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微流控專題 | 單細(xì)胞封裝技術(shù)全解析：從原理到應(yīng)用的前沿探索

來源：廣州虹科電子科技有限公司 2025年06月21日 09:10 6

為了從單細(xì)胞實驗中獲得有意義的生物數(shù)據(jù)，需要對大量單個細(xì)胞進(jìn)行分析。這可以通過使用基于壓力驅(qū)動流控的液滴微流控技術(shù)來實現(xiàn)。本應(yīng)用說明中描述的微流體平臺用于生成皮升大小的微液滴，以單細(xì)胞水平封裝 HeLa 細(xì)胞以供進(jìn)一步分析。此過程稱為單細(xì)胞封裝（single cell encapsulation）。所使用的細(xì)胞懸液濃度需遵循泊松分布（Poisson law），以確保實驗過程中穩(wěn)定的細(xì)胞封裝。本方案可適用于封裝不同類型的細(xì)胞，并能夠生成不同尺寸的液滴。

應(yīng)用

腫瘤學(xué)（解析由少量細(xì)胞亞群攜帶的突變）
免疫學(xué)（區(qū)分不同類型的免疫細(xì)胞或表征稀有免疫細(xì)胞群）
學(xué)（構(gòu)建詳細(xì)的單細(xì)胞圖譜，以識別和理解不同類型的神經(jīng)元及其在大腦中的連接分子）
發(fā)育生物學(xué)（基于單細(xì)胞水平描繪胚胎的整個發(fā)育過程）
單細(xì)胞組學(xué)（揭示組織樣本的細(xì)胞異質(zhì)性）
以及更多可能的應(yīng)用

單細(xì)胞封裝設(shè)置

硬件

OB1 流量控制器，至少帶有兩個 0–2000 mbar通道
1 x 流量傳感器 MFS 2D 0.4–7 µL/min，用于油溶液
1 x 流量傳感器 MFS 3D 4,2–80 µL/min，用于細(xì)胞懸浮液
1 套魯爾鎖入門包
2 x 15 mL falcon儲液器
帶疏水通道的微流控芯片
用于觀察的顯微鏡
用于成像的高速攝像機(jī)（可選）

化學(xué)品

HF5-7500 + 1 % FluoSurf 表面活性劑（法國 Emulseo）
Aquapel（德國 Autoserv）用于疏水處理（可選）

芯片設(shè)計

所使用的微流控芯片采用流體聚焦結(jié)構(gòu)，其材質(zhì)為聚二甲基硅氧烷（PDMS）。微流控通道經(jīng)過 Aquapel 處理，使通道表面呈疏水性。

根據(jù)所需液滴尺寸，可選用不同的商用芯片，以實現(xiàn)相同的實驗?zāi)繕?biāo)：

液滴尺寸在 [10~30] µm 之間：Microfluidic ChipShop（Fluidic 947–液滴發(fā)生器芯片）

液滴尺寸在 [50~80] µm 之間：Microfluidic ChipShop（Fluidic 440–液滴發(fā)生器芯片）

液滴尺寸在 [20~50] µm 之間：液滴基因組學(xué)

單細(xì)胞封裝快速入門指南

儀器連接

使用氣動管路將 OB1 壓力控制器連接至外部氣源，并使用 USB 數(shù)據(jù)線連接至計算機(jī)。有關(guān) OB1 壓力控制器的詳細(xì)設(shè)置說明，請參考《OB1 用戶指南》。
將流量傳感器連接到 OB1。
按下電源開關(guān)，啟動OB1。
啟動 Elveflow 軟件。Elveflow Smart Interface（ESI）的主要功能和選項詳見《ESI 用戶指南》，請參考該指南獲取詳細(xì)說明。
在軟件中點擊 “添加儀器” / 選擇 OB1/ 設(shè)置為 MK3+，如有需要，可設(shè)置壓力通道，給儀器命名后點擊 “OK” 以保存更改。此時，OB1 應(yīng)已列入識別設(shè)備列表。
使用 OB1 需進(jìn)行校準(zhǔn)，請參考《OB1 用戶指南》進(jìn)行操作。
添加 流量傳感器：點擊 “添加傳感器” / 選擇 流量傳感器/ 選擇 模擬或數(shù)字（若選擇模擬傳感器，請設(shè)置流量工作范圍），為傳感器命名，選擇連接的設(shè)備及通道，并點擊 “OK” 保存更改。此時，流量傳感器應(yīng)已列入識別設(shè)備列表。詳細(xì)操作請參考《MFS 用戶指南》。
打開 OB1 控制窗口。

溶液制備

準(zhǔn)備油相溶液儲液瓶：向儲液瓶中加入 HFE-7500 + 1% FluoSurf 表面活性劑，并連接隨附的 1/16英寸外徑（OD）管路和 4mm 外徑（OD）螺旋管。更多細(xì)節(jié)請參考視頻《OB1 連接器使用指南》。
重復(fù)步驟 1，用于本實驗所需的 HeLa 細(xì)胞懸液水相溶液。

提示：根據(jù)泊松分布，并結(jié)合特定的液滴體積，精確計算并制備 HeLa 細(xì)胞懸液的濃度[1]。建議使用較低的細(xì)胞濃度，以減少包含兩個或以上細(xì)胞的液滴數(shù)量。推薦的λ 值范圍為 0.05 至 0.1（當(dāng)λ= 0.05 時，盡管僅有 5% 的液滴會包含細(xì)胞，但其中 98% 僅封裝單個細(xì)胞）。

可選項：如需收集并重新注入液滴乳液，可準(zhǔn)備一個收集瓶，其中預(yù)先加入 HFE-7500 + 1% FluoSurf 表面活性劑，以確保液滴在收集后仍處于穩(wěn)定環(huán)境中。
如有需要，可對微流控芯片進(jìn)行疏水處理，例如使用 Aquapel（Autoserv，德國）進(jìn)行表面改性。

提示：Aquapel 遇空氣后會發(fā)生結(jié)晶，的芯片處理方法如下：
(i) 用氬氣沖洗芯片；
(ii) 注入Aquapel進(jìn)行表面處理；
(iii) 再次用氬氣沖洗芯片；
(iv) 最后用HFE-7500油相進(jìn)行潤洗。

單細(xì)胞封裝

流量測量：在微流控儲液瓶與芯片之間連接流量傳感器。詳細(xì)操作請參考《MFS 用戶指南》
油相預(yù)充填：將油相溶液的壓力設(shè)置為低壓（例如 50 mbar），直至溶液從管路末端滴出，然后將管路連接至對應(yīng)的入口，確保微流控芯片充滿油相。
對細(xì)胞懸浮液重復(fù)步驟2。

提示：為防止實驗過程中細(xì)胞沉降，可對 Falcon 管施加輕微攪拌或渦旋振蕩。具體方式可根據(jù)細(xì)胞類型和實驗時長選擇合適的選項。

施加壓力與流速：
油相溶液：施加 300 mbar壓力或設(shè)定 45 µL/min 流速。
細(xì)胞懸液：施加 220 mbar壓力或設(shè)定 10 µL/min 流速。
以上參數(shù)可用于制備約 50 µm 直徑的液滴。

提示：步驟 4 中提供的參數(shù)可適當(dāng)提高，以增加液滴的生成頻率，但需保持流速比恒定。

收集乳液：在出口處使用收集瓶采集乳液，以便進(jìn)行后續(xù)實驗。

提示：確保出口端浸沒在含有油相和表面活性劑的溶液中，以維持液滴存儲的穩(wěn)定環(huán)境。

單細(xì)胞分析

在本應(yīng)用說明中，細(xì)胞溶液（1.375 × 10? cells/mL）按照泊松分布（λ= 0.096）進(jìn)行封裝，所生成的液滴平均直徑為 51.2±1.2 µm，變異系數(shù)（CV）為 2.4%。

	Droplet diameter	0 cell per droplet	1 cell per droplet	≥2 cells per droplet
Theory	50 µm	91.4 %	8.2 %	0.4 %
Experimentally	51.2±1.2 µm	90.9 %	8.7 %	0.4 %

關(guān)鍵詞：傳感器顯微鏡

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