[发明专利]一种基于数字微流控技术的全自动单颗粒/单细胞捕获芯片及其应用

说明书

本发明公开了一种基于数字微流控技术的全自动单颗粒/单细胞捕获芯片及其应用，包括具有多层图案的数字微流控芯片和集成电路两部分。所述的具有多层图案的数字微流控芯片由上、下极板两部分组成。上极板使用疏水化的导电玻璃作为地电极，集成电路作为数字微流控电路控制系统。本芯片可全自动捕获单颗粒/单细胞，操纵简单快速，且捕获效率高。样品能够实现无损回收，尤其适用于稀有样本。可通过程序控制实现捕获单元的连续复杂平行操纵，且无交叉污染，如对单颗粒的隔离、偶联、检测；对单细胞的隔离、培养、核酸扩增等，可广泛应用于单颗粒检测和单细胞分析等领域。

技术领域

本发明属于数字微流控技术领域，具体为一种基于数字微流控技术的全自动单颗粒/单细胞捕获芯片及其应用。

背景技术

细胞作为生命体结构和功能的基本单元，是生命活动规律研究中的重要基础。现阶段的生命科学研究主要以大量的细胞为研究对象，采取对细胞群体的分析手段来获得细胞中的化学信息。然而，不同的细胞个体间存在着显著的微观不均一性(异质性)，基于大量细胞的实验结果统计分析结果会掩盖单细胞间的差异，难以反映单细胞水平上的生命活动规律，造成了医学、生物学及其它学科在深一步研究中受到限制。因此，基于单个细胞的研究，能够掌握更准确更全面的细胞信息，可以深入探讨以往群体分析中平均结果对个别信息掩盖的局限性，将能在更深的层次上揭示生命活动的本质和规律，单细胞分析的引入对与疾病的早期预防和诊断有重要的意义。

尽管单细胞分析技术在很多应用领域中是至关重要的，然而单细胞体积小、所测组分含量低、偏差放大的特点使得单细胞的分离和分析面临着巨大的挑战。而且在细胞数目较多时，需要大量的重复操作，极其耗时，导致实验通量无法提升。

微流控芯片利用结构各异的微通道和形式多样的外加力场，对微量流体或样品在微观尺度上进行操纵、处理与控制，从而实现了传统实验室的部分乃至全部功能在一块微芯片上的集成。相比于传统方法，其具有成本低、分析速度快、试剂消耗少等优势，代表着未来生物、化学分析走向微型化的发展方向。因此，微流控芯片作为单细胞分离和分析的最主要研究手段之一，被广泛应用于神经科学、干细胞生物学、发育生物学、癌症诊断和个性化药物筛选等领域中。然而，常规微流控芯片的局限性也是非常明显的，其需要机械泵、阀配合使用，集成化难度大，难以实现样品的连续多步处理；对多试剂位置和反应时间的精确控制捉襟见肘；并且无法实现对少量稀有细胞的单细胞俘获，在大量单细胞进行高效率高通量分析领域更是无能为力。

数字微流控技术(Digital microfluidics,DMF)作为一种新兴的离散化微液滴操纵手段，由于具有一系列传统微流控技术无法比拟的优点有望改变这一现状。数字微流控是一种基于微电极阵列来实现离散液滴精确控制(包括移动、合并、分配和分裂等操作)的新型液滴操纵技术，其利用液滴在疏水化表面上的介电润湿现象实现了大通量离散化液滴的可控精准操纵。相比于传统的实验处理技术，既拥有传统微流控技术样品消耗量少、高并行性的能力，同时，又不依赖微泵、微阀或微混合器等元件，不需要加工复杂的三维流体通道，具有可动态配置的优点。更为重要的是，数字微流控芯片可以实现由宏观大体积试剂到精确可控体积微纳液滴的生成，对精确控制反应条件、保证结果的精确有效性非常有利；而且，其微电极阵列驱动的方式具有高并行性和全自动化的特点，能够实现多通路实时可控反应，对于实现样品制备、反应、分离、检测等生化实验基本操作的完全集成化具有重要的意义，因此特别适用于单细胞分析研究。

为了解决以上问题，我们提出了一种基于数字微流控技术的全自动单颗粒/单细胞捕获芯片。该芯片可以全自动地捕获单颗粒，而且单颗粒的捕获效率高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于数字微流控技术的全自动单颗粒/单细胞捕获芯片，可以全自动高效率地捕获单颗粒/单细胞。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：