单细胞萃取电喷雾质谱分析系统和方法技术方案

本发明专利技术提出了单细胞质谱分析系统及实施单细胞质谱分析的方法，所述系统包括：顺次设置的第一微动台、显微镜、第二微动台、第一图像采集部件及质谱仪；其中，显微镜的载物台上设置有细胞定位芯片；第一微动台上设置有加液针，适于向细胞定位芯片上加入萃取液；第二微动台上设置有取液针，适于从细胞定位芯片上吸取经萃取液萃取所得到的萃取物并送至质谱仪中。利用本发明专利技术的系统实现了单细胞的高精密度、高速度、高重复度和高自动化的质谱检测分析，分析量可达皮升级。同时，可以克服手工操作过程中固有的缺点，使质谱单细胞分析摆脱对操作人员的依赖，过程更加规范，使用更加简便，分析更加精准，结果更加可靠。

Single cell extraction electrospray ionization mass spectrometry analysis system and method

【技术实现步骤摘要】
单细胞萃取电喷雾质谱分析系统和方法
本专利技术涉及仪器检测和分析领域。具体地，本专利技术涉及单细胞萃取电喷雾质谱分析系统和方法。
技术介绍
目前，单细胞分析得到越来越多的重视。在生物医学领域，如基因分析、药物研发、组织形成、癌症机理、疾病治疗等方面需要对单细胞进行分析。在传统的细胞生物学研究中，人们以群体细胞作为研究对象，已经探索出了许多疾病的致病机制和治疗方法。然而随着生命科学的发展，研究者们开始逐渐意识到单个细胞之间也存在着差异，这种差异被称作“单细胞的异质性”，它在许多生命过程中扮演着至关重要的角色。在癌症的临床治疗中，一群癌细胞在经过抗癌药物的作用后，会有极少量的癌细胞意外地存活了下来，逐渐成为强大的耐药癌细胞，使后续的化疗以失败而告终。除了癌细胞耐药这一生命过程以外，单细胞的异质性在干细胞的分化中也表现得尤为明显。一群干细胞会向着不同的方向分化，从而形成生命体中不同的组织和器官。这些实际的生物现象表明，看似相同的一群细胞，其实彼此之间是存在差异的，而探索这样的差异正是破解生命奥秘的关键。传统的检测方法只能针对群体细胞进行检测，由此获得的平均化的检测结果会将单细胞之间的异质性掩盖，使得这些重要的生命过程难以被深入研究。因此，为了阐明这些与生物发育、疾病治疗息息相关的重大生命问题，以单细胞作为研究对象，致力于发展针对单个细胞的研究方法是至关重要的。荧光显微成像仪器结合荧光探针技术是目前单细胞分析与成像的主要技术手段，已有多种荧光显微成像技术用于单细胞成像。常用的荧光探针有荧光小分子探针、荧光纳米探针和荧光蛋白探针等，在流式细胞检测、亚细胞区域定位、细胞中蛋白、基因、小分子代谢物的分析以及细胞动态行为研究等方面获得了广泛的应用。但是，荧光成像技术在细胞分析中存在两个局限：一是需要有明确的识别对象，据此方可设计对该目标分子有选择性响应的荧光探针，不适于细胞中未知成分的分析；二是受到分子光谱谱带宽度的限制，能够同时测定的组分数目有限，难以进行细胞中多组分分子的同时分析。鉴于细胞中发生的生物过程常常是多种分子协同作用的结果，因此，发展新的单细胞分析方法，最大限度地满足细胞中多组分的同时分析的需求，并能够对细胞事件中的未知成分进行快速定性和精准定量分析，是单细胞生物学研究对分析化学的迫切需求。利用质谱单细胞分析仪器系统将会具备解决上述两个问题的潜力。首先，质谱是一种多组分同时分析的仪器，依据细胞中各种成分的分子量不同，在质谱中能够形成按照质量数排列的谱峰，进一步通过多级质谱分析，即可获得细胞中各种成分的分子信息，实现多组分的同时分析。由于质谱法无需标记，不需要事先获知待测分子的信息，因此，能够对细胞中各种未知成分进行快速鉴定，获得细胞中蛋白质乃至小分子代谢物的“组学”信息。此外，质谱能够容易地获得各组分分子的同位素信息，采用同位素内标和稀释技术，可以实现细胞中各种待测分子的精准定量，因此，质谱单细胞分析最近受到高度重视，被认为在单细胞的“组学”分析研究中将会发挥重要的作用。目前基于电喷雾质谱的单细胞分析方法可以分成两类。第一类是使用分离手段对样品进行预处理后再进行电喷雾质谱分析的方法。其中最为著名的是美国Sweedler课题组建立的毛细管电泳-电喷雾质谱(CE-ESI)联用的单细胞分析方法。研究者通过复杂的手术操作将加州海兔的单个神经元剥离，使用电解液萃取后进行毛细管电泳分离，随后使用电喷雾质谱检测。这类方法的优点在于利用了不同物质在毛细管电泳中的保留时间差异，可以对细胞内的众多代谢物进行分离，减少组分间的干扰。然而，由于毛细管电泳必须使用的微升量级电解液会不可避免地对单细胞组分进行过多的稀释，因此该方法只能用于诸如加州海兔神经元这样的物质含量多的大体积细胞，目前还无法应用于人类癌细胞(直径约10微米，体积约为1皮升)的研究。第二类是样品不经过预处理，直接使用纳喷针或金属针采样后进行电喷雾质谱分析。日本的Masujima课题组将玻璃毛细管拉制成纳喷针，刺入单个大鼠细胞中，直接吸取细胞质后进行纳升电喷雾分析。清华大学也建立了基于探针电喷雾离子源的单细胞分析方法，将一根尖锐的钨针插入单个洋葱细胞中进行采样，随后在钨针上施加高压电并润湿针尖后，即可产生电喷雾，实现单细胞的代谢物分析。这类方法由于使用尖端直径为1-3微米的采样针对未经稀释的样品直接取样，因此可以实现单细胞水平和亚细胞水平的代谢物检测。然而，它们依赖于研究者手工控制细小的采样针，操作难度大，稳定性不足。并且由于细胞质非常粘稠、组分繁多，其中包含了诸如蛋白质、脂质、核苷酸、无机盐等在内的多种物质，直接采样的方法难以去除不同组分之间的相互干扰，进而影响对目标组分的检测。因此，目前利用质谱分析技术检测单细胞仍有待改进。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决现有技术中存在的技术问题至少之一。为此，本专利技术提出了单细胞质谱分析系统，其实现了单细胞的高精密度、高速度、高重复度和高自动化的质谱检测分析，分析量可达皮升级。同时，可以克服手工操作过程中固有的缺点，使质谱单细胞分析摆脱对操作人员的依赖，过程更加规范，使用更加简便，分析更加精准，结果更加可靠。在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种单细胞质谱分析系统。根据本专利技术的实施例，所述单细胞质谱分析系统包括：顺次设置的第一微动台、显微镜、第二微动台、第一图像采集部件及质谱仪；其中，所述显微镜的载物台上设置有细胞定位芯片；所述第一微动台上设置有加液针，适于向所述细胞定位芯片上加入萃取液；所述第二微动台上设置有取液针，适于从所述细胞定位芯片上吸取经所述萃取液萃取所得到的萃取物并送至所述质谱仪中。通过移动第一微动台和第二微动台以控制加液针和取液针的位置，以便将萃取液由加液针滴加至细胞定位芯片上，并由取液针吸取经萃取所得到的萃取物，利用第一图像采集部件观察取液针的位置，以便将电喷雾产物送至质谱仪进行质谱检测。由此，根据本专利技术实施例的单细胞质谱分析系统实现了单细胞的高精密度、高速度、高重复度和高自动化的质谱检测分析，分析量可达皮升级。同时，可以克服手工操作过程中固有的缺点，使质谱单细胞分析摆脱对操作人员的依赖，过程更加规范，使用更加简便，分析更加精准，结果更加可靠。根据本专利技术的实施例，所述单细胞质谱分析系统还可以具有下列附加技术特征：根据本专利技术的实施例，所述第一微动台包括：第一固定件，所述第一固定件固设于所述第一微动台上；第一连接杆，所述第一连接杆的一端可拆卸地固定于所述第一固定件上；第一夹持器，所述第一夹持器的一端与所述第一连接杆的另一端可拆卸地相连；加液针，所述加液针的尾端与所述第一夹持器的另一端可拆卸地相连，所述加液针头端朝向所述细胞定位芯片的上表面。根据本专利技术的实施例，所述第二微动台包括：旋转电机，所述旋转电机固定于所述第二微动台上；第二固定件，所述第二固定件固定于所述旋转电机上；第二连接杆，所述第二连接杆的一端可拆卸地固定于所述第二固定件上；压电换能器，所述压电换能器的一端与所述第二连接杆的另一端可拆卸地相连；第二夹持器，所述第二夹持器的一端与所述压电换能器的振动面可拆卸地相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单细胞质谱分析系统，其特征在于，包括：顺次设置的第一微动台、显微镜、第二微动台、第一图像采集部件及质谱仪；/n其中，所述显微镜的载物台上设置有细胞定位芯片；/n所述第一微动台上设置有加液针，适于向所述细胞定位芯片上加入萃取液；/n所述第二微动台上设置有取液针，适于从所述细胞定位芯片上吸取经所述萃取液萃取所得到的萃取物并送至所述质谱仪中。/n

【技术特征摘要】
1.一种单细胞质谱分析系统，其特征在于，包括：顺次设置的第一微动台、显微镜、第二微动台、第一图像采集部件及质谱仪；
其中，所述显微镜的载物台上设置有细胞定位芯片；
所述第一微动台上设置有加液针，适于向所述细胞定位芯片上加入萃取液；
所述第二微动台上设置有取液针，适于从所述细胞定位芯片上吸取经所述萃取液萃取所得到的萃取物并送至所述质谱仪中。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一微动台包括：
第一固定件，所述第一固定件固设于所述第一微动台上；
第一连接杆，所述第一连接杆的一端可拆卸地固定于所述第一固定件上；
第一夹持器，所述第一夹持器的一端与所述第一连接杆的另一端可拆卸地相连；
加液针，所述加液针的尾端与所述第一夹持器的另一端可拆卸地相连，所述加液针头端朝向所述细胞定位芯片的上表面。


3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二微动台包括：
旋转电机，所述旋转电机固定于所述第二微动台上；
第二固定件，所述第二固定件固定于所述旋转电机上；
第二连接杆，所述第二连接杆的一端可拆卸地固定于所述第二固定件上；
压电换能器，所述压电换能器的一端与所述第二连接杆的另一端可拆卸地相连；
第二夹持器，所述第二夹持器的一端与所述压电换能器的振动面可拆卸地相连，所述第二夹持器内设置有电极；
取液针，所述取液针的尾端与所述第二夹持器的另一端可拆卸地相连，且所述第二夹持器内的电极插入所述取液针的空腔内，所述取液针的头端朝向所述细胞定位芯片的上表面。


4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第二夹持器内部形成有空腔，电极沿轴向固定于所述空腔内；
所述第二夹持器的侧壁上开设有旁路通道，所述旁路通道与气压软管气密连接，所述取液针与所述第二夹持器的另一端气密连接，适于使所述气压软管、旁路通道以及取液针内腔形成一个气体通路；
除了不含有电极以外，所述第一夹持器与第二夹持器结构的相同。


5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述取液针呈圆锥状，头端呈尖状，尾端与所述第二夹持器相连；
任选地，所述加液针呈圆柱形或圆锥形；
任选地，所述加液针的头端内径为12～18微米，锥角不大于5°，所述取液针的头端内径为2～3微米，锥角为12～18°；
任选地，所述电极中距离所述取液针头端最近的一端与所述取液针头端之间的距离为0.5～1.5cm；
任选地，所述第一图像采集部件选自双目视觉相机；
任选地，所述显微镜的载物台的一侧表面设置有细胞定位芯片，所述载物台远离所述细胞定位芯片的一侧下部设置有第二图像采集部件及光学成像系统，所述第二图像采集部件可观察所述细胞定位芯片、加液针和取液针呈现在所述光学成像系统中的像。


6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述细胞定位芯片包括：
基底；
电极层，所述电极层设置于所述基底表面；
捕获层，所述捕获层设置于所述电极层表面，且所述捕获层表面设置有多个捕获孔，所述捕获孔贯穿所述捕获层；
储液容器，所述储液容器可拆卸地设置于所述捕获层表面，所述储液容器内部形成有容纳腔室，所述容纳腔室底部设置有与所述捕获孔相连通且一一对应的通孔；
任选地，所述储液容器进一步含有...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文会，赵鹏，梁非，丰泳翔，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11