基于并行处理技术的单细胞质谱分析系统及方法

摘要

本发明提供了一种基于并行处理技术的单细胞质谱分析系统及方法，所述单细胞质谱分析系统包括细胞承载单元、清洗单元和质谱仪；基座具有第一转动轴；支架连接第一转动轴，绕第一转动轴旋转；M组工作单元，M为不小于1的整数，所述工作单元包括机械臂和毛细针，所述毛细针设置在所述机械臂上；在所述支架的旋转中，当任一组工作单元中的第一工作单元处于第一工作位的同时，第二工作单元处于第二工作位，第三工作单元处于第三工作位；所述细胞承载单元处于每一第一工作位，所述质谱仪处于每一第二工作位，所述清洗单元处于每一第三工作位。本发明具有工作效率高、分析结果准确等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及细胞分析，特别涉及基于并行处理技术的单细胞质谱分析系统及方法。

背景技术

细胞是生物体形态结构和生命活动的基本组成单位，生命活动都在细胞内实现，细胞的生长分化、代谢繁殖等都与细胞的整体状态有关。先前的研究大多数是对群体细胞进行分析得到一个平均结果，随着分析技术的不断提高，人们发现不同的细胞个体之间具有差异性，单细胞间的这种差异在细胞的生命活动、生理病理过程研究中具有重要的意义。然而群体细胞分析无法体现细胞间的个体差异性，且会掩盖单个细胞的信息，因此单细胞分析越来越受到人们的高度重视。

目前，单细胞质谱分析技术能够实现对多组分样品同时检测，获得大量样品中未知成分的结构信息，具有较高的灵敏度，能够解决单细胞样品nL级别以下难以检测的问题，为单细胞代谢组学、蛋白质组学等研究提供有效的技术支撑。上述单细胞质谱分析技术的不足之处在于：

分析效率低，各个功能模块依次先后执行，时间多耗费于流程等待；此外，大多数单细胞质谱分析装置未考虑清洗，存在交叉污染的可能。

发明内容

为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种工作效率高、准确性好、使用成本低的基于并行处理技术的单细胞质谱分析系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

基于并行处理技术的单细胞质谱分析系统，所述基于并行处理技术的单细胞质谱分析系统包括细胞承载单元、清洗单元和质谱仪，所述质谱仪具有进样口；所述基于并行处理技术的单细胞质谱分析系统还包括：

基座，所述基座具有第一转动轴；

支架，所述支架连接所述第一转动轴，绕所述第一转动轴旋转；

M组工作单位，M为不小于1的整数，每组工作单位包括P个工作单元，P为不小于3的整数；所述工作单元设置在所述支架上，所述工作单元包括机械臂和毛细针，所述毛细针设置在所述机械臂上；在所述支架的旋转中，当任一组工作单位中的第一工作单元处于第一工作位的同时，第二工作单元处于第二工作位，第三工作单元处于第三工作位；所述细胞承载单元处于每一第一工作位，所述质谱仪处于每一第二工作位，所述清洗单元处于每一第三工作位。

本发明的另一目的在于应用上述的基于并行处理技术的单细胞质谱分析系统的单细胞提供了质谱分析方法，该发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

应用本发明的基于并行处理技术的单细胞质谱分析系统的单细胞质谱分析方法，所述单细胞质谱分析方法为：

支架旋转，使得当任一组工作单位中第一工作单元处于第一工作位而萃取单细胞的同时，萃取过单细胞的第二工作单元处于第二工作位而实现质谱进样，质谱进样后的第三工作单元处于第三工作位而实现清洗；

经过旋转，同一工作单元依次处于萃取单细胞状态、质谱进样状态和清洗状态。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

1．工作效率高；

通过工作单元的设计，使得同一组工作单位中的第一工作单元处于第一工作位而萃取单细胞的同时，萃取过单细胞的第二工作单元处于第二工作位而实现质谱进样，质谱进样后的第三工作单元处于第三工作位而实现清洗，也即，同一组工作单位对应的萃取单细胞、质谱进样和清洗同时进行，也即并行处理，大幅度降低了各个环节的等待过程耗时，显著地提升了工作效率；

M组工作单位的同时工作（分单圈一次工作循环和多次工作循环），进一步提高了工作效率；

2．分析结果准确；

工作单元在下一次萃取前，均需在第三工作位清洗，避免了交叉污染，使得最终的单细胞质谱分析数据更加准确可靠；

利用抽吸泵，实现了清洗液反复地吸入和排出毛细针，清洗效果好，保证了单细胞质谱分析数据的准确性；

实时分析质谱信号并对单细胞萃取流程进行闭环控制，保证单细胞质谱信号的质量，也即保证了单细胞分析的准确性；

2．使用成本低；

毛细针可重复利用，清洗后再次投入使用，避免了堵塞。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1是根据本发明实施例的基于并行处理技术的单细胞质谱分析系统的结构示意图；

图2是根据本发明实施例3的基于并行处理技术的单细胞质谱分析系统的结构示意图；

图3是根据本发明实施例4的基于并行处理技术的单细胞质谱分析系统的结构示意图。

具体实施方式

图1-3和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了解释本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

实施例1：

图1给出了本发明实施例的基于并行处理技术的单细胞质谱分析系统的结构示意图，如图1所示，所述基于并行处理技术的单细胞质谱分析系统包括：

细胞承载单元11、清洗单元13和质谱仪12，所述质谱仪12具有进样口；

基座，所述基座具有第一转动轴；

支架41，所述支架41连接所述第一转动轴，绕所述第一转动轴旋转；

M组工作单位，M为不小于1的整数，每组工作单位包括P个工作单元，P为不小于3的整数；所述工作单元设置在所述支架上，所述工作单元包括机械臂和毛细针，所述毛细针设置在所述机械臂上；在所述支架41的旋转中，当任一组工作单位中的第一工作单元21处于第一工作位的同时，第二工作单元22处于第二工作位，第三工作单元23处于第三工作位；所述细胞承载单元11处于每一第一工作位，所述质谱仪12处于每一第二工作位，所述清洗单元13处于每一第三工作位；使得当所述支架41沿着顺时针或逆时针旋转时，同一工作单元依次处于第一工作位、第二工作位和第三工作位，也即依次处于单细胞萃取状态、质谱进样状态和清洗状态。

为了调整毛细针相对所述支架41的角度，使得同一毛细针在不同时间处于单细胞萃取状态、质谱进样状态和清洗状态，进一步地，所述机械臂具有第二转动轴，毛细针连接所述第二转动轴；任一组工作单位中的各个机械臂的第二转动轴与所述支架41的径向间的夹角相同。

为了输送细胞萃取液，以及实现清洗毛细针的功能，进一步地，单细胞质谱分析系统还包括：

气体通道，抽吸泵通过所述气体通道连通所述毛细针内部。

为了输送细胞萃取液，以及实现清洗毛细针的功能和离子化的功能，进一步地，所述单细胞质谱分析系统还包括：

固定管，所述毛细针设置在所述固定管内；所述气体通道穿过所述固定管；

电极，所述电极设置在所述毛细针内。

为了降低结构复杂度以及系统运行可靠性，进一步地，所述单细胞质谱分析系统还包括：

驱动单元，所述驱动单元驱动所述细胞承载单元11在水平面上二维平移，使得毛细针选择性地萃取所述细胞承载单元11上的单细胞，所述细胞承载单元11包括呈矩阵式分布且相互隔离的细胞承载位111；

成像单元，所述成像单元用于所述细胞承载位111和其上侧毛细针的成像，使得毛细针萃取选择的细胞承载位111的单细胞。

为了实现毛细针的清洗功能，进一步地，所述清洗单元13包括：

第一容器，所述第一容器的底部具有出口；当毛细针旋转后，毛细针的底端开口处于所述出口的下侧；

第二容器，所述第二容器开口朝上，并设置在所述第一容器和毛细针底端的下侧。

本发明实施例的单细胞质谱分析方法，也即本发明实施例的基于并行处理技术的单细胞质谱分析系统的工作方法，所述单细胞质谱分析方法为：

支架41绕着第一转动轴旋转，使得当任一组工作单位中第一工作单元21处于第一工作位而萃取单细胞的同时，萃取过单细胞的第二工作单元22处于第二工作位而实现质谱进样，质谱进样后的第三工作单元23处于第三工作位而实现清洗，萃取单细胞、质谱进样和清洗同时进行，显著地提高了工作效率；

上述过程中，M组工作单位中的所有工作单元同时工作，其中，任一组工作单位中的工作单元分别处于萃取单细胞状态、质谱进样状态和清洗状态；随着所述支架41的旋转，同一工作单元依次处于萃取单细胞状态、质谱进样状态和清洗状态。

实施例2：

根据本发明实施例1的基于并行处理技术的单细胞质谱分析系统及方法的应用例。

在本应用例中，如图1所示，支架41上设置一组工作单位，仅有的一组工作单位包括三个工作单元，三个工作单元（第一工作单元21、第二工作单元22和第三工作单元23）均匀地设置在支架41的整个圆周上，相邻工作单元对应的圆心角为120度；

细胞承载单元11设置在第一工作位处，质谱仪12设置在第二工作位处，清洗单元13设置在第三工作位处；细胞承载单元11具有呈矩阵式分布且相互隔离的细胞承载位111以及第三容器112，第三容器112内装有细胞萃取液；细胞承载单元11在驱动单元驱动下平移，使得处于第一工作位处的工作单元中的毛细针萃取细胞承载单元11上选择的单细胞；为了确认毛细针萃取选择的单细胞，在细胞承载单元11的下侧设置显微成像单元，通过细胞承载位111和毛细针的成像去判断毛细针是否萃取选择的单细胞；机械臂具有第二转动轴，毛细针连接所述第二转动轴；任一组工作单位中的各个机械臂的第二转动轴与所述支架41的径向间的夹角相同；毛细针底端为尖端设计，上端设置在固定管内，之间保持密封；针状电极设置在毛细针内，并连接外界电源；固定管上具有开口，抽吸泵通过所述开口连通所述毛细针的内部；清洗单元13包括第一容器和第二容器，第一容器的底部具有开口，该开口处设置阀，第二容器设置在第一容器的下侧；

本发明实施例的单细胞质谱分析方法，具体为：

支架41绕着第一转动轴正向旋转，使得第一工作单元21处于第一工作位，同时，第二工作单元22处于第二工作位，第三工作单元23处于第三工作位；

第一工作单元21处于第一工作位：在驱动单元作用下以及机械臂旋转下，第一工作单元21的第一毛细针24伸入到第三容器112内，抽吸泵工作，第三容器112内的细胞萃取液被吸入第一毛细针24内；

在驱动单元作用下以及机械臂旋转下，并在显微成像单元的成像和判断下，所述第一毛细针24的底端处于选择的细胞承载位111上的单细胞的上侧，并下移，抽吸泵工作，第一毛细针24内的细胞萃取液排出第一毛细针24，覆盖选择的单细胞，之后第一毛细针24上移；

待萃取完成后，第一毛细针24下移，同时抽吸泵工作，使得单细胞的萃取物质进入第一毛细针24内；

第二工作单元22处于第二工作位：之前已经完成细胞萃取的第二工作单元22的第二毛细针25内具有细胞萃取物质；在机械臂作用下，第二毛细针25的底端出口对应质谱仪12的进样口，电极放电，细胞萃取物质离子化，并从底端出口喷出，进入所述进样口，经质谱分析后获得单细胞的信息；

第三工作单元23处于第三工作位：已经完成质谱进样的第三工作单元23的第三毛细针26在机械臂作用下，底端出口处于第一容器的出口下侧，阀打开，同时抽吸泵工作，使得底端出口处的清洗液被吸入第三毛细针26内；之后，在抽吸泵作用下，第三毛细针26内的清洗液排出，滴入下侧的第二容器；清洗液被反复吸入和排出，从而清洗了第三毛细针26，且无需接触第一容器内的清洗液，防止了交叉污染，确保了单细胞分析的准确性；

支架41绕着第一转动轴正向旋转120度，第一毛细针24转到第二工作位处，第一毛细针24内的细胞萃取物质离子化，并送质谱仪12分析，方式与第二毛细针25的质谱进样相同；同时，第二毛细针25旋转到第三工作位处，清洗第二毛细针25，清洗方式和第三毛细针26的清洗相同，清洗后的第三毛细针26旋转第一工作位，选择单细胞并萃取，具体方式和第一毛细针24的萃取相同；

支架41绕着第一转动轴继续正向旋转120度，所述第一毛细针24旋转到第三工作位处，清洗第一毛细针24，清洗方式和第三毛细针26的清洗相同，同时，清洗后的第二毛细针25旋转到第一工作位处，选择单细胞并萃取，具体方式和第一毛细针24的萃取相同；第三毛细针26旋转到第二工作位处，细胞萃取物质离子化，并送质谱仪12分析，方式与第二毛细针25的质谱进样相同；

支架41绕着第一转动轴继续正向旋转120度，第一毛细针24旋转到第一工作位处，同时，第二毛细针25旋转到第二工作位处，第三毛细针26旋转第三工作位，

可见，所述支架41每旋转一周，同一毛细针（第一毛细针24或第二毛细针25或第三毛细针26）经历一次工作循环，也即依次处于第一工作位、第二工作位和第三工作位；同一时间，仅有一个毛细针处于萃取状态，仅有一个毛细针处于质谱进样状态，仅有一个毛细针处于清洗状态；

若质谱输出的信号异常，支架41反向旋转120度，将处于质谱进样的毛细针旋转到第一工作位，再次萃取细胞，之后正向旋转，进入第二工作位，直到质谱输出信号正常。

实施例3：

根据本发明实施例1的基于并行处理技术的单细胞质谱分析系统及方法的应用例，与实施例2不同的是：

如图2所示，具有二组工作单位，每组工作单位包括三个工作单元，第一组工作单位包括第一工作单元21、第二工作单元22和第三工作单元23，第二组工作单位包括第四工作单元27、第五工作单元28和第六工作单元29，二组工作单位的六个工作单元均匀地设置在支架41的整个周向上，相邻二个工作单元对应的圆心角为60度；与二组工作单位相对应的，第一细胞承载单元113和第二细胞承载单元141分别处于第一工作位，第一质谱仪121和第二质谱仪151分别处于第二工作位，第一清洗单元131和第二清洗单元161分别处于第三工作位；

当支架41每逆时针旋转一周，同一个工作单元经历二次工作循环，依次处于第一工作位、第二工作位、第三工作位、第一工作位、第二工作位、第三工作位；同一时间，有二个毛细针处于萃取状态，有二个毛细针处于质谱进样状态，有二个毛细针处于清洗状态；第一细胞承载单元113和第二细胞承载单元141分别设置在每个第一工作位处，第一质谱仪121和第二质谱仪151设置在每个第二工作位处，第一清洗单元131和第二清洗单元161分别设置在每个第三工作位处；支架41每逆时针旋转60度，工作单元换工作位。

实施例4：

根据本发明实施例1的基于并行处理技术的单细胞质谱分析系统及方法的应用例，与实施例3不同的是：

如图3所示，具有二组工作单位，每组工作单位包括三个工作单元，第一组工作单位包括第一工作单元21、第二工作单元22和第三工作单元23，第二组工作单位包括第四工作单元27、第五工作单元28和第六工作单元29；每组工作单位的三个工作单元均匀地设置在支架41的整个周向上，每组内相邻二个工作单元对应的圆心角为120度，也即，第二组工作单位中的任一工作单元处于第一组工作单位的相邻工作单元之间，相邻的第一组工作单位的工作单元和第二组工作单位的工作单元间的圆心角小于120度，如30度、45度、60度、90度；也即，六个工作单元均匀或不均匀地设置在支架41的整个圆周上；

支架41每顺时针旋转120度，各组工作单位内的工作单元换工作位，但各组间的工作单元不会换位，如第一组工作单位内的工作单元不会换位到第二组工作单位对应的工作位。

可见，所述支架41每旋转一周，同一毛细针经历一次工作循环，也即依次处于第一工作位、第二工作位和第三工作位；同一时间，有二个毛细针处于萃取状态，有二个毛细针处于质谱进样状态，有二个毛细针处于清洗状态。

上述实施例给出了二组工作单位的情况，当然还可以是更多组，如3组、4组，此时就需要配置更多的细胞承载单元、质谱仪和清洗单元。