CN107828651A - 一种用于单细胞微液滴样品制备的微流控芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微流控芯片技术领域，具体的说是一种用于单细胞微液滴样品制备的微流控芯片，包括芯片本体和分布在芯片本体上的单细胞微液滴样品制备单元和空白液滴去除单元，所述的单细胞微液滴样品制备单元和空白液滴去除单元通过微流控芯片的微通道连接；本发明通过单细胞微液滴样品制备单元和空白液滴去除单元实现高通量、高占比单细胞微液滴样品制备；通过控制空白液滴去除单元微结构的尺寸，可以实现对不同细胞样品进行筛选；从而实现细胞微液滴样品制备中微液滴的95%包裹细胞，对于后续基于微液滴的细胞培养、单细胞原位荧光检测、单细胞PCR等提高生物试剂使用率、提高实验结果筛查效率，降低了工作量及生物试剂成本。

Description

一种用于单细胞微液滴样品制备的微流控芯片
技术领域
本发明涉及微流控芯片技术领域，具体的说是一种用于单细胞微液滴样品制备的微流控芯片。
背景技术
生物样品处理，包括细胞、细菌、蛋白质、DNA等，在生物实验中往往起到至关重要的作用，特别是涉及到最前沿的单细胞测序、单细胞筛选、数字PCR等生物和医学实验。另外，在癌症的早期诊断、临床治疗、愈后检测、药物筛选过程中，涉及到一种循环肿瘤细胞。循环肿瘤细胞是由原发灶中的癌细胞脱离后进入到外周血循环***中，由于其具有原癌的细胞信息，以其作为标志物在癌症研究中具有重要意义。然而，循环肿瘤细胞在外周血中的数量非常稀少，是红细胞或白细胞等正常血细胞的亿分之一。因此，如何分离和纯化，甚至提取循环肿瘤细胞，具有很大挑战。目前，循环肿瘤细胞的捕获和分离需要借助抗原抗体来实现，但分离效率低，细胞纯度低，对于后续细胞及分子水平研究，造成影响。如何减少正常细胞的干扰，在样品前处理非常关键。目前细胞样品前处理，一方面是通过梯度离心实现，另一方面是通过微流控芯片微液滴技术实现。由于细胞的尺寸一般在微米级，因此，微流控芯片微液滴技术在细胞样品处理中得到广泛应用。细胞在微液滴中，可以避免与其他细胞相互干扰。然而，利用微流控芯片制备细胞样品，存在一定的局限性。制备出来的样品中，空白液滴占比较大，包裹一个细胞，两个细胞，三个或三个以上细胞的液滴所占比例，呈现正太分布，但含有细胞的微液滴，总体比例不到30%。由于微液滴的体积非常小，在皮升或纳升数量级，一般生物样品制备成微液滴状态后，数量以千万计。因此，如何去除空白液滴，对于单细胞样品制备非常重要，减少细胞处理数量，节约时间成本。因此，通过微流控芯片的通道设计，来实现空白液滴的去除，提高单细胞液滴的比例，具有重要应用领域。
发明内容
为了解决上述现有微流控芯片中存在的问题，本发明提供一种用于单细胞微液滴样品制备的微流控芯片，解决现有微流控芯片细胞微液滴样品处理中空白液滴占比大导致后续生物分析中工作量大、效率低、耗时长等技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种用于单细胞微液滴样品制备的微流控芯片，包括芯片本体和分布在芯片本体上的单细胞微液滴样品制备单元和空白液滴去除单元，所述单细胞微液滴样品制备单元包括连接外部细胞样品的细胞样品进样单元、连接外部油相的油相进样单元和微液滴样品制备单元，所述微液滴样品制备单元是以T型或十字形结构连接细胞样品进样单元和油相进样单元并通过流体剪切力实现微液滴的制备；所述空白液滴去除单元包括连接外部油相的第二油相进样单元，空白液滴去除双重高度微结构、用于连接外部样品收集器的单细胞微液滴收集单元和用于连接外部空白微液滴收集器的空白微液滴收集单元，所述第二油相进样单元接入第二油相后使所述微液滴流经空白液滴分离微结构，所述空白液滴去除双重高度微结构通过高度差及细胞核所具有一定强度的特性，实现空白微液滴和包裹有细胞的微液滴分离，所述的单细胞微液滴样品制备单元和空白液滴去除单元通过微流控芯片的微通道连接。
进一步地，所述微液滴样品制备单元包括：T型沟道、十字型沟道、Y型沟道、同轴型通道。
进一步地，所述空白液滴去除单元包括空白微液滴分离通道和分离通道支撑结构。
优选地，所述空白微液滴分离通道的高度为1～15微米，宽度在1～200微米，长度在10～1000微米。
优选地，所述分离通道支撑结构高度为1～15微米，宽度在1～200微米，长度在1～100微米。
进一步地，所述微流控芯片的材料为聚二甲基硅氧烷，玻璃，聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯。
优选地，所述微流控芯片是通过将含有微通道的聚二甲基硅烷、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯与玻璃基底通过氧等离子体键合制备而成。
优选地，所述的微流控芯片是通过将含有微通道的聚二甲基硅烷、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯与聚二甲基硅氧烷基底通过氧等离子体键合制备而成。
进一步地，所述细胞样品进样单元、油相进样单元和第二油相进样单元是通过注射泵注射进入微流控芯片。
优选地，细胞样品进样单元、油相进样单元和第二油相进样单元是气压产生的正压迫使样品进入微流控芯片。
进一步地，所述微流控芯片微通道，除了空白微液滴分离通道，其余微通道的高度为10 ～ 200 微米，宽度为10 ～500微米。
进一步地，含有所述空白微液滴分离通道的掩模层与其他微通道的掩模层通过双层光刻来实现。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：本发明提供的单细胞微液滴样品制备的微流控芯片，通过单细胞微液滴样品制备单元和空白液滴去除单元实现高通量、高占比单细胞微液滴样品制备；并进一步地，通过控制空白液滴去除单元微结构的尺寸，可以实现对不同细胞样品进行筛选；从而实现细胞微液滴样品制备中微液滴的95%包裹细胞，对于后续基于微液滴的细胞培养、单细胞原位荧光检测、单细胞PCR等提高生物试剂使用率、提高实验结果筛查效率，降低了工作量及生物试剂成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的微流控芯片结构示意图；
图2为本发明的微流控芯片原理图；
图3为本发明的空白液滴去除单元微结构示意图；
图4为本发明的空白液滴去除单元微结构侧视图；
图5为本发明的微流控芯片光刻掩模层一；
图6为本发明的微流控芯片光刻掩模层二；
图7为本发明的微流控芯片光刻掩模层一和用于单细胞微液滴样品制备的微流控芯片光刻掩模层二对准效果图。
图8为本发明的空白微液滴分离通道的电子扫描显微镜图。
图中：0、微流控芯片，1、单细胞微液滴样品制备单元，11、油相进样单元，12、细胞样品进样单元，13、微液滴样品制备单元，2、空白液滴去除单元，21、第二油相进样单元，22、空白微液滴收集单元，23、单细胞微液滴收集单元，24、空白液滴去除双重高度微结构，241、空白微液滴分离通道，242、分离通道支撑结构，33、微液滴制备通道，34、空白微液滴收集通道，4、微流控芯片光刻掩模层一，41～43、光刻对准图形一，5、微流控芯片光刻掩模层二，51～53、光刻对准图形二。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-图8所示，本发明所述的一种用于单细胞微液滴样品制备的微流控芯片，包括芯片本体和分布在芯片本体上的单细胞微液滴样品制备单元1和空白液滴去除单元2，所述单细胞微液滴样品制备单元1包括连接外部细胞样品的细胞样品进样单元12、连接外部油相的油相进样单元11和微液滴样品制备单元13，所述微液滴样品制备单元13是以T型或十字形结构连接细胞样品进样单元12和油相进样单元11并通过流体剪切力实现微液滴的制备；所述空白液滴去除单元2包括连接外部油相的第二油相进样单元21，空白液滴去除双重高度微结构24、用于连接外部样品收集器的单细胞微液滴收集单元23和用于连接外部空白微液滴收集器的空白微液滴收集单元22，所述第二油相进样单元21接入第二油相后使微液滴流经空白液滴分离微结构，所述空白液滴去除双重高度微结构24通过高度差及细胞核所具有一定强度的特性，实现空白微液滴和包裹有细胞的微液滴分离，所述的单细胞微液滴样品制备单元1和空白液滴去除单元2通过微流控芯片的微通道连接。
进一步地，所述微液滴样品制备单元1包括：T型沟道、十字型沟道、Y型沟道、同轴型通道。
进一步地，所述空白液滴去除单元2包括空白微液滴分离通道241和分离通道支撑结构242。
优选地，所述空白微液滴分离通道241的高度为1～15微米，宽度在1～200微米，长度在10～1000微米。
优选地，所述分离通道支撑结构242高度为1～15微米，宽度在1～200微米，长度在1～100微米。
进一步地，所述微流控芯片的材料为聚二甲基硅氧烷，玻璃，聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯。
优选地，所述微流控芯片是通过将含有微通道的聚二甲基硅烷、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯与玻璃基底通过氧等离子体键合制备而成。
优选地，所述的微流控芯片是通过将含有微通道的聚二甲基硅烷、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯与聚二甲基硅氧烷基底通过氧等离子体键合制备而成。
进一步地，所述细胞样品进样单元12、油相进样单元11和第二油相进样单元21是通过注射泵注射进入微流控芯片。
优选地，细胞样品进样单元12、油相进样单元11和第二油相进样单元21是气压产生的正压迫使样品进入微流控芯片。
进一步地，所述微流控芯片微通道，除了空白微液滴分离通道，其余微通道的高度为10 ～ 200 微米，宽度为10 ～500微米。
进一步地，含有所述空白微液滴分离通道241的掩模层与其他微通道的掩模层通过双层光刻来实现。
本发明提供的单细胞微液滴样品制备的微流控芯片，通过单细胞微液滴样品制备单元和空白液滴去除单元实现高通量、高占比单细胞微液滴样品制备；并进一步地，通过控制空白液滴去除单元微结构的尺寸，可以实现对不同细胞样品进行筛选；从而实现细胞微液滴样品制备中微液滴的95%包裹细胞，对于后续基于微液滴的细胞培养、单细胞原位荧光检测、单细胞PCR等提高生物试剂使用率、提高实验结果筛查效率，降低了工作量及生物试剂成本。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种用于单细胞微液滴样品制备的微流控芯片，其特征在于，包括芯片本体和分布在芯片本体上的单细胞微液滴样品制备单元和空白液滴去除单元，所述单细胞微液滴样品制备单元包括连接外部细胞样品的细胞样品进样单元、连接外部油相的油相进样单元和微液滴样品制备单元，所述微液滴样品制备单元是以T型或十字形结构连接细胞样品进样单元和油相进样单元并通过流体剪切力实现微液滴的制备；所述空白液滴去除单元包括连接外部油相的第二油相进样单元，空白液滴去除双重高度微结构、用于连接外部样品收集器的单细胞微液滴收集单元和用于连接外部空白微液滴收集器的空白微液滴收集单元，所述第二油相进样单元接入第二油相后使所述微液滴流经空白液滴分离微结构，所述空白液滴去除双重高度微结构通过高度差及细胞核所具有一定强度的特性，实现空白微液滴和包裹有细胞的微液滴分离，所述的单细胞微液滴样品制备单元和空白液滴去除单元通过微流控芯片的微通道连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于单细胞微液滴样品制备的微流控芯片，其特征在于：所述微液滴样品制备单元包括：T型沟道、十字型沟道、Y型沟道、同轴型通道。
3.根据权利要求1所述的一种用于单细胞微液滴样品制备的微流控芯片，其特征在于：所述空白液滴去除单元包括空白微液滴分离通道和分离通道支撑结构，所述空白微液滴分离通道的高度为1～15微米，宽度在1～200微米，长度在10～1000微米，所述分离通道支撑结构高度为1～15微米，宽度在1～200微米，长度在1～100微米。
4.根据权利要求1所述的一种用于单细胞微液滴样品制备的微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片的材料为聚二甲基硅氧烷，玻璃，聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯。
5.根据权利要求4所述的一种用于单细胞微液滴样品制备的微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片是通过将含有微通道的聚二甲基硅烷、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯与玻璃基底通过氧等离子体键合制备而成。
6.根据权利要求4所述的一种用于单细胞微液滴样品制备的微流控芯片，其特征在于：所述的微流控芯片是通过将含有微通道的聚二甲基硅烷、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯与聚二甲基硅氧烷基底通过氧等离子体键合制备而成。
7.根据权利要求1所述的一种用于单细胞微液滴样品制备的微流控芯片，其特征在于：所述细胞样品进样单元、油相进样单元和第二油相进样单元是通过注射泵注射进入微流控芯片。
8.根据权利要求1所述的一种用于单细胞微液滴样品制备的微流控芯片，其特征在于：所述细胞样品进样单元、油相进样单元和第二油相进样单元是气压产生的正压迫使样品进入微流控芯片。
9.根据权利要求1所述的一种用于单细胞微液滴样品制备的微流控芯片，其特征在于：所述微流控芯片微通道，除了空白微液滴分离通道，其余微通道的高度为10 ～ 200 微米，宽度为10 ～500微米。
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