基于介電電泳的選擇性液滴萃取微流體裝置用于單細胞分析

我們開發(fā)了一種微流體裝置，可以基于介電電泳從多個液滴捕獲袋中選擇性提取液滴。該裝置由一個主微通道、五個帶側(cè)通道的液滴捕獲袋和適當位于捕獲袋周圍的驅(qū)動電極對組成。由于主通道和側(cè)通道之間的流動阻力不同，能夠包封生物樣品的瓊脂糖液滴被成功地捕獲在捕獲袋中。在施加500 V電壓的情況下，通過電極之間產(chǎn)生的介電電泳力從袋中選擇性地提取目標液滴。在從捕獲袋中提取液滴的過程中，將液滴及其內(nèi)容物暴露在電場中400-800 ms。為了評估施加的電壓是否可能損壞生物樣本，比較了施加電壓和不施加電壓時液滴中大腸桿菌細胞的生長速率。沒有觀察到生長速度的顯著差異。開發(fā)的設(shè)備能夠篩選包封的單細胞并選擇性提取目標液滴。
基于細胞陣列的微流體裝置是單細胞分析的強大工具，因為它們可用于從細胞群中分離單個細胞以進行長期觀察。通過在流動路徑中捕獲細胞，可以檢查細胞行為的各個方面，包括細胞相互作用、藥物反應(yīng)和蛋白質(zhì)表達。幾種方法，如基于重力、流體力學、光鑷和介電電泳（DEP）的方法，已被應(yīng)用于微流體裝置以捕獲單個細胞。此外，許多研究要求在篩選出更具體反應(yīng)的后續(xù)芯片外分析后，從設(shè)備中選擇性提取細胞。最近，Lv等人和Zhu等人成功地通過流體動力學捕獲細胞，并通過DEP從設(shè)備中選擇性地提取細胞，而Kim等人能夠使用微閥捕獲細胞，通過應(yīng)用回流將其選擇性地提取到特定位置。然而，傳統(tǒng)的微流體裝置直接在通道中捕獲裸細胞，由于用于捕獲的壓力或流體中的污染，這可能會導致細胞損傷。此外，在單微米尺度上分析樣品，如大腸桿菌，需要相應(yīng)較小的微通道，因此更難在通道內(nèi)精確制造提取機制，如閥門和電極。
為了克服這些困難，微滴可用于保護細胞免受壓力和污染，并且可以調(diào)整液滴大小以便于處理。此外，微滴可以以與細胞陣列相同的方式被捕獲在通道中，幾項研究報告了通過排列液滴進行篩選。然而，尚未開發(fā)出一種有效的平臺，用于在篩選后從陣列液滴中選擇性地僅提取目標液滴。Tan和Takeuchi成功地使用激光產(chǎn)生的微泡選擇性提取了包封細胞的藻酸鹽液滴，盡管這一過程需要復雜的實驗裝置，激光的熱量可能會損傷液滴中的細胞。Toprakchioglu和Knowles通過在捕獲液滴后在通道中產(chǎn)生回流，實現(xiàn)了微滴的順序釋放，而不會損傷細胞，盡管這種方法不允許選擇性提取目標液滴。還開發(fā)了用于選擇性提取液滴的分選裝置，然而，沒有液滴捕集部分的裝置很難隨著時間的推移觀察液滴，連續(xù)觀察相同的液滴需要在液滴或細胞中添加標記因子。因此，需要具有簡單結(jié)構(gòu)的設(shè)備，可以選擇性地提取液滴，而不會對液滴內(nèi)的樣品造成重大損壞。
在這篇論文中，我們提出了一種簡單的新裝置，用于捕獲和選擇性提取液滴，其中介電電泳（DEP）被用作選擇性提取液流的工作原理。Agresti等人、Schütz等人和Isozaki等人已成功使用DEP對液滴進行了高通量分選。此外，Jiang等人報道了DEP成功分選和分離液滴及其易于控制的特點。這些研究表明，液滴的精確操縱可以通過簡單的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，例如在流道周圍放置電極的結(jié)構(gòu)。使用比傳統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)更簡單的所提出的裝置，可以從液滴陣列中提取目標液滴。使用包封瓊脂糖液滴的大腸桿菌驗證了該裝置的功能。
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審核編輯 黃宇