一种多检测模式多功能的微流控芯片单细胞分析仪的研制

Microfluidic chip technique is currently one of developing new technique and leading edge of science and technology. The single-cell analysis is the leading edge and central issues in biomedicine research field. The aim for this study is to develop the analytical apparatus with multiple detection modes and multiple analysis function for the single-cell analysis, and provide important technology platform for the development of the life science, biomedicine and clinical diagnosis. The item to be developed is base on light-emitting diode (LED) as the excitation source, and fluorescent imaging / fluorescence, chemiluminescent imaging / chemiluminescence as detection modes, microfluidic chip as platform for the single-cell analysis, with scanning confocal light beam structure, and combining imaging, detection, microchannel electrophoresis and intellectualized three-dimensional structure real-time image acquisition systems as well as instruments′ control and data analysis software. The cell imaging and intracellular component analysis on the single-cell level were achieved, which will bring into play an important role on the early clinical diagnosis of cancer and other fatal diseases, and the basis research field of life science, and promote the fast development of the life science, biomedicine and clinical diagnosis on the leading edge and innovating study.

微流控芯片技术是当前高速发展的高新技术和科技前沿之一。单细胞分析是生物医学研究领域的前沿和热点。本项研究旨在研制以单细胞分析为目的基于多种检测模式和多种分析功能的单细胞分析仪，为生命科学，生物医学和临床诊断学的发展提供重要的技术平台。项目拟以发光二极管为激发光源，扫描共聚焦为光路结构，以荧光成像/发光二极管诱导荧光,化学发光成像/化学发光为检测模式，以微流控芯片为单细胞分析平台，结合成像系统设备，检测系统设备和微通道电泳系统设备，利用自主研发的智能化的三维实时图像处理系统，仪器检测与控制电路系统、数据分析软件、样品属性特征数据库，研制出具有成像分析和图像分析多种功能的微流控芯片单细胞分析仪（样机），实现在单细胞水平的细胞成像和细胞内成份分析，使其在癌症等重大疾病的早期临床诊断及生命科学基础研究领域发挥重要的作用。推动生命科学、生物医学和临床诊断学的前沿创新研究快速发展。

本项目将微流控芯片的激光诱导荧光、化学发光检测和成像集于一体，成功研制了基于多种检测模式和多种分析功能的单细胞分析仪，为生命科学，生物医学和临床诊断学的研究发展，提供了一种重要的技术平台。.项目首先开展了构成分析仪器各个单元子系统的研制工作，包括8路微流控芯片通道流体操控的高压电源系统；微流控芯片单细胞进样系统；微流控芯片的激光诱导荧光、化学发光检测和成像系统；显微视觉控制快速调焦系统，分析仪器的控制和显示系统。另外，还发展了一种微流控芯片单细胞手性分析质谱检测系统。建立了细胞图像分类识别方法及数学模型，包括小波变换与野草算法的细胞特征提取与识别、基于压缩感知理论的HEp-2细胞识别、宫颈细胞图像的特征提取与识别。发展了一系列用于细胞中微量组分激光诱导荧光、化学发光检测的一元、二元信号放大体系，使检测灵敏度达到10-12至10-15 mol/L。这是目前微流控芯片分析达到的最高灵敏度。基于这些体系，可实现单个细胞中微量肿瘤标志物、MicroRNA、伽马-干扰素和p53基因的检测。在本项目研究中，我们还发展了一个用于单细胞中微量成份质谱检测的手性分离体系。在此基础上，将各单元子系统集成化，得到了具有自主知识产权的多检测模式和多分析功能的单细胞分析仪。该仪器的荧光和化学发光检测灵敏度分别达到8.0×10-11 mol/L和5.0×10-11 mol/L (FITC作为荧光物质, Luminol作为化学发光物质)，比申请书设定目标提高了两个数量级。研制的仪器已初步应用于大鼠单个肝细胞中谷胱甘肽和人单个血红细胞中血红蛋白的定量分析，并实现了小鼠单个P12细胞在缺氧情况下D-丝氨酸的实时手性代谢分析。该仪器实现了在单细胞水平的细胞成像和细胞内成分分析，并能用于单细胞的药物刺激实时代谢研究。因此，该仪器将在重大疾病的早期临床诊断及生命科学的基础研究领域发挥重要的作用。. 本项目已研制了样机两台。已获得实用新型专利5项，已申请发明专利6项（已获得授权发明专利1项），软件著作权2项。已在国内外学术刊物上发表论文28篇，其中在Analytical Chemistry，Chem.Commun.，Clinica Chimica Acta 等 SCI源刊上发表论文18篇 (另有3篇在修改中)。培养青年骨干教师3人, 研究生12名。