基于細(xì)胞陣列的微流控裝置是單細(xì)胞分析的強(qiáng)大工具，因為其可被用于從細(xì)胞群中分離出單個細(xì)胞以進(jìn)行長時間觀察，通過在流道中捕獲細(xì)胞，微流控裝置可以檢測包括細(xì)胞互作、藥物反應(yīng)和蛋白質(zhì)表達(dá)在內(nèi)的細(xì)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(xì)胞的捕獲。

此外，許多研究需要在成功捕獲細(xì)胞后從微流控裝置中選擇性提取細(xì)胞，以便后續(xù)對更具體的反應(yīng)進(jìn)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(xì)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(xì)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(xì)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(hù)細(xì)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(xì)胞。此外，微液滴還可以通過與細(xì)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(biāo)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(biāo)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行目標(biāo)液滴的選擇性提取：電壓只施加在左電極對上

接下來，研究人員通過測試使用細(xì)胞進(jìn)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)胞分析的進(jìn)一步發(fā)展。

審核編輯：劉清