CN109894174A - 一种便携式单微粒移液器及单微粒捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式单微粒移液器及单微粒捕获方法。便携式单微粒移液器包括芯片和外接流体控制单元，其中该芯片结构包括双通路型微流体通道、颗粒捕获区域、正负压接口。该移液器使用步骤包括：(1)将移液器一端浸没于颗粒悬浮液样品中，使用外接流体控制装置产生负压吸取颗粒悬浮液样品。(2)将移液器转移至清洗液中，再次通过负压，吸取清洗液，用于洗去多余的颗粒样品。(3)向正压接口通入正压，一次性将含有单微粒的液体压出。本发明可应用于生物、化学、医疗诊断、测序等研究应用领域。

Description

一种便携式单微粒移液器及单微粒捕获方法

技术领域

本发明涉及一种便携式单微粒移液器，应用于生物、化学检测分析、医疗诊断、测序等领域。

背景技术

单微粒的分离尤其是单细胞、单微球的挑取对于生化分析、医疗诊断等领域有着重要意义。传统的单微粒分离主要借助流式分选仪等大型仪器或者基于气动阀等调控的微流控芯片来实现。然而，流式分选仪价格昂贵，需要大量的样品从而才能分选出单个微粒，这会导致样品的浪费，不适合稀有样品的分离。其余的自动化设备需要配套的软件和特定的程序操控，设备复杂成本高。而现已报道的基于微流控的单微粒分选装置大部分都需要依赖复杂的阀、泵等设备，操作复杂，必须在专业的实验室等环境中进行。基于现有的单微粒分离方法操作复杂、使用环境受限等缺点，本发明设计了一种便携式单微粒移液器，仅需借助注射器或者移液枪等常见器材进行样品的获取、清洗、释放，即可实现对单微粒的捕获。

发明内容

本发明的主要目的，在于提供一种便携式单微粒移液器。

本发明的技术方案如下：

一种便携式单微粒移液器，包括：

一芯片，其中，所述的芯片内具有微流体通道，所述的微流体通道具有一弯折形成U形通道的区域，其中，U形臂的两端靠近，并在U形开口处的两端部之间形成第二通道，所述的第二通道的直径小于待捕获微粒，且该第二通道具有喇叭口形状，喇叭口最宽处的直径大于待捕获微粒，喇叭口的窄端直径小于待捕获颗粒，喇叭口区域形成单微粒捕获区域；所述微流体通道包括一溶液出入口，以及一正压口和一负压口，其中，溶液出入口连接U形的一端，且芯片向其中一侧面延伸设有一用于***液体中的突出部，所述溶液出入口位于该突出部上；连接正压口的管路和负压口的管路汇合后，连接U形的另一端；两个外接流体控制单元，其中一个连接于正压口，另一个连接于负压口。

优选地，所述的外接流体控制单元为注射器或是移液枪。

本发明中，所述微流控芯片的单颗粒捕获区用于颗粒的固定，该区域形状包括圆形、三角形、方形以及椭圆形；

优选地，所述单微粒捕获区为入口宽出口窄的结构，入口端宽度为5μm-1mm，出口段宽度为1μm-900μm，该区域深度范围为1μm-1mm。

优选地，微液体通道经过疏水处理。

本发明的又一技术方案为：

一种便携式单微粒移液器，包括一芯片，其中，所述的芯片内具有两个微流体通道，每个所述的微流体通道具有一弯折形成U形通道的区域，其中，U形臂的两端靠近，并在U形开口处的两端部之间形成第二通道，所述的第二通道的直径小于待捕获微粒，且该第二通道具有喇叭口形状，喇叭口最宽处的直径大于待捕获微粒，喇叭口的窄端直径小于待捕获颗粒，喇叭口区域形成单微粒捕获区；

所述微流体通道包括两个溶液出入口，以及一正压口和一负压口，其中，每个溶液出入口分别连接一微流体通道的U形的一端；每个微流体通道U形的另一端，分别和连接正压口的管路和连接负压口的管路汇合之后的汇合管路连接；且芯片向其中一侧面延伸设有两个用于***液体中的突出部，所述两个溶液出入口分别位于这两个突出部上；

两个外接流体控制单元，其中一个连接于正压口，另一个连接于负压口。

本发明的又一技术方案为：

一种便携式单微粒移液器，包括一芯片，其中，所述的芯片内具有四个微流体通道，每个所述的微流体通道具有一弯折形成U形通道的区域，其中，U形臂的两端靠近，并在U形开口处的两端部之间形成第二通道，所述的第二通道的直径小于待捕获微粒，且该第二通道具有喇叭口形状，喇叭口最宽处的直径大于待捕获微粒，喇叭口的窄端直径小于待捕获颗粒，喇叭口区域形成单微粒捕获区；

所述微流体通道包括四个溶液出入口，以及左、右两个正压口和一个负压口，其中，每个溶液出入口分别连接一微流体通道的U形的一端，每个微流体通道U形的另一端的管路分别分叉，两个微流体通道的第一支路汇合后，连接左正压口；另两个微流体通道的第一支路汇合后，连接右正压口；且芯片向其中一侧面延伸设有四个用于***液体中的突出部，所述四个溶液出入口分别位于所述的四个突出部上；

四个微流体通道的第二支路汇合，汇合后的管路连接负压口。

三个外接流体控制单元，其中两个分别连接于正压口，另一个连接于负压口。

本发明的再一技术方案为：

一种单微粒捕获方法，使用前述的便携式单微粒移液器，包括如下步骤：

(1)将便携式单微粒移液器的芯片具有溶液出入口的一端浸没于微粒悬浮液中，使用连接于负压口的外接流体控制单元产生负压吸取颗粒悬浮液样品；

(2)将便携式单微粒移液器转移至清洗液中，再次通过连接于负压口的外接流体控制单元产生负压，吸取清洗液，用于洗去多余的颗粒样品；

(3)通过连接于正压口的外接流体控制单元产生正压，将含有单微粒的液体压出。

优选地，所述的单微粒包括细胞、微球、花粉、动物卵等，尺度在1～1000微米范围内。

优选地，微粒悬浮液中，样品浓度为1～100万个微粒/100uL。

本发明针对现有的单微粒捕获芯片操作繁琐，需要借助泵和阀等装置操作、对用户操作要求高，非便携等问题，发展了一种基于流体力学捕获的单微粒移液器。该方法克服了传统人工挑取单颗粒方法的繁琐、耗时等局限性，通过对微流体通道结构的巧妙设计，仅需借助注射器或者移液枪等常见器材进行样品的获取、清洗、释放，即可实现对单微粒的捕获。同时，通过设计、优化多通路捕获结构，可以提高捕获的通量，实现高效的单微粒捕获。该方法操作简单，成本低，便携化，极大程度降低了单颗粒捕获的技术门槛。

本发明装置可以应用在基于单微球、单细胞水平的分析，例如基于单细胞单微球配对的高通量转录组测序、基于单微球检测单细胞水平的蛋白质组学分析等。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明实施例1的移液器的结构示意图。

图2为实施例1的单微粒捕获芯片的结构示意图及其局部放大。

图3为本发明实施例2的移液器的结构示意图。

图4为本发明实施例3的移液器的结构示意图。

图5为移液器对不同浓度条件下的微球捕获效果。

图6为便携式单微粒移液器的稳定性考察，其中，A为不同批次释放的液滴体积统计；B 为不同用户使用单微粒移液器的效果。

图7为多通路移液器的微球捕获效果。其中，A为双通路移液器的微球捕获效果；B为四通路移液器不同通道的微球捕获效果。

图8，A为单微粒移液器对不同浓度条件下细胞的捕获效率。B为显微镜下观察单细胞捕获的图片。

1-外壳

2-第一注射器

3-第二注射器

4-第一连接管

5-第二连接管

6-单微粒捕获芯片

7-负压口

8-正压口

9-U型通道

10-微流体通道

11-溶液出入口

12-单微粒捕获区域

具体实施方式

实施例1单通道的便携式移液器

参见图1，本发明的一种用于捕获单微粒的便携式移液器，包括两个注射器(第一注射器2和第二注射器3)以及一单微粒捕获芯片6，所述的单微粒捕获芯片6大体上为长方形，底部所在的侧面向下延伸设凸起的尖端(突出部)，该尖端设置溶液出入口11。

所述的两个注射器固定于一外壳1内，且第一注射器2的出液口连接第一连接管4，第二注射器3的出液口连接第二连接管5。第一连接管4和第二连接管5分别连接芯片6的正压口8和负压口7(参见图2)。

参见图2，所述的芯片6内具有微流体通道10，该微流体通道10在芯片下端的出口为溶液出入口11。距离溶液出入口一距离，该微流体通道10弯折形成U形通道9，其中，U形臂的两端靠近，并在U形开口处的两端部之间形成第二通道9-1，所述的第二通道9-1的直径小于待捕获微粒。且该第二通道9-1具有中间窄两侧宽的喇叭口形状，在喇叭口区域，形成单微粒捕获区域12。

微流体通道10在芯片的上半段分叉，两支路分别连接正压口8以及负压口7。

在本实施例中，所述的第二通道为U形通道9；在其它的实施例中，也可以为其它弯曲形状。

优选地，所述单微粒捕获区域12为入口宽出口窄的结构，入口端宽度为5μm-1mm，出口段宽度为1μm-1000μm，芯片深度为1μm-1mm；

所述的单微粒捕获区域12入口处形状可以为圆形、三角形、方形以及椭圆形等；

所述芯片的通道的材料可以分别是硅、玻璃、石英或有机聚合物如聚二甲基硅氧烷 (polydimethylsiloxane，PDMS)、聚氨酯、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)、聚碳酸酯(polycarbonate，PC)、环烯烃共聚物(cycloolefincoplymer， COC)、聚苯乙烯(polystyrene，PS)、聚乙烯(polyethylene，PE)、丙烯酸、橡胶、氟塑料等中的一种或几种。

所述的通道层内微流体通道需要进行疏水化处理，疏水化方法可以为化学共价结合法、物理吸附法或两种方法相结合。化学共价法采用的试剂硅烷化试剂如二甲基十八烷基氯硅烷，十八烷基三氯硅烷、三甲氧基丙基硅烷、三甲氧基丙基三氯硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟辛基硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟辛基二甲基氯硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷、1H,1H,2H,2H-全氟十二烷基三氯硅烷、三全氟甲基氯硅烷、三甲基氯硅烷。物理吸附法采用溶剂型表面疏水化试剂如EGC-1700、EGC-1720、EGC-1702、EGC-1704、FC-722、FC-724、 FC-725、FC-732，AF-1600。

本发明的使用如下：

单微粒的捕获、清洗以及释放：将便携式单微粒移液器浸没在样品中，通过第二注射器3 施加负压后样品进入微流体通道10，并在经过单微粒捕获区域12的时候被捕获。随后将移液器转移浸没至清洗液中，继续通过第二注射器3施加负压，此时通道中多余的微颗粒被清洗干净，而被捕获的单微粒滞留在单微粒捕获区域12不会被清洗走。最后将移液器转移至反应器(如96，384孔板)中，并通过第一注射器2施加正压，从而实现单微粒的释放。

实施例2多通路便携式单微粒移液器

参见图3，本实施例中，一种用于捕获单微粒的便携式移液器，同样包括两个注射器(第一注射器2和第二注射器3)以及一单微粒捕获芯片6，所述的两个注射器固定于一外壳1内，且第一注射器2的出液口连接第一连接管4，第二注射器3的出液口连接第二连接管5。

所不同的是，在本实施例中，单微粒捕获芯片6的结构和实施例1不同。在本实施例中，

所述的芯片6内具有两个微流体通道(左通道10-1和右通道10-2)，芯片底部所在的侧面向下延伸设左右两个突出部，左通道10-1的左溶液出入口11-1设于在芯片下端左侧突出部末端；右通道10-2的右溶液出入口11-2设在芯片下端右侧突出部末端。距离左溶液出入口一距离，该左通道10-1弯折形成U形通道9。同实施例1，U形臂的两端靠近，并在U形开口处的两端部之间形成第二通道9-1，所述的第二通道9-1的直径小于待捕获微粒。且该第二通道9-1为中间窄两端宽的形状，在靠近中间窄的那部分区域，形成单微粒捕获区域12。

同样，距离右溶液出入口一距离，该右通道10-2弯折形成U形通道9。同实施例1，U形臂的两端靠近，并在U形开口处的两端部之间形成第二通道9-1，所述的第二通道9-1的直径小于待捕获微粒。且该第二通道9-1为中间窄两端宽的形状，在靠近中间窄的那部分区域，形成单微粒捕获区域12。

左通道10-1在芯片的上半段分叉，两支路分别连接正压口8以及负压口7。右通道10-2 在芯片的上半段分叉，两支路同样分别连接正压口8以及负压口7。

实施例3

参见图4，本实施例中，一种用于捕获单微粒的便携式移液器，包括三个注射器以及一单微粒捕获芯片6，所述的三个注射器固定于一外壳内，每个注射器的出液口分别连接一连接管。

在本实施例中，单微粒捕获芯片6的结构和实施例1不同。

所述的芯片6内具有四个微流体通道10，芯片在下侧，延伸设四个突出部，突出部之间间隔一距离。四个微流体通道10的溶液出入口11分别设在在芯片下端的这四个突出部上。距离溶液出入口一距离，每个微流体通道10弯折形成U形通道9。同实施例1，U形臂的两端靠近，并在U形开口处的两端部之间形成第二通道9-1，所述的第二通道9-1的直径小于待捕获微粒。且该第二通道9-1为中间窄两端宽的形状，在靠近中间窄的那部分区域，形成单微粒捕获区域12。

每个微流体通道10在在芯片的上半段分别分叉，其中，左侧的两个微流体通道10的第一支路汇合后，连接左正压口8-1；右侧两个微流体通道10，第一支路汇合后，连接右正压口8-2。

左侧的两个微流体通道10的第二支路汇合；右侧两个微流体通道10第二支路也汇合，两个汇合后的管路再连接负压口7。

做正压口8-1、右正压口8-2以及负压口7分别连接一注射器。

实施例4

对不同浓度条件下的微球捕获效果

以单微球为例，将实施例1的移液器分别浸没在不同浓度的树脂微球溶液中，考察微球浓度对捕获效率的影响。如图5所示，当微球浓度在20个/微升以下时，单微球捕获效率均保持在80％以上。证明实施例1的便携式单微粒移液器可以实现对稀少样品的高效捕获。

便携式单微粒移液器的稳定性

以单微球为例，将捕获到的单微球依次释放，并统计释放出的液滴体积。如图6A所示，释放出的液滴体积差异较小，平均体积为810纳升，证明所设计的便携式单微粒移液器可以实现稳定的单微粒释放，并且释放体积小，有利于后续基于单微粒的研究。此外，考察了不同用户操作移液器的结果，如图6B所示，不同用户使用移液器均可以实现高效的单微粒捕获，证明所设计的便携式单微粒移液器操作简单，捕获效率高，用户差异小。

便携式单微粒移液器对不同浓度条件下细胞的捕获效果

在证明了移液器捕获单个微球的能力后，以细胞作为模型，考察了单微粒移液器对不同浓度条件下细胞的捕获效率(图8A)。图8B为显微镜下观察单细胞捕获的图片。当细胞浓度为100个/微升时，移液器对单细胞的捕获效率接近100％。当细胞浓度降至10个/微升时，捕获效率仍在90％以上。而随着细胞浓度的进一步降低，移液器捕获单细胞的效率有所下降，这是由于细胞的形变能力强，可能存在穿过捕获区的情况，但整体效率仍高于50％，并且可以通过延长捕获时间进一步提高单细胞捕获效率。

实施例4

针对实施例2和实施例3的多通路移液器，并以微球为例，对实施例2的二联移液器和实施例3的四联移液器的工作效果进行考察。如图7A所示，二联移液器的单微球捕获移液器与单通道的接近，保持在90％以上。如图7B所示，四联移液器不同通道之间的单微球捕获效率差异较小，每个独立的通道均可实现高效的单微球捕获。以上结果证明本发明的多通路便携式单微粒移液器具有较好的工作效果，只需要进行一次操作，即可实现高效、高通量的单微粒捕获。

Claims (10)

1.一种便携式单微粒移液器，其特征在于，包括：

一芯片，其中，所述的芯片内具有微流体通道，所述的微流体通道具有一弯折形成U形通道的区域，其中，U形臂的两端靠近，并在U形开口处的两端部之间形成第二通道，所述的第二通道的直径小于待捕获微粒，且该第二通道具有喇叭口形状，喇叭口最宽处的直径大于待捕获微粒，喇叭口的窄端直径小于待捕获颗粒，喇叭口区域形成单微粒捕获区；所述微流体通道包括一溶液出入口，以及一正压口和一负压口，其中，溶液出入口连接U形的一端，且芯片向其中一侧面延伸设一用于***液体中的突出部，所述溶液出入口位于该突出部上；连接正压口的管路和负压口的管路汇合后，连接U形的另一端；

两个外接流体控制单元，其中一个连接于正压口，另一个连接于负压口。

2.如权利要求1所述的一种便携式单微粒移液器，其特征在于，所述的外接流体控制单元为注射器或是移液枪。

3.如权利要求1所述的一种便携式单微粒移液器，其特征在于，所述芯片的单颗粒捕获区形状包括圆形、三角形、方形或椭圆形中的一种。

4.如权利要求1所述的一种便携式单微粒移液器，其特征在于，所述单微粒捕获区为入口宽出口窄的喇叭口结构，入口端宽度为5μm-1mm，出口段宽度为1μm-900μm，该区域深度范围为1μm-1mm。

5.如权利要求1所述的一种便携式单微粒移液器，其特征在于，微流体通道经过疏水处理。

6.一种便携式单微粒移液器，其特征在于，包括一芯片，其中，所述的芯片内具有两个微流体通道，每个所述的微流体通道具有一弯折形成U形通道的区域，其中，U形臂的两端靠近，并在U形开口处的两端部之间形成第二通道，所述的第二通道的直径小于待捕获微粒，且该第二通道具有喇叭口形状，喇叭口最宽处的直径大于待捕获微粒，喇叭口的窄端直径小于待捕获颗粒，喇叭口区域形成单微粒捕获区；

所述微流体通道包括两个溶液出入口，以及一正压口和一负压口，其中，每个溶液出入口分别连接一微流体通道的U形的一端，且芯片向其中一侧面延伸设有两个用于***液体中的突出部，所述两个溶液出入口分别位于这两个突出部上；每个微流体通道U形的另一端，分别和连接正压口的管路和连接负压口的管路汇合之后的汇合管路连接；

两个外接流体控制单元，其中一个连接于正压口，另一个连接于负压口。

7.一种便携式单微粒移液器，其特征在于，包括一芯片，其中，所述的芯片内具有四个微流体通道，每个所述的微流体通道具有一弯折形成U形通道的区域，其中，U形臂的两端靠近，并在U形开口处的两端部之间形成第二通道，所述的第二通道的直径小于待捕获微粒，且该第二通道具有喇叭口形状，喇叭口最宽处的直径大于待捕获微粒，喇叭口的窄端直径小于待捕获颗粒，喇叭口区域形成单微粒捕获区；

所述微流体通道包括四个溶液出入口，以及左、右两个正压口和一个负压口，其中，每个溶液出入口分别连接一微流体通道的U形的一端，每个微流体通道U形的另一端的管路分别分叉，两个微流体通道的第一支路汇合后，连接左正压口；另两个微流体通道的第一支路汇合后，连接右正压口；且芯片向其中一侧面延伸设有四个用于***液体中的突出部，所述四个溶液出入口分别位于所述的四个突出部上；

四个微流体通道的第二支路汇合，汇合后的管路连接负压口；

三个外接流体控制单元，其中两个分别连接于正压口，另一个连接于负压口。

8.一种单微粒捕获方法，使用权利要求1至7任一项所述的便携式单微粒移液器，包括如下步骤：

(1)将便携式单微粒移液器的芯片具有溶液出入口的一端浸没于微粒悬浮液中，使用连接于负压口的外接流体控制单元产生负压吸取颗粒悬浮液样品；

(2)将便携式单微粒移液器转移至清洗液中，再次通过连接于负压口的外接流体控制单元产生负压，吸取清洗液，用于洗去多余的颗粒样品；

(3)通过连接于正压口的外接流体控制单元产生正压，将含有单微粒的液体压出。

9.如权利要求8所述的一种单微粒捕获方法，其特征在于：所述的单微粒包括细胞、微球、花粉或动物卵在内的尺度在1～1000微米范围内的微粒。

10.如权利要求8所属的一种单微粒捕获方法，其特征在于：微粒悬浮液中，样品浓度为1～100万个微粒/100uL。