一种用于单细胞分析的微流控芯片质谱系统及其使用方法与流程

本发明属于质谱检测设备和分析技术领域，特别涉及一种用于单细胞分析的微流控芯片质谱系统及其使用方法。

背景技术：

近年来，电感耦合等离子体质谱仪(inductivelycoupledplasmamassspectrometry，icp-ms)作为强力的痕量元素分析技术，具有低检出限、干扰较少、高灵敏度、宽分析范围等优势，将其与其他技术联用已广泛应用于生物医疗、食品卫生、化学分析等领域，得到可靠精准的定性定量元素分析结果。被誉为“10大改变世界的发明”之一的微流控芯片作为一种新兴技术发展迅速，具有样品消耗量少、功能集成化高、尺度精密等优势，在细胞研究领域发挥巨大作用。而同种细胞间多样性和异质性对研究细胞中化学组分差异具有重要意义，因此对单细胞中元素分析可为生物、化学、医学等领域研究发展提供重要参考依据。而辨别同种细胞间多样性和异质性对研究细胞中化学组分差异具有重要意义。也就意味着同种群间单独细胞的生理反应和应激表达具有较大的差异。为更深入地了解细胞异质性对于细胞研究具有极为重要的意义。目前，单细胞分析是近年来一个重要的研究领域，而电感耦合等离子体质谱系统由于其出色的痕量元素分析能力，在单细胞检测方面起到了关键性作用。

随着科技发展，越来越多的金属在人类生命活动中扮演着愈发重要的作用，参与生命健康发展。尽管如此，这些微量金属元素在生命过程中的调控表达是被严格控制的。尤其是某些有毒重金属，对于人类损伤是较为严重的。比如有机态的汞能突破血脑屏障，永久性损害神经系统；无机砷可诱发基因突变，引起机体内组织功能结构异常；有毒金属镉则会导致肺水肿、肾损害，并且有致癌、致畸、致突变的可能性。研究细胞中有害金属作用机制对于解决重金属毒害作用尤为关键，但目前基于电感耦合等离子体质谱系统研究单细胞中金属间互相作用还鲜有报道。因此，设计一种高通量的单细胞金属分析系统对于阐明金属对单细胞影响非常关键。

目前，基于电感耦合等离子体质谱系统的单细胞检测方法主要有传统细胞悬浮液直接进样、液滴式进样以及激光剥蚀进样。

首先，传统细胞悬浮液进样，包括采用常规雾化器和总消耗雾化器进样，通常是将孵育后的细胞经过处理并稀释到所需浓度，利用统计学处理方法，依照仪器雾化进样效率，使得单一细胞在一个积分时间内被电感耦合等离子体质谱系统检测到，从而实现对细胞的直接检测。尽管该方法方便快捷，但由于细胞在悬液中的随机分布和雾化产物的随机分散，根据泊松分布公式计算，可知这样会显著增大同一积分时间内测到两个甚至多个细胞的概率，并且无法确定一个信号峰对应单独细胞，违背了单细胞检测的初衷。

其次，液滴式进样也就是液滴封装，利用油-水两相不溶产生液滴，调节细胞密度，实现细胞被封装入液滴中。随后被封装入液滴的单个细胞随着液流被引入后续检测器中进行单细胞检测，该方法主要包括喷射打印式和微流控液滴封装式。前者依靠脉冲电的作用将连续流相分裂为液滴(皮升级别)高精度地实现单细胞-液滴封装，但检测效率低、成本高，不适合广泛使用；后者利用微流控芯片设计特殊交叉管道，利用界面张力等因素实现液滴封装，该方法经济、检测效率高，但对于液滴芯片来说重现性和压力耐受性表现不理想制约了其后续应用。

再有，激光剥蚀进样，原理是将激光微束聚焦于单细胞样品表面使之熔蚀气化，随后通过载气将样品微粒均匀、稳定、高效地送入后续检测器当中进行分析，其具有分析检出限低，分辨率高，可以完成空间原位分析等优势。但其标准品不易得，需要特殊单细胞载样设备，都限制了快速、高通量的单细胞检测。

技术实现要素：

针对现有单细胞电感耦合等离子体质谱检测技术中存在的问题，本发明提供一种直接细胞悬浮液进样的微流控系统及其使用方法，基于惯性辅助排序来实现高通量的单细胞分离进样，并通过巧妙的设计实现无额外接口的元素定量分析；是利用流场效应将细胞悬浮液在进样过程中形成单细胞束，与电感耦合等离子体质谱联用对单细胞进行的检测方法；适用于单细胞或单亚细胞颗粒的电感耦合等离子体质谱分析；该系统主要部分为一块简单易得的聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)制备的微流控芯片，有效地保证单细胞进样效率并节约成本。通过将细胞悬浮液从进口处注入微流控芯片，从出口处实现单细胞分离，并通过雾化系统使单细胞液流形成单细胞气溶胶并引入电感耦合等离子体质谱仪检测。在优化的条件下，保证了单细胞高效有序的排列以及后续的高通量检测。基于上述惯性辅助排序单细胞分离进样系统联用电感耦合等离子体质谱仪分析系统，我们实现了在大的流速范围内稳定高通量的单细胞排列进样，该方法可用于单细胞水平下的元素定量分析。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于单细胞分析的微流控芯片质谱系统，包括微量注射泵a、微量注射泵b、微流控芯片、毛细管a、毛细管b、毛细管c；所述微流控制芯片有两个进口和一个出口，两个进口分别是进口ⅰ和进口ⅱ，所述毛细管a一端与微量注射泵a出口端相连，另一端与微流控芯片的进口ⅰ相连，毛细管a作为细胞悬浮液进口通道；所述毛细管b一端与微量注射泵b出口端相连，另一端与微流控芯片的进口ⅱ相连，毛细管b作为补充标准溶液进口通道；所述毛细管c一端与微流控芯片中位于汇合通道末端的出口相连，另一端通过商用雾化系统与电感耦合等离子体质谱仪相连，毛细管c作为单细胞出口通道。

所述微流控制芯片还包括螺旋缠绕八圈的盘状微米级单细胞分离通道、螺旋缠绕一圈的微米级多功能通道及微米级汇流通道组成，所述微米级单细胞分离通道和微米级多功能通道在出口处相连形成微米级汇流通道，在微米级单细胞分离通道内均匀设置有微障碍物；微米级单细胞通道宽度为100～500μm，总长为8.9～44.5cm，微米级单细胞通道内微障碍物长度50～250μm，宽度为50～250μm，共计52～210个；微米级多功能通道宽度为200～1000μm，长度为1.0～5.0cm；微米级汇流通道宽度为200～500μm；整体高度均为50～100μm；微流控芯片的面积为0.3cm²～4.0cm²。

一种用于单细胞分析的微流控芯片质谱系统对单细胞进行检测的使用方法，采用一种用于单细胞分析的微流控芯片质谱系统，包括如下步骤：

步骤1，准备进样：由微量注射泵a提供细胞内含特定元素的细胞悬浮液，通过毛细管a连接到微流控芯片进口ⅰ；由微量注射泵b提供进行定量元素分析的补充标准溶液，通过毛细管b连接到微流控芯片进口ⅱ；

步骤2，细胞的有序排列：根据粒子惯性聚焦原理，细胞悬浮液由微量注射泵a被毛细管a引入微流控芯片中，在添加微障碍物的作用下，液流在微米级单细胞分离通道中不断地进行二次流加速，二次流产生的作用力不断作用到细胞上，细胞悬浮液中杂乱无章的细胞被排列为井然有序的单细胞束；

步骤3，单细胞束形成：在微米级汇流通道内，由微量注射泵a通过毛细管a引入进口ⅰ的细胞悬浮液和由微量注射泵b通过毛细管b引入进口ⅱ的补充标准液进行合并，形成包含单细胞液流和定量元素分析的标准溶液的汇流，通过出口及毛细管c引入进商务雾化系统内；

步骤4，单细胞液流雾化：载有单细胞束及定量元素分析的标准溶液的汇流在商务雾化系统的雾化器出口被商务雾化系统的载气入口进入的载气氩气雾化；

步骤5，单细胞的定量分析：雾化产物随载气氩气进入电感耦合等离子体质谱仪，在时间分辨模式下进行检测；捕捉并记录待测元素的瞬时信号随时间响应，根据迭代算法获取有效信号，通过有效信号及高斯拟合获取信号强度-频率分布状况；最后，根据有效信号数值和高斯拟合结果定量化单细胞中待测元素；

步骤6，重复测定：清洗用于单细胞分析的微流控芯片质谱系统，重复步骤1-步骤5，再次进样检测。

所述步骤1中，细胞内含特定元素的细胞悬浮液的制备方法为：

(1)在细胞培养孔板中，将第一培养基中培养细胞至对数生长期，去除第一培养基并清洗；

(2)在细胞培养孔板中，换入含有特定浓度待测金属溶液的第二培养基培养，孵育细胞；

(3)将孵育好的细胞从细胞培养孔板消化下来，并进行离心清洗，用磷酸缓冲溶液重悬离心产物以制成细胞悬浮液，其中磷酸根粒子浓度为0.01mol/lpo4^3-，ph＝7.4；

(4)使用血球计数板对细胞悬浮液中的细胞进行计数，并用磷酸缓冲溶液稀释至细胞数密度为10³～10⁷cells/ml。

所述步骤1中，补充标准溶液中的元素依照待测元素的相对原子质量而定，即与待测元素相对原子质量数相差±10，用于进行内标法定量；随后将该补充标准溶液依照特定浓度配置备用。

所述步骤1中，细胞悬浮液进样流量为20～1200μl/min，补充标准溶液流量为20～1200μl/min；

所述步骤4中，载气流量0.5～1.3l/min。

所述步骤4中，载气氩气纯度均为99.999％；电感耦合等离子体质谱仪的功率为1250～1570w，积分时间为0.1～10ms。

本发明的一种惯性辅助排序单细胞分离进样系统及其在单细胞检测中的使用方法，与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、与传统细胞悬浮液进样方式相比，不受限于特定流体条件限制，在宽范围的流速下形成稳定高效的单细胞排列，可以提供更理想的单细胞定量分析结果；

2、与液滴发生系统相比，可以免除有机相干扰、无需多余的交叉管路设计、大大增加了单细胞检测效率；

3、本方法由微量注射泵b提供补充标准溶液引入进口ⅱ，可以省去每次制作标准曲线的工作，也无需传统半定量检测的单独鞘流液接口，方便快捷地实现元素测定；

4、本方法由微量注射泵b提供补充标准溶液引入进口ⅱ，可以通过改变流体条件及标准物质浓度来匹配雾化系统条件，实现灵活可控的元素分析；

5、本方法由微量注射泵b提供补充标准溶液引入进口ⅱ，与单细胞液流汇流，有效地促进单细胞随着液流稳定行进，增加了检测的稳定性。

附图说明

图1为本发明用于单细胞分析的微流控芯片质谱系统的微流控芯片示意图；

图2为本发明用于单细胞分析的微流控芯片质谱系统示意图；

其中，1、微流控芯片，2、毛细管a，3、毛细管b，4、进口ⅰ，5、进口ⅱ，6、微米级单细胞分离通道，7、微米级多功能通道，8、微障碍物，9、微米级汇流通道，10、出口，11、毛细管c，12、微量注射泵a，13、微量注射泵b，14、商用雾化系统，15、电感耦合等离子体质谱仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细说明。

如图1和图2所示，一种用于单细胞分析的微流控芯片质谱系统，包括微量注射泵a12、微量注射泵b13、微流控芯片1、毛细管a2、毛细管b3、毛细管c11；所述微流控制芯片有两个进口和一个出口10，两个进口分别是进口ⅰ4和进口ⅱ5，所述毛细管a2一端与微量注射泵a12出口端相连，另一端与微流控芯片1的进口ⅰ4相连，毛细管a2作为细胞悬浮液进口通道；所述毛细管b3一端与微量注射泵b13出口端相连，另一端与微流控芯片1的进口ⅱ5相连，毛细管b3作为补充标准溶液进口通道；所述毛细管c11一端与微流控芯片1中位于汇合通道末端的出口10相连，另一端通过商用雾化系统14与电感耦合等离子体质谱仪15相连，毛细管c11作为单细胞出口通道，所述商用雾化系统14的型号为g3266-80005，电感耦合等离子体质谱仪15的型号为8900，所述毛细管a2、毛细管b3和毛细管c11的外径均为1.6mm，内径均为160μm。

所述微流控制芯片还包括螺旋通道，螺旋通道由螺旋缠绕八圈的盘状微米级单细胞分离通道6、螺旋缠绕一圈的微米级多功能通道7及微米级汇流通道9组成，所述微米级单细胞分离通道6和微米级多功能通道7在出口处相连形成微米级汇流通道9，在微米级单细胞分离通道6内均匀设置有微障碍物8；微米级单细胞分离通道6宽度为300μm，总长度为26.7cm；微米级单细胞通道内微障碍物8长度150μm，宽度为150μm，个数为104个；微米级多功能通道7宽度为300μm，长度为3cm，微米级汇流通道9宽度为600μm；整体高度均为50～100μm；微流控芯片1的面积为1.44cm²。

实施例1

一种用于单细胞分析的微流控芯片质谱系统对单细胞进行检测的使用方法，采用一种用于单细胞分析的微流控芯片质谱系统，包括如下步骤：

步骤1，准备进样：由微量注射泵a12提供含cd²⁺的细胞悬浮液，流量为200μl/min，细胞密度为10⁶cells/ml，通过毛细管a2连接到微流控制芯片进口ⅰ4，将含cd²⁺的细胞悬浮液通入进微米级单细胞分离通道6内；

细胞内含cd²⁺的细胞悬浮液的制备方法为：

(1)在细胞培养孔板中，将第一培养基中培养细胞至对数生长期，去除第一培养基并清洗；

(2)在细胞培养孔板中，换入含有一定cd²⁺溶液的新鲜培养基培养一定时间，孵育细胞，其中cd²⁺的浓度100μg/l；

(3)将孵育好的细胞从细胞培养孔板中消化下来，并进行离心清洗，用磷酸缓冲溶液重悬离心产物以制成细胞悬浮液，其中磷酸根粒子浓度为0.01mol/l，ph＝7.4；

(4)使用血球计数板对细胞悬浮液中的细胞进行计数，并用磷酸缓冲溶液稀释到所需细胞数浓度10⁶cells/ml；

由微量注射泵b13提供含铟元素的补充标准液，流量为200μl/min，浓度为100μg/l，通过毛细管b3连接到微流控制芯片进口ⅱ5，将含铟元素的补充标准液通入微米级多功能通道7内；

步骤2，细胞的有序排列：根据粒子惯性聚焦原理，在微米级单细胞分离通道6的微障碍物8的作用下，含cd²⁺的细胞悬浮液液流在微米级单细胞分离通道6中不断地进行二次流加速作用到细胞上，含cd²⁺的细胞悬浮液中杂乱无章的细胞被排列为井然有序的单细胞束；

步骤3，单细胞束形成：在微米级汇流通道9内，由微米级单细胞分离通道6内的含cd²⁺的单细胞束和由微米级多功能通道7内的用于定量镉元素的铟元素标准补充液进行合并，形成包含单细胞液流和定量镉元素的铟元素标准补充液的汇流，通过出口及毛细管c11引入进商务雾化系统内；

步骤4，单细胞液流雾化：进入商用雾化系统14并被纯度为99.999％，流量为1.09l/min的载气氩气雾化；

步骤5，单细胞的定量分析：形成的雾化产物由载气氩气带动下进入电感耦合等离子体质谱仪15，其中，电感耦合等离子体功率为1350w，积分时间为1ms；在时间分辨模式下进行检测；通过该单细胞分离-电感耦合等离子体质谱仪联用分析系统，可以获得单个细胞中镉元素和铟元素的瞬时信号随时间响应，根据迭代算法获取有效信号，通过有效信号获取信号强度-频率分布状况，对频率分布状况进行高斯拟合，得到单细胞中镉元素定量分析；

步骤6，重复测定：清洗用于单细胞分析的微流控芯片质谱系统，重复步骤1～步骤5，再次进样检测。

实施例2

一种用于单细胞分析的微流控芯片质谱系统对单细胞进行检测的使用方法，采用一种用于单细胞分析的微流控芯片质谱系统，包括如下步骤：

步骤1，准备进样：由微量注射泵a12提供在含金纳米粒子培养基中孵育过的细胞的细胞悬浮液，流量为200μl/min，细胞密度为10⁶cells/ml，通过毛细管a2连接到微流控制芯片进口ⅰ4，将含cd²⁺的细胞悬浮液通入进微米级单细胞分离通道6内；

其中细胞内含金纳米粒子的细胞悬浮液的制备方法为：

(1)在细胞培养孔板中，将第一培养基中培养细胞至对数生长期，去除第一培养基并清洗；

(2)在细胞培养孔板中，换入含有纳米粒子溶液的新鲜培养基培养一定时间，其中金纳米粒子的直径为12nm，au原子的浓度为1μmol/l，孵育细胞；

(3)将孵育好的细胞从细胞培养孔板中消化下来，并进行离心清洗，用磷酸缓冲溶液重悬离心产物以制成细胞悬浮液，其中磷酸根粒子浓度为0.01mol/l，ph＝7.4；

(4)使用血球计数板对细胞悬浮液中的细胞进行计数，并用磷酸缓冲溶液稀释到所需细胞数浓度10⁶cells/ml。

由微量注射泵b13提供含铂的补充标准液，流量为200μl/min，浓度为100μg/l，通过毛细管b3连接到微流控制芯片进口ⅱ5，将含铂的补充标准液通入微米级多功能通道7内；

步骤2，细胞的有序排列：根据粒子惯性聚焦原理，在微米级单细胞分离通道6的微障碍物8的作用下，含金纳米粒子的细胞悬浮液液流在微米级单细胞分离通道6中不断地进行二次流加速作用到细胞上，含金纳米粒子的细胞悬浮液中杂乱无章的细胞被排列为井然有序的单细胞束；

步骤3，单细胞束形成：在微米级汇流通道9内，由微米级单细胞分离通道6内的含金纳米粒子的单细胞束和由微米级多功能通道7内的用于定量金元素的铂元素标准补充液进行合并，形成包含单细胞液流和定量金元素的铂元素标准补充液的汇流，通过出口10及毛细管c11引入进商务雾化系统内；

步骤4，单细胞液流雾化：进入商用雾化系统14并被纯度为99.999％，流量为1.09l/min的载气氩气雾化；

步骤5，单细胞的定量分析：形成的雾化产物由载气氩气带动下进入电感耦合等离子体质谱仪15，其中，电感耦合等离子体功率为1370w，积分时间为1ms；在时间分辨模式下进行检测；通过该单细胞分离-电感耦合等离子体质谱仪联用分析系统，可以获得单个细胞中金元素和铂元素的瞬时信号随时间响应，根据迭代算法获取有效信号，通过有效信号获取信号强度-频率分布状况，并对频率分布状况进行高斯拟合，得到单细胞中金元素和铂元素的定量分析。根据金的理化性质，获得单细胞中金纳米粒子的质量和数量，并获得金纳米粒子在细胞亚群中随时间的分布概况；

步骤6，重复测定：清洗用于单细胞分析的微流控芯片质谱系统，重复步骤1～步骤5，再次进样检测。

实施例3

一种用于单细胞分析的微流控芯片质谱系统对单细胞进行检测的使用方法，采用一种用于单细胞分析的微流控芯片质谱系统，包括如下步骤：

步骤1，准备进样：由微量注射泵a12提供含cd²⁺和cu²⁺的细胞悬浮液，流量为200μl/min，细胞密度为10⁶cells/ml；

细胞内含cd²⁺和cu²⁺的细胞悬浮液的制备方法为：①在细胞培养孔板中，将第一培养基中培养细胞至对数生长期，去除第一培养基并清洗；②在细胞培养孔板中，换入含有一定cd²⁺和cu²⁺溶液的新鲜培养基培养一定时间，孵育细胞，其中cd²⁺的浓度1000μg/l，cu²⁺的浓度100μg/l；③将孵育好的细胞从细胞培养孔板中消化下来，并进行离心清洗，用磷酸缓冲溶液重悬离心产物以制成细胞悬浮液，其中磷酸根粒子浓度为0.01mol/l，ph＝7.4；④使用血球计数板对细胞悬浮液中的细胞进行计数，并用磷酸缓冲溶液稀释到所需细胞数浓度(10⁶cells/ml)。

由微量注射泵b13提供含铟元素和锗元素的补充标准液，流量为200μl/min，浓度为100μg/l，通过毛细管b3连接到微流控制芯片进口ⅱ5，将含铟元素和锗元素的补充标准液通入微米级多功能通道7内；

步骤2，细胞的有序排列：根据粒子惯性聚焦原理，在微米级单细胞分离通道6的微障碍物8的作用下，含cd²⁺和cu²⁺的细胞悬浮液液流在微米级单细胞分离通道6中不断地进行二次流加速作用到细胞上，含cd²⁺和cu²⁺的细胞悬浮液中杂乱无章的细胞被排列为井然有序的单细胞束；

步骤3，单细胞束形成：在微米级汇流通道9内，由微米级单细胞分离通道6内的含cd²⁺和cu²⁺的单细胞束和由微米级多功能通道7内的用于定量镉元素的铟元素及定量铜元素的锗元素的标准补充液进行合并，形成包含单细胞液流和用于定量镉元素的铟元素及定量铜元素的锗元素的标准补充液的汇流，通过出口10及毛细管c11引入进商务雾化系统；

步骤4，单细胞液流雾化：进入商用雾化系统14并被纯度为99.999％，流量为1.09l/min的载气氩气雾化；

步骤5，单细胞的定量分析：形成的雾化产物由载气带动下进入电感耦合等离子体质谱仪15，其中，电感耦合等离子体功率为1350w，积分时间为1ms；在时间分辨模式下进行检测；通过该单细胞分离-电感耦合等离子体质谱仪联用分析系统，可以获得单个细胞中镉元素、铟元素、铜元素以及锗元素的瞬时信号随时间响应，根据迭代算法获取有效信号，通过有效信号获取信号强度-频率分布状况，并对频率分布状况进行高斯拟合，得到单细胞中镉元素和铜元素的定量分析。

步骤6，重复测定：清洗用于单细胞分析的微流控芯片质谱系统，重复步骤1～步骤5，再次进样检测。