基于細胞陣列的微流控裝置是單細胞分析的強大工具，因為其可被用于從細胞群中分離出單個細胞以進行長時間觀察，通過在流道中捕獲細胞，微流控裝置可以檢測包括細胞互作、藥物反應(yīng)和蛋白質(zhì)表達在內(nèi)的細胞行為的各個方面。目前，基于重力、流體動力學(xué)、光鑷和介電泳（DEP）等在內(nèi)的方法已被應(yīng)用于微流控裝置以實現(xiàn)單細胞的捕獲。

此外，許多研究需要在成功捕獲細胞后從微流控裝置中選擇性提取細胞，以便后續(xù)對更具體的反應(yīng)進行片外分析。然而，傳統(tǒng)的微流控裝置直接在流道中捕獲裸細胞，這可能會由于用于捕獲的壓力或流體中的污染而導(dǎo)致細胞損壞。此外，在單微米尺度上分析如大腸桿菌等在內(nèi)的樣品，需要相應(yīng)較小的微通道，這使得精密制備可以適配微通道的閥門和電極等用于細胞提取的組件更加困難。

為了克服這些困難，微液滴可以用來保護細胞免受壓力和污染，并且液滴的大小可以靈活調(diào)整，以便于處理細胞。此外，微液滴還可以通過與細胞陣列相同的方式被捕獲在微通道中。然而，目前還沒有開發(fā)出一種有效的平臺，可以在微液滴被捕獲后從液滴陣列中選擇性提取目標液滴。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，日本早稻田大學(xué)（Waseda University）和千葉大學(xué)（Chiba University）的研究人員開發(fā)了一種微流控裝置，能夠從基于介電泳的多個液滴捕獲袋（droplet-trapping pockets）中選擇性提取液滴。該微流控裝置由一個主微通道、五個帶側(cè)通道的液滴捕獲袋和合理配置于捕獲袋周圍的驅(qū)動電極對組成。由于主通道和側(cè)通道之間的流動阻力差異，該微流控裝置能夠?qū)馍飿悠返沫傊且旱纬晒Φ夭东@到捕獲袋中。此外，該微流控裝置在500 V的電壓下，通過電極對之間產(chǎn)生的介電泳力，可以實現(xiàn)從捕獲袋中選擇性地提取目標液滴。



圖1 選擇性液滴提取微流控裝置示意圖



圖2 選擇性液滴提取微流控裝置工作原理

研究人員首先對該微流控裝置的液滴捕獲和提取性能進行了驗證。圖3顯示了直徑為30 μm ~ 55 μm不等的四種液滴的捕獲和提取過程。在成功捕獲液滴后，對電極對連續(xù)施加電壓以產(chǎn)生正介電泳（P-DEP）并實現(xiàn)液滴的提取。未被捕獲的液滴可能會再次被捕獲在更下游的開放捕獲袋中。當(dāng)這種情況發(fā)生時，有必要通過向下游捕獲袋對應(yīng)的電極對施加電壓來重新提取液滴?？傮w而言，相關(guān)實驗結(jié)果表明，該研究所制造的微流控裝置能夠捕獲和提取各種尺寸的液滴。

圖3 利用微流控裝置進行液滴捕獲和提?。海ˋ）30 μm；（B）40 μm；（C）50 μm；（D）55 μm

隨后，研究人員進一步評估了該微流控裝置選擇性液滴提取的能力。在該研究中，研究人員使用瓊脂糖液滴包裹直徑為3 μm的熒光微珠，并從微流控裝置入口處以0.2 μL/min的流速向微通道中注入包裹熒光微珠的瓊脂糖液滴和礦物油，以實現(xiàn)液滴的捕獲。如圖4所示，所捕獲的液滴中，位于左捕獲袋中的液滴含有一個熒光微珠，而位于右捕獲袋中的液滴內(nèi)是空的。

當(dāng)對左捕獲袋對應(yīng)的電極對施加500 V電壓時，只有位于左捕獲袋中的液滴被成功提取出來。這些結(jié)果表明，正介電泳只發(fā)生在對電極對施加電壓的捕獲袋中，從而證實了選擇性液滴提取的可行性。

圖4 利用微流控裝置進行目標液滴的選擇性提?。弘妷褐皇┘釉谧箅姌O對上

接下來，研究人員通過測試使用細胞進行可重復(fù)實驗的能力，驗證了該微流控裝置的生物效用。圖5顯示了包裹大腸桿菌細胞的瓊脂糖液滴的捕獲和提取。從微流控裝置入口以0.2 μ L/min的流速向微通道中注入包裹大腸桿菌細胞的瓊脂糖液滴和礦物油，結(jié)果液滴被成功捕獲在捕獲袋中。在相應(yīng)的電極對上施加500 V電壓后，電極對之間產(chǎn)生了足夠的正介電泳，實現(xiàn)了液滴的提取。結(jié)果表明，該微流控裝置能有效夠捕獲和提取包裹細菌和其他生物分子的液滴，具有良好的生物效用。

圖5 包裹大腸桿菌的瓊脂糖滴的捕獲和提取

最后，為了評估提取過程是否破壞了液滴中的大腸桿菌細胞，研究人員比較了施加電壓的液滴（DEP液滴）和未施加電壓的液滴（對照液滴）內(nèi)細胞的特定生長速率。結(jié)果表明，該研究中使用的提取工藝對大腸桿菌的生存能力沒有顯著影響。

圖6 瓊脂糖液滴包裹大腸桿菌細胞的顯微照片：（A）孵育0 h后的對照滴液；（B）孵育15 h后的對照滴液；（C）孵育0 h后的DEP滴液；（D）孵育15 h后的DEP滴液

綜上所述，在該研究工作中，研究人員開發(fā)了一種簡單的新型微流控裝置，用于液滴的捕獲和低損傷選擇性提取。相關(guān)實驗結(jié)果表明，該微流控裝置能夠有效捕獲和選擇性提取液滴，并且提取過程對細胞活力沒有顯著影響。因此，該研究的結(jié)果將有助于基于液滴的單細胞分析的進一步發(fā)展。

審核編輯：劉清