CN111500440A - 一种单细胞分选装置和单细胞分选方法 - Google Patents

一种单细胞分选装置和单细胞分选方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种单细胞分选装置和单细胞分选方法，所述装置包括：微流控芯片，用于生成和运输单细胞液滴；光学识别单元，用于识别单细胞液滴；电学分选单元，用于控制单细胞液滴。本发明以微流控芯片为载体，利用光学识别单元识别微流控芯片中的单细胞液滴，基于图像识别算法将数字图像转换成图像信号，传送给专用的图像处理器，处理器读取识别信号，并向电学分选单元发出电场施加信号；电学分选单元向单细胞液滴施加介电力，单细胞液滴与不含单细胞的微球液滴分离，实现单细胞分选，单细胞分选率获得较大提高。

Description

一种单细胞分选装置和单细胞分选方法
技术领域
本发明属于单细胞操控技术领域，涉及一种单细胞分选装置和单细胞分选方法。
背景技术
单细胞研究在蛋白质组学、显微影像学、肿瘤学领域取得了显著的成果，已逐渐发展成为重点研究领域，而单细胞分选技术是单细胞领域的研究重点。
在微流控芯片上，通过对微流体施加不同的力，比如介电力、磁场力、声动力、光镊技术等，在微流控通道内与流体动力相结合，可以实现对单细胞的操控分选。基于微流控芯片的单细胞操控方法包括介电电泳技术、光镊技术、流体动力技术、磁场力技术和离心力技术，但是或多或少存在着分选效率低、准确性低、操作繁琐、成本较高、影响细胞活性等问题。
常用的单细胞分选技术还包括荧光激活细胞分选与激光捕获显微切割。荧光激活细胞分选虽然可作为分离细胞的有效手段，但是该方法需要对细胞外加荧光标记，改变了细胞的原有状态，有时还会影响细胞活性；激光捕获显微切割一般用于大面积细胞分离，精准度低，难以实现高通量，而且在切割时容易对细胞造成机械损伤。
因此，提高单细胞分选效率和准确性成为单细胞领域需要解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足和实际需求，本发明提供了一种单细胞分选装置和单细胞分选方法，将光学和电学相结合，实现了单细胞的高效分选。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种单细胞分选装置，所述装置包括：
微流控芯片，用于生成和运输单细胞液滴；
光学识别单元，用于识别单细胞液滴；
电学分选单元，用于控制单细胞液滴。
本发明中，以微流控芯片为载体，联合光学识别单元和电学分选单元，实现了单细胞的高效分选，使得单细胞分选率获得较大提高。
优选地，所述微流控芯片包括进样口、微流控通道和出样口。
优选地，所述进样口包括第一进样口和第二进样口，所述第一进样口和第二进样口汇集于微流控通道。
本发明中，第一进样口和第二进样口分别用于向微流控芯片中添加细胞悬液和微球，两者汇集于微流控通道后，细胞悬液与微球混合，微球实现对细胞悬液中单细胞的特异性捕获。
优选地，所述微流控通道中填充有油相。
本发明中，捕获有单细胞的微球注入微流控通道中的油相后，形成含有单细胞和微球的油包水单细胞液滴，同时未捕获有单细胞的微球形成油包水微球液滴。
优选地，在所述微流控通道上依次设置有光学识别单元和电学分选单元。
本发明中，流经微流控通道的单细胞液滴被光学识别单元识别，光学识别单元利用图像识别算法将数字图像转换成图像信号，传送给专用的图像处理器；处理器读取识别信号，并向电学分选单元发出电场施加信号；电学分选单元向单细胞液滴施加介电力，单细胞液滴与不含单细胞的微球液滴分离，实现单细胞的高效分选。
优选地，所述出样口位于所述电学分选单元的下游。
本发明中，被电学分选单元分离的单细胞液滴从下游出样口流出富集。
优选地，所述进样口连接有进样泵。
本发明中，进样口处连接的气压源和进样泵为向微流控芯片中加入细胞悬液和微球提供了动力。
优选地，所述光学识别单元包括相机，所述相机包括电荷耦合元件相机或互补金属氧化物半导体相机，优选为电荷耦合元件相机。
本发明中，电荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成；互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)相机由光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器组成，通过识别微流控通道中的单细胞液滴，并利用图像识别算法将数字图像转换成图像信号，传送给专用的图像处理***。
优选地，所述电学分选单元包括电极，优选为微电极。
优选地，所述微电极的宽度为60～200μm，例如可以是60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm或200μm，优选为100μm。
优选地，所述微电极的电压为±100～±40000V，例如可以是±100V、±500V、±1000V、±5000V、±10000V、±20000V、±30000V或±40000V，优选为±20000V。
优选地，所述微电极的场强变化频率为1～1000Hz，例如可以是1Hz、10Hz、50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、300Hz、400Hz、500Hz、600Hz、700Hz、800Hz、900Hz或1000Hz，优选为100Hz。
本发明中，向微电极施加±100～±40000V的电压，并限定场强变化频率为1～1000Hz，使得粒径较大的电中性单细胞液滴在非均匀电场中受到的介电力与粒径较小的微球液滴不同，从而与微球液滴分离，实现了单细胞的高效分选。
优选地，所述装置还包括处理器，用于读取光学识别单元的识别信号并向电学分选单元发出电场施加信号。
第二方面，本发明提供了一种单细胞分选方法，所述方法采用第一方面所述的装置进行单细胞分选。
优选地，所述方法包括以下步骤：
从进样口中分别加入细胞悬液和微球，流入填充有油相的微流控通道中，形成含有微球和单细胞的单细胞液滴；
相机识别微流控通道中的单细胞液滴，并向处理器发出识别信号；
处理器读取识别信号，并向微电极发出电场施加信号；
微电极向单细胞液滴施加介电力，单细胞液滴与不含单细胞的微球液滴分离，实现单细胞分选。
优选地，所述微球包括聚苯乙烯(PS)微球和/或聚乙烯醇(PVA)微球，优选为聚苯乙烯(PS)微球。
优选地，所述微球的直径为8～12μm，例如可以是8μm、9μm、10μm、11μm或12μm。
优选地，所述微电极的宽度为60～200μm，例如可以是60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm或200μm，优选为100μm。
优选地，所述微电极的电压为±100～±40000V，例如可以是±100V、±500V、±1000V、±5000V、±10000V、±20000V、±30000V或±40000V，优选为±20000V。
优选地，所述微电极的场强变化频率为1～1000Hz，例如可以是1Hz、10Hz、50Hz、100Hz、150Hz、200Hz、300Hz、400Hz、500Hz、600Hz、700Hz、800Hz。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明利用第一进样口和第二进样口分别向微流控芯片中添加细胞悬液和微球，两者汇集于微流控通道后，细胞悬液与微球混合，微球实现对细胞悬液中单细胞的特异性捕获，捕获有单细胞的微球注入微流控通道中的油相后，形成含有单细胞和微球的油包水单细胞液滴；
(2)本发明的单细胞液滴流经光学镜头时被电荷耦合元件相机识别，相机利用图像识别算法将数字图像转换成图像信号，传送给专用的图像处理器，处理器读取识别信号，并向微电极发出电场施加信号；微电极向单细胞液滴施加介电力，单细胞液滴与不含单细胞的微球液滴分离，实现单细胞分选；
(3)本发明以微流控芯片为载体，联合光学识别单元和电学分选单元，实现了单细胞的高效分选，单细胞分选率获得较大提高。
附图说明
图1为单细胞分选装置示意图；
图2为单细胞分选方法流程图。
具体实施方式
为进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合实施例和附图对本发明作进一步地说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购获得的常规产品。
实施例1单细胞分选装置
如图1所示为单细胞分选装置示意图，所述单细胞分选装置包括微流控芯片、光学识别单元和电学分选单元；
所述微流控芯片包括进样口、微流控通道和出样口；
所述进样口包括第一进样口和第二进样口，所述第一进样口和第二进样口汇集于微流控通道；
所述微流控通道中填充有油相；
在所述微流控通道上依次设置有光学识别单元和电学分选单元；
所述出样口位于所述电学分选单元的下游；
所述进样口连接有进样泵；
所述光学识别单元包括相机；
所述相机包括电荷耦合元件相机或互补金属氧化物半导体相机；
所述电学分选单元包括电极；
所述电极的电压为±100～±40000V；
所述电极的宽度为60～200μm；
所述电极的场强变化频率为1～1000Hz；
所述装置还包括处理器，用于读取光学识别单元的识别信号并向电学分选单元发出电场施加信号。
实施例2单细胞分选装置
单细胞分选装置包括微流控芯片、电荷耦合元件相机和电极；
所述微流控芯片包括进样口、微流控通道和出样口；
所述进样口包括第一进样口和第二进样口，位于微流控芯片的左端，用于通过气压源和进样泵向微流控芯片中添加细胞悬液和微球，第一进样口和第二进样口汇集于微流控通道；
所述微流控通道中填充有油相，置于光学镜头物镜和目镜之间，并连接有电荷耦合元件相机；
所述微流控通道的两侧设置有电极，电极的电压为±100～±40000V，电极的宽度为60～200μm，电极的场强变化频率为1～1000Hz，用于向微流控通道中施加电场，进行单细胞分选；
所述装置还包括处理器，用于读取电荷耦合元件相机并向电极发出电场施加信号；
所述微流控芯片的出样口位于电极的下游，分选的单细胞液滴从微流控芯片右侧的出样口流出。
实施例3单细胞分选方法
如图2所示为单细胞分选方法流程图，在进样泵的作用下，从第一进样口和第二进样口中分别向微流控芯片中加入细胞悬液和PS微球(粒径为8～12μm)，两者汇集于微流控通道后，细胞悬液与微球混合，微球实现对细胞悬液中单细胞的特异性捕获；
捕获有单细胞的微球注入微流控通道中的油相后，形成含有单细胞和微球的油包水单细胞液滴，单细胞液滴的粒径为25～30μm，同时未捕获有单细胞的微球形成油包水微球液滴，微球液滴的粒径为15～20μm；
相机识别微流控通道中的粒径较大的单细胞液滴，并利用图像识别算法将数字图像转换成图像信号，传送给专用的处理器；
处理器读取识别信号，并向电极发出电场施加信号；
电极向微流控通道施加±20000V的电压，场强变化频率为100Hz，使得粒径较大的电中性单细胞液滴在非均匀电场中受到的介电力与粒径较小的微球液滴不同，从而与微球液滴分离，单细胞液滴在介电力的作用下向电场强度高的方向移动，与不含单细胞的微球液滴分离，实现单细胞分选。
实施例4单细胞分选方法
在进样泵的作用下，从第一进样口和第二进样口中分别向微流控芯片中加入细胞悬液和PVA微球(粒径为8～12μm)，两者汇集于微流控通道后，细胞悬液与微球混合，微球实现对细胞悬液中单细胞的特异性捕获；
捕获有单细胞的微球注入微流控通道中的油相后，形成含有单细胞和微球的油包水单细胞液滴，单细胞液滴的粒径为25～30μm，同时未捕获有单细胞的微球形成油包水微球液滴，微球液滴的粒径为15～20μm；
相机识别微流控通道中的粒径较大的单细胞液滴，并利用图像识别算法将数字图像转换成图像信号，传送给专用的处理器；
处理器读取识别信号，并向电极发出电场施加信号；
电极向微流控通道施加±40000V的电压，场强变化频率为500Hz，使得粒径较大的电中性单细胞液滴在非均匀电场中受到的介电力与粒径较小的微球液滴不同，从而与微球液滴分离，实现单细胞分选。
对比例1
与实施例3相比，对比例1的单细胞分选方法未开启相机电源，没有预先识别微流控通道中的粒径较大的单细胞液滴，而电极始终向微流控通道施加电场信号，其他条件与实施例3相同。
从出样口富集的单细胞液滴中混合有微球液滴，富集的微球液滴中也混合有单细胞液滴，该方法无法实现单细胞液滴和微球液滴的有效分离。
综上所述，本发明以微流控芯片为载体，联合光学识别单元和电学分选单元，实现了单细胞的高效分选，使得单细胞分选率获得较大提高。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种单细胞分选装置，其特征在于，所述装置包括：
微流控芯片，用于生成和运输单细胞液滴；
光学识别单元，用于识别单细胞液滴；
电学分选单元，用于控制单细胞液滴。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微流控芯片包括进样口、微流控通道和出样口；
优选地，所述进样口包括第一进样口和第二进样口，所述第一进样口和第二进样口汇集于微流控通道；
优选地，所述微流控通道中填充有油相。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，在所述微流控通道上依次设置有光学识别单元和电学分选单元；
优选地，所述出样口位于所述电学分选单元的下游。
4.根据权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述进样口连接有进样泵。
5.根据权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，所述光学识别单元包括相机；
优选地，所述相机包括电荷耦合元件相机或互补金属氧化物半导体相机。
6.根据权利要求1-5任一项所述的装置，其特征在于，所述电学分选单元包括电极；
优选地，所述电极的电压为±100～±40000V；
优选地，所述电极的宽度为60～200μm；
优选地，所述电极的场强变化频率为1～1000Hz。
7.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括处理器，用于读取光学识别单元的识别信号并向电学分选单元发出电场施加信号。
8.一种单细胞分选方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1-7任一项所述的装置进行单细胞分选；
所述方法包括以下步骤：
从进样口中分别加入细胞悬液和微球，流入填充有油相的微流控通道中，形成含有微球和单细胞的单细胞液滴；
相机识别微流控通道中的单细胞液滴，并向处理器发出识别信号；
处理器读取识别信号，并向电极发出电场施加信号；
电极向单细胞液滴施加介电力，单细胞液滴与不含单细胞的微球液滴分离，实现单细胞分选。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述微球包括聚苯乙烯微球和/或聚乙烯醇微球；
优选地，所述微球的直径为8～12μm。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述电极的电压为±100～±40000V；
优选地，所述电极的宽度为60～200μm；
优选地，所述电极的场强变化频率为1～1000Hz。
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