[发明专利]具有高时间分辨率的单液滴更替捕获微芯片系统及其应用

说明书

本发明公开了具有高时间分辨率的单液滴更替捕获微芯片系统及其应用，属于微芯片及细胞分析技术领域，芯片系统内设置有微通道，通道高度远小于单液滴直径；通道内设置有凹陷的势阱，势阱内径小于单液滴直径，势阱用于捕获单液滴。本发明结构简单、操作方便，液体更替捕获过程具有高时间分辨率，因此通过对单液滴的更替捕获控制，可原位完成化学反应及细胞的高时间分辨率分析。

技术领域

本发明涉及微芯片及细胞分析技术领域，更具体的说是涉及具有高时间分辨率的单液滴更替捕获微芯片系统及其应用。

背景技术

目前可用于研究单细胞水平信号转导的方法主要包括质谱分析、流式分析、FACS分析技术等；上述方法虽具有单细胞分析、高灵敏度和多参数分析的优点，却仍存在两大局限性：

一是需要大量的分散的细胞悬浮液；对于贴壁细胞或组织而言，分散的细胞悬浮液在一定程度上破坏了其固有的细胞与细胞间、细胞与组织间的通讯联系，从而会导致细胞信号通路的不确定性扰动；

二是现有方法中细胞培养和样品处理等步骤主要依赖于人工操作，使得其时间分辨率一般在数分钟量级，不能够满足快速信号转导分析所要求的时间分辨率；例如细胞受激产生磷酸化响应的过程一般是在数秒至数分的时间范围内，因此研究蛋白质磷酸化反应的快速动力学所需的瞬态分辨率应该在秒量级。

实现高时间分辨率的关键在于激励试剂的快速更替，目前用于以高时间分辨率分析细胞信号转导的研究方法主要包括基于连续流体的微流控技术和基于独立液滴的数字微流控技术。其中，基于连续流体的微流控技术为了实现化学激励的快速转换(用于获得高时间分辨率)，需要较高的液体流速，从而在微流通道内产生较大的剪切力，这会导致产生额外的与连续流体相关的干扰信号；此外，基于连续流体的微流控系统往往需要集成通道内微阀结构用来避免细胞间的串扰；但相关结构不仅制备繁琐，对其操作也有较高的要求。对于基于独立液滴的数字微流控技术，已有研究人员提出了借助于电润湿现象实现独立液滴发生和输送，完成细胞信号通路检测的方法；其能够在低剪切力作用下完成激励试剂的快速替换，实现快速信号转导分析。然而该方法需要借助电场作用进行液滴操作，芯片涉及电路设计和集成，芯片制备和操作均较为复杂；且该方法分析通量有限，扩展较难。

因此，亟待提供一种低剪切作用且能够实现高时间分辨分析的微芯片系统。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种基于表面能作用的单液滴捕获微芯片系统，通过对单液滴的捕获控制，可实现高时间分辨率下的反应过程分析。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

具有高时间分辨率的单液滴更替捕获微芯片系统，芯片系统内设置有通道，通道高度小于单液滴直径；通道内设置有凹陷的势阱，势阱内径小于单液滴直径，势阱用于捕获单液滴。

由于通道高度小于自然状态下的单液滴直径，因此单液滴在通道内受到挤压呈扁平状。当单液滴通过势阱时，由于通道内凹陷结构使单液滴的表面能得以降低，单液滴的小部分进入势阱内进而整个单液滴被捕获；后续使其它单液滴以合适的流速流经势阱，即可实现单液滴的更替。

上述单液滴捕获微芯片系统应用于捕获单液滴。

进一步地，势阱可设置于通道的顶部或底部。

利用上述具有高时间分辨率的单液滴更替捕获微芯片系统进行单液滴更替捕获的控制方法之一：

在油相作用下，将单液滴以速度Q_o输送至势阱，存在如下三种情况：

(1)无捕获模式：当单液滴运动速度Q_o≥单液滴被捕获的临界速度Q_c时，单液滴直接通过势阱，不被捕获；