基于介电电泳的选择性液滴萃取微流控装置用于单细胞分析

我们开发了一种微流体装置，可以基于介电电泳从多个液滴捕获袋中选择性提取液滴。该装置由一个主微通道、五个带侧通道的液滴捕获袋和适当位于捕获袋周围的驱动电极对组成。由于主通道和侧通道之间的流动阻力不同，能够包封生物样品的琼脂糖液滴被成功地捕获在捕获袋中。在施加500 V电压的情况下，通过电极之间产生的介电电泳力从袋中选择性地提取目标液滴。在从捕获袋中提取液滴的过程中，将液滴及其内容物暴露在电场中400-800 ms。为了评估施加的电压是否可能损坏生物样本，比较了施加电压和不施加电压时液滴中大肠杆菌细胞的生长速率。没有观察到生长速度的显著差异。开发的设备能够筛选包封的单细胞并选择性提取目标液滴。

基于细胞阵列的微流体装置是单细胞分析的强大工具，因为它们可用于从细胞群中分离单个细胞以进行长期观察。通过在流动路径中捕获细胞，可以检查细胞行为的各个方面，包括细胞相互作用、药物反应和蛋白质表达。几种方法，如基于重力、流体力学、光镊和介电电泳（DEP）的方法，已被应用于微流体装置以捕获单个细胞。此外，许多研究要求在筛选出更具体反应的后续芯片外分析后，从设备中选择性提取细胞。最近，Lv等人和Zhu等人成功地通过流体动力学捕获细胞，并通过DEP从设备中选择性地提取细胞，而Kim等人能够使用微阀捕获细胞，通过应用回流将其选择性地提取到特定位置。然而，传统的微流体装置直接在通道中捕获裸细胞，由于用于捕获的压力或流体中的污染，这可能会导致细胞损伤。此外，在单微米尺度上分析样品，如大肠杆菌，需要相应较小的微通道，因此更难在通道内精确制造提取机制，如阀门和电极。

图1。微滴操作系统的工作原理。

为了克服这些困难，微滴可用于保护细胞免受压力和污染，并且可以调整液滴大小以便于处理。此外，微滴可以以与细胞阵列相同的方式被捕获在通道中，几项研究报告了通过排列液滴进行筛选。然而，尚未开发出一种有效的平台，用于在筛选后从阵列液滴中选择性地仅提取目标液滴。Tan和Takeuchi成功地使用激光产生的微泡选择性提取了包封细胞的藻酸盐液滴，尽管这一过程需要复杂的实验装置，激光的热量可能会损伤液滴中的细胞。Toprakchioglu和Knowles通过在捕获液滴后在通道中产生回流，实现了微滴的顺序释放，而不会损伤细胞，尽管这种方法不允许选择性提取目标液滴。还开发了用于选择性提取液滴的分选装置，然而，没有液滴捕集部分的装置很难随着时间的推移观察液滴，连续观察相同的液滴需要在液滴或细胞中添加标记因子。因此，需要具有简单结构的设备，可以选择性地提取液滴，而不会对液滴内的样品造成重大损坏。

图2:设备的示意图和尺寸。

在这篇论文中，我们提出了一种简单的新装置，用于捕获和选择性提取液滴，其中介电电泳（DEP）被用作选择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对液滴进行了高通量分选。此外，Jiang等人报道了DEP成功分选和分离液滴及其易于控制的特点。这些研究表明，液滴的精确操纵可以通过简单的结构来实现，例如在流道周围放置电极的结构。使用比传统装置结构更简单的所提出的装置，可以从液滴阵列中提取目标液滴。使用包封琼脂糖液滴的大肠杆菌验证了该装置的功能。

图3。使用微流体装置产生液滴。（A） 示意图。（B） 显微镜图像。

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