；

S2、向所述腔室内施加压力，使单细胞悬浮液、捕获粒子悬浮液及反应试剂从对应的腔室的出液口排出；

S3、使从所述出液口排出的单细胞悬浮液、捕获粒子悬浮液及反应试剂混合，得到混合液；

S4、将所述混合液通入到微滴生成针中，并使微滴生成针的针口插入油面下方，驱使微滴生成针进行往复振动，产生单细胞液滴。

其中，步骤S1中的腔室即为单细胞捕获装置的储液部的第一腔室11、第二腔室12和第三腔室13，所述第一腔室11、第二腔室12、第三腔室13的容积之比为1：1～2：1～2，具体地，所述第一腔室11、第二腔室12、第三腔室13的容积范围分别为20～80ul、20～80ul、20～80ul，优选地三个腔室的容积之比为1:1:1。步骤S3中施加下压压力的设备即为单细胞捕获系统中的驱动设备5的第一动力装置，利用单细胞捕获装置的汇流腔20用于收集步骤S4中混合得到的混合液，步骤S5中利用单细胞捕获系统中的驱动设备5的第二动力装置对所述混合液进行振动。即首先将单细胞悬浮液、捕获粒子悬浮液及反应试剂分别装载在单细胞捕获装置的各腔室内，然后将单细胞捕获装置的储液部与驱动设备连接，最后启动驱动设备，其中先驱使单细胞捕获装置移动至其微滴生成针的针口没入到油面以下，再驱使储液部内的液体进入到混流腔和使微滴生成针进行往复振动。

在本实用新型的一个实施例中，步骤S2中的所述单细胞悬浮液中的单细胞浓度范围为10⁶-10⁸个/ml，所述捕获粒子悬浮液中的捕获粒子浓度范围为10⁶-10⁸个/ml，所述单细胞悬浮液中的单细胞浓度与所述捕获粒子悬浮液中的捕获粒子浓度的浓度比值范围为1:100-100:1，优选为1:1；更优选地，步骤S3中所述单细胞悬浮液、捕获粒子悬浮液及反应试剂在压力作用下的流量比例为1：1：1。

在本实用新型的一个实施例中，提供了一种试剂盒，包括试剂盒容器、密封盖及单细胞微滴，所述单细胞微滴包括混合液滴及包裹在所述混合液滴外部的油相组合物，所述混合液滴包括一个细胞、一个捕获粒子及反应试剂，所述单细胞微滴收容于所述试剂盒容器内，所述密封盖用于将所述试剂盒容器密封。

优选地，所述单细胞微滴的制备过程如下：

S1、将单细胞悬浮液、捕获粒子悬浮液及反应试剂分别装载在三个独立的腔室内，所述腔室具有口径小于或等于80um的出液口；

S2、向所述腔室内施加压力，使单细胞悬浮液、捕获粒子悬浮液及反应试剂从对应的腔室的出液口排出；

S3、使从所述出液口排出的单细胞悬浮液、捕获粒子悬浮液及反应试剂混合，得到混合液；

S4、将所述混合液通入到微滴生成针中，并使微滴生成针的针口插入油面下方，驱使微滴生成针进行往复振动，产生单细胞液滴。

在本实用新型的优选实施例中，利用如上所述的单细胞捕获装置或如上所述的单细胞捕获系统完成单细胞捕获，即步骤S1中的腔室即为单细胞捕获装置的储液部的第一腔室11、第二腔室12和第三腔室13，所述第一腔室11、第二腔室12、第三腔室13的容积之比为1：1～2：1～2，具体地，所述第一腔室11、第二腔室12、第三腔室13的容积范围分别为20～80ul、20～80ul、20～80ul，优选地三个腔室的容积之比为1:1:1。步骤S3中施加下压压力的设备即为单细胞捕获系统中的驱动设备5的第一动力装置，利用单细胞捕获装置的汇流腔20用于收集步骤S4中混合得到的混合液，步骤S5中利用单细胞捕获系统中的驱动设备5的第二动力装置对所述混合液进行振动。即首先将单细胞悬浮液、捕获粒子悬浮液及反应试剂分别装载在单细胞捕获装置的各腔室内，然后将单细胞捕获装置的储液部与驱动设备连接，最后启动驱动设备，其中先驱使单细胞捕获装置移动至其微滴生成针的针口没入到油面以下，再驱使储液部内的液体进入到混流腔和使微滴生成针进行往复振动。

在本实用新型的一个实施例中，步骤S2中的所述单细胞悬浮液中的单细胞浓度范围为10⁶-10⁸个/ml，所述捕获粒子悬浮液中的捕获粒子浓度范围为10⁶-10⁸个/ml，所述单细胞悬浮液中的单细胞浓度与所述捕获粒子悬浮液中的捕获粒子浓度的浓度比值范围为1:100-100:1，优选为1:1；更优选地，步骤S3中所述单细胞悬浮液、捕获粒子悬浮液及反应试剂在压力作用下的流量比例为1：1：1。

综上，本实用新型的单细胞捕获装置中单细胞悬浮液、捕获粒子悬浮液、反应试剂在压力的驱动下，按泊松分布规律，从样本存储腔进入汇流腔汇合并被微滴生成针甩出，形成单细胞微滴，从而实现对单细胞的捕获，捕获后的单细胞可用于细胞分型、单细胞测序文库制备等等。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种微滴式单细胞捕获装置，其特征在于，包括储液部、设置在所述储液部下方的汇流部(2)及设置在所述汇流部(2)下方的微滴生成针(3)，所述储液部包括多个独立的腔室，各所述腔室上分别设置有出液口，所述汇流部(2)具有汇流腔(20)，所述汇流腔(20)与所述微滴生成针(3)连通，各所述腔室内的液体在外力驱动下能够通过所述出液口进入所述汇流部(2)的汇流腔(20)。

2.根据权利要求1所述的单细胞捕获装置，其特征在于，各所述的腔室上设有排液针(14)，所述排液针(14)的上端部与对应腔室接通，所述的排液针(14)的下端部插入所述的汇流部(2)中且位于所述的汇流腔(20)的开口上方，所述排液针(14)的针口构成所述出液口。

3.根据权利要求2所述的单细胞捕获装置，其特征在于，各所述腔室的内径大于其所连接的排液针(14)的内径，所述排液针(14)的内径范围为60-80um。

4.根据权利要求2所述的单细胞捕获装置，其特征在于，所述储液部包括三个或更多个所述的腔室，多个腔室对应的多个排液针(14)并列设置，所述排液针(14)采用不锈钢材料制成。

5.根据权利要求1或2所述的单细胞捕获装置，其特征在于，所述汇流腔(20)具有朝上的开口，且所述汇流腔(20)自上而下内径逐渐减小。

6.根据权利要求2所述的单细胞捕获装置，其特征在于，所述储液部包括外壳体(4)，所述外壳体(4)的下方设有中空的连接部(41)，所述的连接部(41)的下部为自上而下内径逐渐减小的锥体结构，多个所述的排液针(14)被收容在所述外壳体(4)和连接部(41)内，且多个所述的排液针(14)的针头穿过所述连接部(41)的锥壁，且排液针(14)的针口与所述的连接部(41)的锥壁齐平或凸出锥壁。

7.根据权利要求6所述的单细胞捕获装置，其特征在于，所述连接部(41)比所述外壳体(4)窄，所述的汇流部(2)的上端可拆卸地套接在所述连接部(41)的上部。

8.根据权利要求1所述的单细胞捕获装置，其特征在于，所述储液部包括用于装载单细胞悬浮液的第一腔室(11)、用于装载标记细胞的捕获粒子的悬浮液的第二腔室(12)以及用于装载反应试剂的第三腔室(13)，所述第一腔室(11)、第二腔室(12)、第三腔室(13)的容积之比为1：1～2：1～2。

9.根据权利要求8所述的单细胞捕获装置，其特征在于，所述第一腔室(11)、第二腔室(12)、第三腔室(13)的容积分别为20～80ul、20～80ul、20～80ul。

10.一种微滴式单细胞捕获系统，其特征在于，包括驱动设备(5)及一个或多个如权利要求1-9中任意一项所述的单细胞捕获装置，所述驱动设备(5)包括第一动力装置及第二动力装置，所述第一动力装置用于驱动所述单细胞捕获装置的储液部的腔室内的液体从腔室的出液口排出，所述第二动力装置用于驱动所述单细胞捕获装置的微滴生成针进行往复振动，所述的单细胞捕获装置与所述驱动设备相可拆卸地连接。

11.根据权利要求10所述的微滴式单细胞捕获系统，其特征在于，所述驱动设备(5)还包括用于驱动所述单细胞捕获装置沿着上下方向移动的第三动力装置。

12.根据权利要求10所述的微滴式单细胞捕获系统，其特征在于，所述第一动力装置为流体驱动机构，通过向所述单细胞捕获装置的储液部的腔室内注油或者注气，以推动各个腔室内的液体从出液口排出并进入汇流腔(20)。

13.根据权利要求10或12所述的微滴式单细胞捕获系统，其特征在于，所述驱动设备(5)分别具有多个用于连接单细胞捕获装置的连接部和多个第一动力装置，多个单细胞捕获装置的上部分别与多个驱动设备(5)的连接部对应连接，并分别借由所述多个第一动力装置来推动腔室内液体从出液口排出。

14.根据权利要求13所述的微滴式单细胞捕获系统，其特征在于，所述单细胞捕获系统还包括用于装载油液的容器，将所述微滴生成针(3)的针头伸入所述油液的油面以下并进行往复振动从而产生单细胞微滴。

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