一种单液滴单细胞培养和细胞代谢产物实时检测装置

摘要

本发明提供了一种单液滴单细胞培养和细胞代谢产物实时检测装置，包括：毛细管电渗流组件，以在毛细管尖端形成含有单细胞的单液滴；观察组件，设置于所述毛细管尖端的相对两侧，用于对所述液滴中的细胞状态进行观察；检测组件，设置于所述毛细管尖端的另外两侧，用于对所述液滴中的细胞代谢产物进行实时检测。本发明装置可实现在荧光成像和分子水平上同时在线连续监控细胞的代谢，能够更好地了解细胞的生长及代谢的全过程。

说明书

技术领域

本发明涉及细胞研究技术领域，尤其涉及一种基于单液滴单细胞培养和细胞代谢产物实时检测装置。

背景技术

近年来，由于世界人口增加使得生活、食品、服装、医疗保健等的成本不断增加。资源的限制，使得我们必须在各个方面节约成本，从而诞生了新型细胞研究平台——微流控技术。毛细管电泳作为一种微流控技术，相对于传统的细胞研究平台，具有高通量、低试剂消耗量、易集成、易操作等优势而受到广泛关注，且具有广泛的应用前景。时下，液滴分析法是一种非常流行的单细胞分析方法。这种方法在分析单细胞中的溶解产物具有独特的优势，并且由于液滴可以在分析体系中作为一个独立的化学反应容器，因此在单细胞分析中具有重要的意义。毛细管电泳是一种在微流体下通过带电泳进行微量物质分离的分析手段，利用其中的电渗流现象可以精确可控地分离毛细管中的单细胞样品，成为单细胞分析中的一个重要工具手段。目前单细胞分析研究领域中，如何能建立一个能够在线、快速、高效并且过程简单的分析装置和方法用于细胞的代谢分析非常重要，成为一个目前很大的挑战。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的技术问题，提供一种基于毛细管电渗流驱动的单液滴单细胞培养和细胞代谢产物实时检测装置，本发明装置通过毛细管电渗流组件形成含有单细胞的单液滴，通过观察组件对包裹在液滴中的细胞进行实时在线观察，通过检测组件对细胞代谢产物进行在线检测，可实现在荧光成像和分子水平上同时在线连续监控细胞的代谢，能够更好地了解细胞的生长及代谢的全过程。

为达到本发明的目的，本发明提供了一种单液滴单细胞培养和细胞代谢产物实时检测装置，包括：

在毛细管尖端形成含有单细胞的单液滴的毛细管电渗流组件；

对所述液滴中的细胞状态进行观察的观察组件，设置于所述毛细管尖端的相对两侧；

对所述液滴中的细胞代谢产物进行实时检测的检测组件，设置于所述毛细管尖端的另外两侧。

根据本发明的一些实施方式，所述毛细管电渗流组件包括：

样品池，其内盛有细胞样品；

毛细管，其入口与所述样品池连通，出口端为毛细管尖端；

位于所述样品池上方的电极；

以及与所述电极连接并向其供电的电源。

在一些具体的实施例中，所述毛细管的出口端经过打磨后再进行硅烷化处理，获得表面平滑具有疏水性质的锥形表面，进而可以稳定在毛细管尖端产生液滴。

根据本发明的优选实施例，所述电极为高压直流电极，可连接高压直流电源，可通过调节电压输出的范围控制在毛细管尖端形成的液滴大小。

根据本发明的优选实施方式，所述毛细管内装有溶液，通过所述电极驱动毛细管内的溶液，在毛细管尖端形成单液滴。

在一些具体的实施例中，所述毛细管的内径为50-200μm。在此范围内，不同种类的细胞可以在毛细管中顺畅流动，并在一定程度上可以提升检测灵敏度。

根据本发明的一些实施例，所述样品池内的细胞通过电渗流作用进入所述微液滴，形成含有单细胞的单液滴。

根据本发明的优选实施例，所述观察组件位于所述毛细管尖端周围，其包括：

位于所述毛细管尖端一侧的激光发射装置；

位于所述激光发射装置对侧的观察装置。

根据本发明的一些具体实施例，所述激光发射装置包括依次连接的点光源激光器和光纤。

根据本发明的优选实施方式，所述观察装置包括依次连接的滤光片、摄像机和电脑；所述滤光片位于所述光纤的相对侧，与所述光纤位于同一直线上。

所述点光源激光器产生激光经由光纤发射至所述单液滴周围，对含有单细胞的单液滴的进行照射，通过所述滤光片过滤多余光纤，经由所述摄像机记录细胞及培养基的荧光成像并传至电脑，从而达到对包裹在液滴中的细胞进行实时在线的观察。

根据本发明的一些优选实施例，所述检测组件位于所述毛细管尖端周围的另两端，其包括：

位于所述毛细管尖端一侧的离子化组件；

位于所述离子化组件对侧的检测器。

根据本发明的实时检测装置，所述另两端为相对于所述观察组件的另两端。

根据本发明的优选实施方式，所述离子化组件包括：

位于所述毛细管尖端一侧的针状管，以及与所述针状管依次连接的气流控制器和气源。

在一些具体的实施例中，所述针状管为塑料材质，其气体出口的孔径为50-200μm。

根据本发明的一个优选实施例，所述检测器包括但不限于四级杆-飞行时间串联质谱仪、离子回旋共振质谱和轨道离子阱质谱仪。

根据本发明的一些实施方式，气体从气源流出，经气流控制器后由针状管吹出，得到恒速气流，将所述单液滴表面的挥发性物质吹扫至位于所述针状管对侧的检测器附近，经由所述检测器对所述细胞代谢产物进行在线检测。

根据本发明的优选实施方式，所述气体包括但不限于高纯氮气、氧气和合成空气。

根据本发明的一个优选实施例，可通过调节气流控制器及改变气体种类来调节所述气流的流速、改变气体种类，以针对不同细胞样品选用合适的气体和离子化状态，从而达到更优化的离子化效果。

根据本发明的一些优选实施方式，当细胞在尖端经过短时培养，并检测到信号后，还可以通过调节直流电源的电压对液滴和液滴中的细胞进行回收，经回收的细胞加入培养皿中再加入相应培养基可以继续培养，以达到循环培养检测的目的，对于稀缺样品可以做到零消耗。

根据本发明的优选实施例，通过样品池向液滴加入细胞药物，可以研究细胞在药物环境刺激中的代谢情况，以全面地了解微流控体系下细胞对药物代谢的全过程。

本发明装置的工作过程和工作原理如下：

通过电源向电极输送高压直流电，电极带电，驱动毛细管内的液体，在毛细管尖端形成单液滴；样品池内的细胞在电渗流作用下进入单液滴中，形成单液滴包裹单细胞的培养状态。点光源激光器产生激光经由光纤发射至所述单液滴周围，对含有单细胞的单液滴的进行照射，通过位于其对侧的滤光片过滤多余光纤，经由所述摄像机记录细胞及培养基的荧光成像并传至电脑，从而达到对包裹在液滴中的细胞进行实时在线的观察。同时，气体从气体钢瓶流出，经气流控制器后由针状管吹出形成恒速气流，将所述单液滴表面的挥发性物质吹扫至位于所述针状管对侧的检测器附近，经由所述检测器对所述细胞代谢产物进行在线检测。

本发明的优点和有益技术效果如下：

(1)本发明实时检测装置能够直接对细胞培养液进行实时在线检测。

(2)本发明实时检测装置，待测样品中的溶液不会进入检测器中，省略了除盐的步骤，检测方法得到了简化。

(3)本发明实时检测装置通过将微流控毛细管电渗流系统与高分辨质谱仪串联，可以在消耗极少量生物细胞样品的条件下分析微量的细胞代谢物质，具有高灵敏度、低检测限的特点。

(4)由于本发明实时检测装置对于所检测的细胞大小、种类限制很小，因此可以研究多种细胞培养状态下的代谢过程，具有广阔的适用性。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为本发明实施例的单液滴单细胞培养和细胞代谢产物实时检测装置的结构示意图；

附图标记说明：1、电源；2、电极；3、样品池；4、毛细管；5、毛细管尖端；6、单液滴；7、激光器；8、光纤；9、滤光片；10、摄像机；11、电脑；12、气体钢瓶；13、气流控制器；14、针状管；15、检测器。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明单液滴单细胞培养和细胞代谢产物实时检测装置包括：毛细管电渗流组件、观察组件和检测组件。

毛细管电渗流组件包括：电源1、电极2样品池3和毛细管4；电极2为高压直流电极，与其连接的电源1位高压直流电极，输出电压为0-10KV；样品池3和电极2位于毛细管4的入口处，毛细管4的出口端经过打磨后再进行硅烷化处理，获得表面平滑具有疏水性质的锥形表面，形成毛细管尖端5，通过电源1输出高压直流电压，经过电极对毛细管4内的溶液和样品池3中的细胞进行处理，可在毛细管尖端5形成包裹单细胞的单液滴6。

观察组件包括：激光器7、光纤8、滤光片9、摄像机10和电脑11；激光器7位点光源激光器，可产生一定波长的激光；激光器7与光纤8连接，光纤8位于毛细管尖端5周围的一侧，滤光片9位于毛细管尖端5周围与光纤8相对的一侧，其通过管线依次连接摄像机10和电脑11，摄像机10为高倍数显摄像机，可对细胞及培养基的荧光成像进行记录。

检测组件包括离子化组件和检测器15，离子化组件包括气体钢瓶12、气流控制器13和针状管14；针状管14位于毛细管尖端5周围的一侧，其通过管路依次与气流控制器13和气体钢瓶12连通，气体钢瓶12内装有气体(氮气、氧气、合成空气等)，气流控制器13可调节气体流量，进而调节气流大小，针状管14位针状塑料管；检测器15为高分辨质谱检测器。

实施例1

本实施例选用内径为100μm的毛细管，其尖端经过打磨和硅烷化疏水修饰形成倒锥形毛细管尖端5；毛细管4中含有PBS缓冲溶液，向样品池3中加入含有培养基的Caco-2细胞悬浮液，通过电源1向电极2输送2000V的高压直流电，经由高压电驱动毛细管4内的溶液，在毛细管尖端形成单液滴；样品池3内的细胞在电渗流作用下缓慢进入单液滴中，得到包裹单细胞的单液滴6，形成液滴包裹单细胞的培养状态。

点光源激光器7产生的激光经由光纤8发射至单液滴6的周围，对含有单细胞的单液滴6的进行照射，通过位于其对侧的滤光片9过滤多余光纤，经由摄像机10记录细胞及培养基的荧光成像并传至电脑11，通过电脑显示器对液滴和细胞的状态进行实时在线的观察。

待液滴和细胞培养5分钟后，打开氮气钢瓶12的阀门，氮气气体从钢瓶流出，经气流控制器13后由针状管14吹出形成不低于5L/min同时不高于15L/min的恒速气流，将液滴6表面的挥发性物质吹扫至位于针状管14对侧的检测器15附近，使得检测器15得到稳定信号，通过质谱峰分析液滴中的小分子挥发物质及细胞的代谢产物，可以获得细胞实时的代谢状态。

在一次数据记录完毕后，通过调节电源1的输出电压为2500-3000V，使液滴6从毛细管尖端4掉落至离心管或者玻璃板上，回收液滴及液滴中的细胞，再加入到培养皿中再次进行细胞培养和繁殖。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。