一种用于细胞-微珠捕获配对的微流控芯片制造技术

本发明专利技术公开了一种用于细胞

【技术实现步骤摘要】
一种用于细胞
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微珠捕获配对的微流控芯片


[0001]本专利技术属于微流控芯片技术中的微粒控制
，具体涉及一种用于细胞
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微珠捕获的微流控芯片。

技术介绍

[0002]细胞是生物体结构和功能的基本单位。在研究生物体解复杂组织的功能、探索疾病发病机理的过程中，对细胞的基因表达分析至关重要，而单细胞转录组测序(single cell RNA sequencing,scRNA
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seq)为基因表达分析的一种强大工具。Tang等在2009年首次提出了单细胞转录组测序技术(single cell RNA sequencing,scRNA
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seq)。基于从整个转录组获得的大量数据，scRNA
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seq提供了关于基因表达及其调节的完整信息，能够准确描述细胞的类型和状态。如今单细胞RNA测序技术能够快速确定成千上万个细胞的基因表达情况，分析相同基因细胞的的表型异质性，并应用于神经生物学、器官生长、癌症生物学、临床诊断、免疫学、微生物学、胚胎学、产前基因诊断等多个领域。
[0003]随着分子条形码技术以及微流控测序文库制备平台的发展，现有技术已经能够对成千上万个细胞进行单细胞转录组测序。单细胞转录组测序最常用的技术之一是将单个细胞与唯一的条形码微珠实行一对一的捕获配对的方式制备测序文库。近年来，众多研究者开发了多种技术来实现这一功能并致力于效率的提升。例如，Zheng等人设计了一种基于液滴的系统，该系统使用GemCode微珠能够对数万个单细胞进行RNA测序，细胞捕获效率大约为50％。Moon等人利用基于螺旋通道的微流控平台在封装细胞之前等距排列高浓度微珠，有效避免了同一液滴内封装多个微珠的问题。然而，基于液滴的技术对于细胞和微珠的捕获仍然具有随机性，配对效率仍然受限，因而技术无法处理低输入样本(<500)；同时该技术对外围设备的依赖(例如精确的液滴生成流体控制系统)限制了系统的便携性。基于微井阵列结构的细胞微珠大规模配对方法作为另一项单细胞转录组测序的代表性技术也在多个应用场景中得到了应用，但其随机配对的特点仍然会造成细胞和微珠配对的效率受到泊松分布的限制。因此，提升配对效率并简化操作、降低成本的技术成为单细胞转录组测序技术的发展趋势。研究者致力于采用辅助手段——如流场、电场控制等——来提升捕获配对效率。
[0004]介电泳(dielectrophoresis,DEP)是一种基于电场作用的微粒的主动控制机制，具体指悬浮在介质中的可极化粒子在非均匀电场下的运动，具有免标记和非接触的优点。介电泳力的大小取决于粒子的体积、粒子与周围介质的介电特性、所施加电场的频率、场强及场强梯度。随着微流控技术的发展，集成了介电泳电极的微流控平台已被广泛应用于多种细胞类型的操控和分选，包括细菌、真菌、血细胞、干细胞、肿瘤细胞等，并进一步延伸到纳米级别的生物颗粒(如DNA、蛋白质、病毒等)的操作。目前介电泳技术已经展现出应用在scRNA
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seq中以提升细胞捕获效率的潜力，例如，Rong Fan等开发了集成介电泳捕获功能的纳米井转移方法来辅助scRNA
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seq中细胞的高效捕获，突破细胞和微珠捕获的双泊松分布极限。然而目前运用介电泳辅助捕获的技术十分有限，并且仅限于细胞操作，并没有充分利
用介电泳的微粒控制能力达到细胞和微珠捕获效率的双重提升，因此捕获配对效率仍有很大的上升空间。此外，现有技术利用的是传统介电泳金属薄膜电极，介电泳力的空间控制范围十分有限；并且该电极配置需要较为繁复且高成本的电极、流道分步加工和对准的工艺。

技术实现思路

[0005]针对以上技术的缺点和不足，本专利技术的目的为提供一种用于细胞
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微珠捕获配对的微流控芯片。该芯片采用创新性的三维立体双层结构电极产生介电泳力来实现细胞和微珠的双重高效捕获和配对。与现有技术相比，微珠和细胞的捕获效率均突破了泊松分布的极限，并且能够连续高通量地处理样本；电极同时作为流道侧壁的一体化设计和基于倒模工艺的加工工艺简化了器件的微加工，降低了成本；器件操作简单，无需现有介电泳辅助技术中的翻转操作或多余阀控操作；基于微井的捕获技术使其无需生成液滴的外围设备支持，提高了其在便携式系统开发方面的应用潜力。
[0006]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0007]一种用于细胞
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微珠捕获配对的微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片包括自上而下依次组合在一起的介电泳捕获部(1)、微井收集部(2)、裂解埋层电极部(3)。
[0008]如图1所示，所述介电泳捕获部(1)由顶层(10)和位于其下方的电极
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流道层(12)构成，所述顶层(10)为长方体薄层。
[0009]如图2
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3所示，所述的电极
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流道层(12)具有一对位于顶层(10)下方、且关于沿顶层(10)长度方向且经过顶层(10)的宽度中点的对称轴(4)相对称的双层结构电极(5)，对称电极的每个电极由上下叠放的两层长条状薄层构成，沿着对称轴(4)方向平行延伸，与顶层(10)长度相同。所述对称放置的双层结构电极(5)，其间所夹空隙形成流道(13)。
[0010]如图2
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3所示，所述对称放置的双层结构电极(5)，其电极的上层长条状薄层(6)相对于下层长条状薄层(7)向流道(13)内伸出，下层长条状薄层(7)面向流道(13)的侧壁修饰有周期性的下层捕获凹槽(15)。如图2所示，所述上层长条状薄层(6)面向流道(13)的侧壁可以为直线型。如图3所示，所述上层长条状薄层(6)面向流道(13)的侧壁也可以修饰有周期性上层捕获凹槽(14)，且当修饰有周期性上层捕获凹槽(14)时，上层捕获凹槽(14)与下层捕获凹槽(15)在垂直于流道的方向上一一对应。
[0011]如图2
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3所示，所述介电泳捕获部(1)具有贯通顶层(10)和电极
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流道层(12)、并与流道(13)两端连通出口(8)和入口(9)。所述电极
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流道层(12)，从出口(8)和入口(9)分别沿流道(13)平行方向延伸出通向外部的窄沟道(16)。窄沟道(16)、出入口和流道(13)组成的空隙将对称放置的双层结构电极(5)彻底分隔绝缘。窄沟道中可通过毛细作用填充PDMS等可流动绝缘物质并固化，达到堵住多余流体出口(窄沟道向外的开口)和绝缘的目的。
[0012]如图1所示，所述微井收集部(2)为长方体薄层，位于介电泳捕获部(1)的下方并上下对齐。微井收集部具有两列周期性从上表面内凹、并沿流道(13)方向延伸的微井(17)。如图4所示，微井(17)与所述介电泳捕获部(1)的下层捕获凹槽(15)一一对应。当所述介电泳捕获部的上层长条状薄层(6)面向流道(13)的侧壁为直线型时，所述下层捕获凹槽(15)在流道深度方向上的投影完全包含在微井(17)的底面中，以保证下层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于细胞
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微珠捕获配对的微流控芯片，其特征在于，包括自上而下依次组合在一起的介电泳捕获部(1)、微井收集部(2)、裂解埋层电极部(3)；所述微井收集部(2)为长方体薄层，位于介电泳捕获部(1)的下方并上下对齐；所述裂解埋层电极部(3)为长方体薄层，位于微井收集部(2)下方并上下对齐，裂解埋层电极部(3)的上表面具有两条内凹的液体电极通道(11)。2.根据权利要求1所述的一种用于细胞
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微珠捕获配对的微流控芯片，其特征在于，所述介电泳捕获部(1)由顶层(10)和位于其下方的电极
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流道层(12)构成；所述的电极
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流道层(12)具有一对位于顶层(10)下方、且关于沿顶层(10)长度方向且经过顶层(10)的宽度中点的对称轴(4)相对称的双层结构电极(5)；对称的双层结构电极(5)的每个电极由上下叠放的两层长条状薄层构成，长条状薄层沿着对称轴(4)方向平行延伸，与顶层(10)长度相同。3.根据权利要求2所述的一种用于细胞
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微珠捕获配对的微流控芯片，其特征在于，所述对称的双层结构电极(5)之间所夹空隙形成流道(13)；所述对称的双层结构电极(5)的上层长条状薄层(6)相对于下层长条状薄层(7)向流道(13)内伸出；所述下层长条状薄层(7)面向流道(13)的侧壁修饰有周期性的下层捕获凹槽(15)；所述上层长条状薄层(6)面向流道(13)的侧壁为直线型或者修饰有周期性上层捕获凹槽(14)；所述电极
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流道层(12)，从出口和入口分别沿流道(13)平行方向延伸出通向外部的窄沟道(16)；窄沟道(16)、出入口和流道(13)组成的空隙将对称放置的双层结构电极(5)彻底分隔绝缘。4.根据权利要求3所述的一种用于细胞
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微珠捕获配对的微流控芯片，其特征在于，微井收集部具有两列周期性从上表面内凹、并沿流道(13)方向延伸的微井(17)；微井(17)与所述介电泳捕获部(1)的下层捕获凹槽(15)一一对应；当所述介电泳捕获部的上层长条状薄层(6)面向流道(13)的侧壁为直线型时，所述下层捕获凹槽(15)在流道深度方向上的投影完全包含在微井(17)的底面中；微井(17)底面整体形状能够容纳下一个微珠和一个细胞，微井(17)底面大于下层捕获凹槽(15)投影的部分向流道中心延伸，并且不受下层长条状薄层(7)在流道深度方向上的投影遮挡；当所述介电泳捕获部的上层长条状薄层(6)面向流道(13)的侧壁修饰有周期性上层捕获凹槽(14)时，所述下层捕获凹槽(15)和上层捕获凹槽(14)在流道深度方向上的投影均完全包含在微井(17)的底面中；微井(17)底面整体形状能够容纳下一个微珠和一个细胞，并且不受下层长条状薄层(7)在流道深度方向上的投影遮挡，以防止该遮挡阻碍微珠的回收。5.根据权利要求4所述的一种用于细胞
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微珠捕获配对的微流控芯片，其特征在于，所述两条液体电极通道(11)沿薄层长度方向并贯通；所述两条液体电极通道(11)分别位于所述两列微井(17)的正下方，且液体电极通道(11)的宽度和微井(17)宽度相同；所述两条液体电极通道(11)内充高电导率液体形成两条液体电极。6.按照权利要求4所述的一种用于细胞
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微珠捕获配对的微流控芯片，其特征在于，所述介电泳捕获部(1)的双层结构电极(5)的外侧分别连接捕获激励信号(18)和捕获接地信号(19)；当所述介电泳捕获部(1)的上层长条状薄层(6)面向流道(13)的侧壁...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢晓星，刘珠珠，蔡瑶，俞度立，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：