(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210618779.8 (22)申请日 2022.06.01 (71)申请人 中国科学院上海微系统与信息技 术 研究所 地址 200050 上海市长 宁区长宁路865号 (72)发明人 罗源　邢晓星　赵建龙　杨世佳　 刘珠珠　 (74)专利代理 机构 上海智信专利代理有限公司 31002 专利代理师 余永莉 (51)Int.Cl. C12M 1/36(2006.01) C12M 1/42(2006.01) C12M 1/00(2006.01) (54)发明名称 一种用于单细胞组学分析的细胞-微珠捕获 配对的装置以及方法 (57)摘要 本发明提供一种用于单细胞组学分析的细 胞‑微珠捕获配对的装置以及方法， 该装置包括： 微井捕获层， 其包括： 通过若干微井组成的微井 阵列， 每个微井包括通过连接沟道连接的细胞捕 获井和微珠捕获井； 以及辅助捕获结构， 通过包 括： 1)在细胞和微珠间设置物理 阻隔、 2)应用流 体动力学、 3)采用外加物理场实现细胞和微珠分 隔中的任意一种方式构成； 通过二者的结合使 得 每个细胞捕获井和微珠捕获井中分别落入一个 细胞、 一个微珠， 完成细胞 ‑微珠一对一捕获配 对。 本发明克服了现有技术中存在因随机配对导 致配对效率较低的问题， 所提供的芯片结构和工 艺简单， 低成本且加工时间短， 操作步骤得到简 化， 实现了细胞 ‑微珠一对一的高效捕获配对。 权利要求书3页 说明书11页 附图8页 CN 114854556 A 2022.08.05 CN 114854556 A 1.一种用于单细胞组学分析的细胞 ‑微珠捕获配对的装置， 其特 征在于， 包括： 微井捕获层， 其包括： 通过若干微井组成的微井阵列， 每个微井包括通过一个连接沟道 连接的一个细胞捕获井和一个微珠捕获井， 每个细胞捕获井在同一侧对齐形成细胞井侧用 来捕获细胞， 每 个微珠捕获井在另一侧对齐形成微珠井侧用来捕获微珠； 以及 位于所述微井捕获层上方的辅助捕获结构， 所述辅助捕获结构通过包括： 1)在细胞和 微珠间设置物理阻隔、 2)应用流体动力学、 3)采用外加物理场来实现细胞和微珠的分隔中 的任意一种方式构成， 所述外加物理场包括 光、 声、 磁、 电中的任意 一种； 通过所述微井捕 获层与所述辅助捕 获结构的结合， 使得每个细胞捕 获井中落入一个细 胞， 每个微珠捕获井中落入一个微珠， 从而完成在每个微井中的细胞 ‑微珠一对一捕获配 对。 2.根据权利要求1所述的用于单细胞组学分析的细胞 ‑微珠捕获配对的装置， 其特征在 于， 通过在细胞和微珠间设置物理阻隔来实现细胞和微珠的分隔的方式构成的辅助捕获结 构包括： 在所述微井捕获层的连接沟道上方朝向所述连接沟道延伸的隔离墙， 通过所述隔 离墙在所述细胞井侧和所述微珠井侧上方形成分隔的细胞样品流道和微珠样品流道， 且两 条流道的底面分别覆盖下方的细胞捕获井和微珠捕获井， 所述细胞样品流道和微珠样品流 道的前端连接贯穿所述辅助捕获结构的样品入口， 后端连接贯穿所述辅助捕获结构的样品 出口， 用于细胞、 微珠的注入和流出。 3.根据权利要求1所述的用于单细胞组学分析的细胞 ‑微珠捕获配对的装置， 其特征在 于， 通过应用流体动力学来实现细胞和 微珠的分隔的方式构成的所述辅助捕获结构包括： 覆盖所述微井捕获层的微井阵列并沿微井排列方向延伸的一条主流道， 所述主流道的上游 和下游分叉连通三条分流道， 分别为位于中间的鞘流流道和两侧的细胞样品流道与微珠样 品流道， 每条分流道的前端连接贯穿所述辅助捕获结构的样品入口， 后端连接贯穿所述辅 助捕获结构的样品出口， 用于鞘流、 细胞、 微珠的注入和流出。 4.根据权利要求1所述的用于单细胞组学分析的细胞 ‑微珠捕获配对的装置， 其特征在 于， 通过采用外加物理场来实现细胞和 微珠的分隔的方式构成的所述辅助捕获结构包括： 自上而下依次组合在一起的顶层和电极层， 所述电极层 包括一对对称放置的上层电极层和 下层电极层， 分别作为产生介电泳激励的捕获信号电极和捕获接地电极， 所述上层电极层 和下层电极层分别包括： 覆盖所述微井捕获层的微井阵列并沿微井排列方向延伸的一条主 流道， 所述主流道的上游和下游分叉连通三条分流道， 分别为位于中间的鞘流流道和两侧 的细胞样品流道与微珠样品流道， 每条分流道的前端连接贯穿所述辅助捕获结构的样品入 口， 后端连接贯 穿所述辅助捕获结构的样品出口， 用于鞘流、 细胞、 微珠的注入和流出。 5.根据权利要求1所述的用于单细胞组学分析的细胞 ‑微珠捕获配对的装置， 其特征在 于， 所述微井捕获层的微井阵列包括单列排布或多列排布； 所述细胞捕获井和微珠捕获井 的底面形状包括： 圆形、 椭圆形、 矩形、 多边形。 6.根据权利要求1所述的用于单细胞组学分析的细胞 ‑微珠捕获配对的装置， 其特征在 于， 当细胞和微珠粒径相当时， 所述细胞捕获井的深度为细胞直径的0.8 ‑1.8倍， 所述微珠 捕获井的深度为微珠直径的0.8 ‑1.8倍， 所述连接沟道的宽度 尺寸小于细胞直径； 当细胞和 微珠粒径相 差较大时， 所述连接沟道可省略， 每个微井包括直接连接的细胞捕获井和微珠 捕获井， 所述细胞捕获井的深度为细胞直径的1.2 ‑1.8倍， 所述微珠捕获井的深度为微珠直权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114854556 A 2径的1.2‑1.8倍。 7.根据权利要求1所述的用于单细胞组学分析的细胞 ‑微珠捕获配对的装置， 其特征在 于， 所述微井捕获层的材料选自： 聚甲基丙烯酸甲酯、 硅胶、 聚二甲基硅氧烷、 SU8、 单晶硅、 硅氧化物。 8.根据权利要求2或3所述的用于单细胞组学分析的细胞 ‑微珠捕获配对的装置， 其特 征在于， 采用在细胞和微珠间设置物理阻隔或采用流体动力学方法对细胞和微珠进行位置 分隔的所述辅助捕获结构的材料包括： 聚甲基丙烯酸甲酯、 硅胶、 聚二甲基硅氧烷、 SU8、 单 晶硅、 硅氧化物。 9.根据权利要求4所述的用于单细胞组学分析的细胞 ‑微珠捕获配对的装置， 其特征在 于， 基于介电泳对细胞和微珠进行分隔的所述辅助捕获结构的顶层材料包括： 聚甲基丙烯 酸甲酯、 硅胶、 SU8、 聚二甲基硅氧烷、 硅氧化物， 电极层采用导电材料， 包括导电聚合物、 掺 杂硅、 金属。 10.一种用于单细胞组学分析的细胞 ‑微珠捕获一一配对的方法， 其特征在于， 包括以 下三种方式： 方式一， 提供一种根据权利要求2所述的用于单细胞组学分析的细胞 ‑微珠捕获配对的 装置， 工作时， 从细胞样品流道和微珠样品流道的入口分别注入细胞溶液和微珠溶液， 使细 胞和微珠分别 在细胞捕获井和微珠捕获井上方的流道流动， 待细胞和微珠分别充满细胞样 品流道和 微珠样品流道后， 使细胞和微珠静止， 细胞和微珠分别通过重力落入细胞捕获井 和微珠捕获井， 从而完成在每 个微井中的细胞 ‑微珠一对一捕获配对； 方式二， 提供一种根据权利要求3所述的用于单细胞组学分析的细胞 ‑微珠捕获配对的 装置， 工作时， 从鞘流流道的入口注入鞘流， 同时分别从细胞样品流道和微珠样品流道的入 口注入细胞溶液和微珠溶液， 通过调节流速使鞘流将细胞和微珠分别聚焦在细胞井侧和微 珠井侧上方的主流道中， 避免交叉污染， 待细胞和微珠分别布满细胞井侧和 微珠井侧后停 止样品注入， 细胞和 微珠分别通过重力落入细胞捕获井和 微珠捕获井， 从而完成在每个微 井中的细胞 ‑微珠一对一捕获配对； 方式三， 提供一种根据权利要求4所述的用于单细胞组学分析的细胞 ‑微珠捕获配对的 装置， 包括以下四种方法： a.采用细胞和微珠的负介电泳控制来辅助捕 获配对： 首先从鞘流流道和细胞样品流道 的入口向芯片注入鞘流， 同时从微珠样品流道的入口注入微珠溶液， 利用鞘流将微珠限制 在微珠井侧， 利用负介电泳作用使微珠附着在微珠井侧， 然后停止介电泳激励从而使微珠 通过重力作用沉降至微井捕获层的微珠捕获井中； 从鞘流流道和微珠样品流道的入口向芯 片注入鞘流， 从细胞样品流道的入口注入细胞溶液， 利用鞘流将细胞限制在细胞井侧， 利用 负介电泳作用使细胞附着在细胞井侧， 然后停止介电泳激励使得细胞通过重力沉降至所述 微井捕获层的细胞捕获井中， 完成在每个微井中的细胞 ‑微珠一对一捕获配对； 微珠与细胞 的捕获顺序可交换； b.采用细胞和微珠的负介电泳控制来辅助捕 获配对： 首先从鞘流流道的入口向芯片注 入鞘流， 同时分别从微珠样品流道的入口和细胞样品流道的入口注入微珠和细胞， 鞘流将 微珠和细胞分别限制在微珠井侧上方和细胞井侧上方； 再利用负介电泳作用使微珠和细胞 分别附着在微珠井侧上方和细胞井侧上方， 停止注入所有流体， 然后停止介电泳激励使微权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114854556 A 3