一种基于微流控芯片的单细胞分离装置及方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 110747102 A(43)申请公布日 2020.02.04

(21)申请号 201910952051.7(22)申请日 2019.10.09

(71)申请人 山东大学

地址 266200 山东省青岛市即墨区鳌山卫

街道滨海路72号山东大学青岛校区(72)发明人 李歧强　靳欣　韩琳　王兴元　(74)专利代理机构 青岛华慧泽专利代理事务所

(普通合伙) 37247

代理人 刘娜(51)Int.Cl.

C12M 1/00(2006.01)C12N 5/00(2006.01)

权利要求书1页 说明书4页 附图3页

()发明名称

一种基于微流控芯片的单细胞分离装置及方法

(57)摘要

本发明公开了一种基于微流控芯片的单细胞分离装置及方法，该装置包括上下设置的三层芯片，底层芯片上分布有呈矩阵排列的多个细胞培养腔，中层芯片上与底层芯片接触的一面设有多组细胞捕捉单元，每组细胞捕捉单元对应一列细胞培养腔；上层芯片上与中层芯片接触的一面设置多个平行的D流道，所述D流道上间隔设置阀门，本发明所公开的分离装置及方法可以实现高通量的单细胞捕捉、释放与转移，成本低、工作效率高，还可以实现定量加入试剂的功能，便于后续的检测。CN 110747102 ACN 110747102 A

权　利　要　求　书

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1.一种基于微流控芯片的单细胞分离装置，其特征在于，包括上下设置的三层芯片，底层芯片上分布有呈矩阵排列的多个细胞培养腔，中层芯片上与底层芯片接触的一面设有多组细胞捕捉单元，每组细胞捕捉单元对应一列细胞培养腔，每组细胞捕捉单元包括A、B、C三个平行的流道，A流道和B流道位于相邻的两列细胞培养腔之间，C流道位于对应的一列细胞培养腔的上方，且分别与该列细胞培养腔相连通；A流道上设置多个三角形3D结构、细胞捕捉腔以及侧向分枝，细胞捕捉腔通过歧管与B流道相连通，细胞捕捉腔和侧向分枝位于A流道的两侧，三角形3D结构分布于相邻的两个侧向分枝之间，所述三角形3D结构嵌于A流道内，所述侧向分枝分别与该列细胞培养腔相连通；上层芯片上与中层芯片接触的一面设置多个平行的D流道，所述D流道上间隔设置阀门，所述阀门位于所述侧向分枝的上方。

2.根据权利要求1所述的一种基于微流控芯片的单细胞分离装置，其特征在于，所述A流道为样本流动流道，B流道和C流道为压力调节流道，D流道为阀门控制流道。

3.根据权利要求1所述的一种基于微流控芯片的单细胞分离装置，其特征在于，所述A流道为亲水性表面。

4.根据权利要求1所述的一种基于微流控芯片的单细胞分离装置，其特征在于，所述歧管直径小于细胞直径，细胞捕捉腔空间略大于单个细胞的体积，使得细胞捕捉腔一次只能捕捉一个细胞。

5.一种基于微流控芯片的单细胞分离方法，采用如权利要求1所述的基于微流控芯片的单细胞分离装置，其特征在于，包括如下过程：

(1)将A流道出口封死并从A流道入口加入样本液体，B流道抽气使细胞捕捉腔内压力降低，细胞进入细胞捕捉腔；

(2)待大部分细胞捕捉腔捕捉细胞后，A流道出口打开，从A流道入口注入缓冲液，对A流道进行冲洗，使得A流道内不再有残留细胞；

(3)C流道抽气，使细胞培养腔处于负压，B流道加压，使细胞脱离细胞捕捉腔，当细胞培养腔内压力稳定后，打开阀门，每个被捕捉的细胞进入对应的细胞培养腔；

(4)将B流道两侧关闭，阀门关闭，将A流道内充满试剂，通过C流道控制细胞培养腔内的压力，压力稳定后打开阀门，由于三角形3D结构使得两个三角形3D结构之间的试剂都会通过侧向分枝进入细胞培养腔，实现精准定量加液，完成后的底层芯片用于后续的细胞检测。

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说　明　书

一种基于微流控芯片的单细胞分离装置及方法

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技术领域

[0001]本发明涉及微流控芯片技术领域，特别涉及一种基于微流控芯片的单细胞分离装置及方法。

背景技术

[0002]细胞捕获分离是指把混有多种细胞的液体，通过物理、化学和生物等手段，从中分离出一种或多种细胞的过程。细胞捕获分离是现代生物学中极其重要的一部分，同时，也是细胞研究的关键步骤之一。细胞捕获分离是在免疫学、诊断检测和病理研究中的重要实验方法。捕获分离后的细胞可以应用于细胞计数和细胞培养等实验中。目前，细胞捕获分离的手段非常多，如流式细胞分离、介电电泳分离等，但流式细胞仪仪器十分笨重且昂贵，介电泳方法捕获率相对较低，且需要较长时间的样品准备，此外这两种方法对样品量都有较大的需求。

[0003]而基于微流控芯片的细胞捕获分离具有可快速分离、样品需求小、成本低等优势。常见的微流控芯片细胞捕获分离方法有磁珠捕获分离、微矩阵捕获和声波分离等方法。但无法实现高通量的单细胞分离培养，通过单细胞捕捉与释放实现的细胞分离可以用于研究单个细胞的生命活动，并且可以实现单细胞层面的DNA、RNA以及蛋白质的分析，可以将看似相同的种群细胞分为若干不同功能亚群，对生命科学的研究具有重要意义。同时在疾病检测时，单细胞的基因分析可以分析得到肿瘤或病灶部位的更详尽的细胞信息，对推进医学进步也有着巨大的意义。

发明内容

[0004]为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于微流控芯片的单细胞分离装置及方法，以达到实现高通量的单细胞捕捉、释放与转移，成本低、工作效率高的目的。[0005]为达到上述目的，本发明的技术方案如下：[0006]一种基于微流控芯片的单细胞分离装置，包括上下设置的三层芯片，底层芯片上分布有呈矩阵排列的多个细胞培养腔，中层芯片上与底层芯片接触的一面设有多组细胞捕捉单元，每组细胞捕捉单元对应一列细胞培养腔，每组细胞捕捉单元包括A、B、C三个平行的流道，A流道和B流道位于相邻的两列细胞培养腔之间，C流道位于对应的一列细胞培养腔的上方，且分别与该列细胞培养腔相连通；A流道上设置多个三角形3D结构、细胞捕捉腔以及侧向分枝，细胞捕捉腔通过歧管与B流道相连通，细胞捕捉腔和侧向分枝位于A流道的两侧，三角形3D结构分布于相邻的两个侧向分枝之间，所述三角形3D结构嵌于A流道内，所述侧向分枝分别与该列细胞培养腔相连通；上层芯片上与中层芯片接触的一面设置多个平行的D流道，所述D流道上间隔设置阀门，所述阀门位于所述侧向分枝的上方。[0007]上述方案中，所述A流道为样本流动流道，B流道和C流道为压力调节流道，D流道为阀门控制流道。

[0008]上述方案中，所述A流道为亲水性表面。

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说　明　书

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上述方案中，所述歧管直径小于细胞直径，细胞捕捉腔空间略大于单个细胞的体

积，使得细胞捕捉腔一次只能捕捉一个细胞。

[0010]一种基于微流控芯片的单细胞分离方法，采用上述的基于微流控芯片的单细胞分离装置，包括如下过程：[0011](1)将A流道出口封死并从A流道入口加入样本液体，B流道抽气使细胞捕捉腔内压力降低，细胞进入细胞捕捉腔；[0012](2)待大部分细胞捕捉腔捕捉细胞后，A流道出口打开，从A流道入口注入缓冲液，对A流道进行冲洗，使得A流道内不再有残留细胞；[0013](3)C流道抽气，使细胞培养腔处于负压，B流道加压，使细胞脱离细胞捕捉腔，当细胞培养腔内压力稳定后，打开阀门，每个被捕捉的细胞进入对应的细胞培养腔；[0014](4)将B流道两侧关闭，阀门关闭，将A流道内充满试剂，通过C流道控制细胞培养腔内的压力，压力稳定后打开阀门，由于三角形3D结构使得两个三角形3D结构之间的试剂都会通过侧向分枝进入细胞培养腔，实现精准定量加液，完成后的底层芯片用于后续的细胞检测。

[0015]通过上述技术方案，本发明提供的基于微流控芯片的单细胞分离装置及方法具有以下有益效果：

[0016]1.本发明可以通过对流道或腔室内气压的调节实现细胞捕捉和释放，本发明中的单细胞分离装置具有工作效率高、成本低的优点。[0017]2.本发明微流控芯片制作成本低，且不需要过多试剂，因此细胞分离成本大大降低。

[0018]3.本发明可以实现定量加入试剂的功能。[0019]4.本发明能够实现高通量的单细胞捕捉、释放与转移。附图说明

[0020]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

[0021]图1为本发明实施例所公开的一种基于微流控芯片的单细胞分离装置的流道平面示意图；

[0022]图2为本发明实施例所公开的底层芯片结构示意图；

[0023]图3为本发明实施例所公开的中层芯片局部结构示意图；[0024]图4为本发明实施例所公开的上层芯片局部结构示意图；[0025]图5为本发明实施例公开的细胞捕捉过程示意图。[0026]图中，1、底层芯片；2、中层芯片；3、上层芯片；4、A流道；5、B流道；6、C流道；7、细胞培养腔；8、三角形3D结构；9、细胞捕捉腔；10、侧向分枝；11、歧管；12、D流道；13、阀门；14、细胞。

具体实施方式

[0027]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

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本发明提供了一种基于微流控芯片的单细胞分离装置及方法，具体实施例如下：

[0029]一种基于微流控芯片的单细胞分离装置，包括上下设置的三层芯片，底层芯片1、中层芯片2和上层芯片3。[0030]如图2所示，底层芯片1上分布有呈矩阵排列的多个细胞培养腔7。[0031]如图3所示，中层芯片2上与底层芯片1接触的一面设有多组细胞捕捉单元，每组细胞捕捉单元对应一列细胞培养腔7，每组细胞捕捉单元包括A、B、C三个平行的流道，A流道4和B流道5位于相邻的两列细胞培养腔7之间，C流道6位于对应的一列细胞培养腔7的上方，且分别与该列细胞培养腔7相连通；A流道4上设置多个三角形3D结构8、细胞捕捉腔9以及侧向分枝10，细胞捕捉腔9通过歧管11与B流道5相连通，细胞捕捉腔9和侧向分枝10位于A流道4的两侧，三角形3D结构8分布于相邻的两个侧向分枝10之间，三角形3D结构8嵌于A流道4内，侧向分枝10分别与该列细胞培养腔7相连通。

[0032]每组细胞捕捉单元均位于该列细胞培养腔7的同一侧或者相邻的两组细胞捕捉单元位于相邻的两列细胞培养腔7之间，本发明实施例中为后一种情况，相邻的两个A流道共用一个流道分入/出口，多个流道分入口共用一个流道总入/出口；B流道、C流道和D流道同A流道。

[0033]如图4所示，上层芯片3上与中层芯片2接触的一面设置多个平行的D流道12，D流道12上间隔设置阀门13，阀门13位于侧向分枝10的上方。阀门13为加宽的流道，当D流道12内注入一定压力的液体时，加宽的流道内会积满液体并向下压，将中层芯片2上位于侧向分枝10处的芯片层向下压，从而将侧向分枝10隔断。[0034]本发明中，A流道4为样本流动流道，为亲水性表面，B流道5和C流道6为压力调节流道，D流道12为阀门控制流道。

[0035]歧管11直径小于细胞直径，可以避免细胞从歧管流入B流道5内，细胞捕捉腔9空间略大于单个细胞的体积，使得细胞捕捉腔9一次只能捕捉一个细胞。[0036]一种基于微流控芯片的单细胞分离方法，采用上述的基于微流控芯片的单细胞分离装置，包括如下过程：[0037](1)将A流道4出口封死并从A流道4入口加入样本液体，B流道5抽气使细胞捕捉腔9内压力降低，细胞14进入细胞捕捉腔9；[0038](2)如图5所示，待大部分细胞捕捉腔9捕捉细胞后，A流道4出口打开，从A流道4入口注入缓冲液，对A流道4进行冲洗，使得A流道4内不再有残留细胞14；[0039](3)C流道6抽气，使细胞培养腔7处于负压，B流道5加压，使细胞14脱离细胞捕捉腔9，当细胞培养腔7内压力稳定后，打开阀门13，每个被捕捉的细胞14进入对应的细胞培养腔7；[0040](4)将B流道5两侧关闭，阀门13关闭，将A流道4内充满试剂，通过C流道6控制细胞培养腔7内的压力，压力稳定后打开阀门13，由于三角形3D结构8使得两个三角形3D结构8之间的试剂都会通过侧向分枝进入细胞培养腔7，实现精准定量加液，完成后的底层芯片1用于后续的细胞检测。

[0041]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明

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将不会被于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

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说　明　书　附　图

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图1

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说　明　书　附　图

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图2

图3

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说　明　书　附　图

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图4

图5

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