单细胞液滴可控—质谱检测技术

分析化学从早期的元素分析，发展到现代的小分子、中等分子、大分子的分离分析，出现一大批不同原理的分析仪器和分析方法。进入21世纪以来，随着生命科学研究水平的提高和人们对疾病与健康的高度重视，分析化学已经不能满足于无生命的元素或者物质分子的检测，单细胞分析成为分析化学的热点之一。在生命的发展过程中，即使是同一组织、同一类型的细胞，相互之间也会存在一定的差异。单细胞分析能够很好地了解细胞之间的差异，对于掌握和了解肿瘤的发生、发展以及预防与治疗都有积极的意义。由于细胞体积小、样品量少、胞内及表面组分十分复杂、胞内生化反应速度快等特点。因此，单细胞分析要求超小体积、高灵敏度、高选择性、多组分、响应速度快的分析技术，给分析化学工作提出了的挑战，但是也给我们带来众多机遇。Inkjet打印皮升级液滴因为其液滴体积小、能够提供一个限定的环境。通过对细胞装载方式的调节，比较容易获得单细胞液滴，并且细胞的分泌以及代谢均在狭窄的空间中，方便后续的分析与检测，因此在单细胞分析上具有天然的优势。
清华大学化学系林金明教授研究组在运用Inkjet产生可控液滴的一系列研究基础上（Talanta，2013，107：111-117；Anal.Chem.，2013，85：7413-7418；Analyst，2015，140（12）：3953-3939；Chem.Sci.，2016，7：5448-5452），完成了单液滴与电喷雾质谱联用（J.MassSpectrom.，2013，48：321-328）和细胞可控打印（Analyst，2016，141：2940-2947），并应用于单细胞液滴质谱的研究（Anal.Chem.，2016，88：4354-4360）。该方法简单、方便，通过对单个细胞表面脂质的直接质谱检测，结合主成分分析，可以实现对八种细胞的区分，因此在单细胞分析中具有积极的意义。
该团队自制一个的inkjet按需打印液滴装置，实现了單细胞液滴的可控产生。如图1所示，将磁搅拌颗粒放入含细胞样品的离心管里，磁搅拌设备将使细胞悬浮液搅拌，以控制细胞在液体中的均匀分布。而通过Inkjet取样细胞悬浮液后，压电陶瓷在波形驱动力作用下，挤压通道中的液体，以致喷出液滴可控的单细胞数，并在二维平台及显微镜监控下将含有单细胞的皮升级液滴滴到含有高压的钨制电喷雾针尖上，最后在高压电场的作用下快速产生喷雾进入质谱进行检测。在该研究中，细胞表面的多种脂质能够通过该方法很好的检测出来，并通过对多种细胞的检测结果进行主成分分析，可以识别出不同的细胞类型。因此，该方法可能对细胞识别、代谢研究和疾病诊断等方面提供了新的思路。
此外，该团队还利用Inkjet细胞打印进行细胞共培养和药物代谢研究。以HepG2细胞和U251细胞为例（图2），两种细胞分别包裹在海藻酸钠中，利用Inkjet和电脑软件在玻璃基底上精确的控制打印间隔的细胞液滴阵列。然后再覆盖上有通道的PDMS层，注入离子交联剂使得海藻酸钠形成胶体，因而细胞就固定在微芯片的底部，然后用于药物代谢研究。通过这种方式，细胞间的距离能够非常精确的进行控制和调节，JP而细胞数目能够较为精确的控制，因此能够高通量、自动化的进行细胞图案化，大大提升了效率。