【FluidicLab论文精选】无标记主动单细胞封装技术：基于微阀按需液滴生成与实时图像处理

【研究背景】

基于液滴微流控的单细胞封装技术作为一项关键技术，可通过捕获和处理数千个细胞来实现大规模并行的单细胞分析，由于被动单细胞封装的效率受限于泊松分布，主动单细胞封装技术应运而生，理论上确保每个液滴只含有一个细胞。然而，现有技术面临荧光标记和低通量的问题。

【成果简介】

中国科学技术大学的李保庆教授团队最近发表在《Talanta》的一篇文章“Label-free active single-cell encapsulation enabled by microvalve-based on-demand droplet generation and real-time image processing”提出了一种主动单细胞封装技术，结合压电微阀按需液滴生成技术和实时图像处理，在无需标记的情况下实现高效率和高通量的单细胞封装。实验结果显示，该系统能以96.3%的效率封装聚苯乙烯微珠，并以94.9%的效率封装HeLa细胞。细胞流速可高达150 mm/s，理论上达到150 Hz的封装速率。

单细胞封装系统的设计与工作原理：作者通过压力泵将细胞悬浮液和Drop-surf微滴生成油泵入到T型结构的微流控芯片中，利用压电微阀控制油相流动与静止，利用安装在倒置显微镜上的高速相机用于获取检测区域内图像，最终获得的图像被实时传输到计算机上并进行处理以识别单个细胞(下图a和b)。当检测区域内无细胞时，压电微阀被激活(下图c右图)，阻止油相流动；当检测区域内有单个细胞时，压电微阀停止工作(下图c左图)，促使油相剪切细胞悬浮液形成含有单细胞的微液滴。

芯片压电微阀按需控制微滴生成：作者通过在油相管路中设置压电微阀(下图d)，避免了水相或油相流速较大(压力较高)时引起的水相倒流或不稳定油水界面的问题(下图b和c)。与此同时，通过控制压电微阀激活和停止持续时间，可实现不同长度的液滴按需生成(下图e-h)。

单珠封装系统：为此，作者以15 μm的聚苯乙烯微珠作为生物细胞的替代，对整个系统进行初步评估。初始状态时，压电微阀被激活防止油相流入；随后，当检测区域内有目标微珠出现时并被系统识别(下图红色圆圈标记)时，压电微阀停止工作，油相流出并剪切水含有目标微珠的水相生成液滴(图a-g)。

高效主动封装：为进一步验证此方案(Active，单聚苯乙烯微珠主动封装)必要性，作者通过单聚苯乙烯微珠被动封装(Passive)实验发现其封装效率为19.0%(下图b和c)，这与泊松分布的理论封装效率(22.7%)基本一致。而在单聚苯乙烯珠主动封装中，其封装效率显著提高到96.3%，空液滴效率为0%(下图a和c)。

进一步的，作者将实时细胞检测算法与主动液滴生成系统整合，以实现单细胞的封装。其检测图像中单细胞主要原理是利用背景减除算法和阈值分割来提取高速相机拍摄图像中的细胞轮廓(红色圆圈标记)，使用特征提取算法计算细胞面积、圆度和位置(下图a)。在此基础上，通过控制压电微阀的激活和停止实现HeLa单细胞封装效率高达94.9%(下图b和d)。

【讨论总结】

综上所述，作者所开发的基于压电微阀和实时图像识别的主动单细胞封装系统克服了当前泊松分布的限制，通过控制压电微阀的激活与停止可实现单细胞被精确的封装在液滴中，其在单聚苯乙烯微珠封装效率上高达96.3%，在HeLa单细胞封装效率上高达94.9%。

【原文链接】

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0039914024006787

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