[0001] 本实用新型涉及微流控和细胞分选技术领域，特别是涉及一种单细胞分选芯片及单细胞分选装置。

[0002] 21世纪是生物学的世纪，生物医药作为生物学和人类健康的交叉方向正处在突飞猛进的阶段，包括了重组蛋白、抗体生产、检测分析、免疫治疗、基因治疗等重要领域。而生物医药研发的基础则建立在基于单细胞克隆的稳定细胞株的构建。细胞是生命活动的基本单位，基于单细胞水平的研究能够在更深层次上揭示生命活动的发展规律。单细胞分选是单细胞研究的基础和关键。

[0003] 目前，单细胞分选工作往往是使用传统的单个细胞分离方法(如有限稀释法)来手工完成的。以抗体药物研发生产为例，建立一个成功的工业细胞株需要完成108个单细胞克隆的挑选，选出2000个左右候选单细胞克隆来构建稳定细胞株。这个工作量对于有限稀释法来说，存在费工费时、重复性差、分离效率低、分选效果不稳定以及数据溯源性差等缺陷。其他的单细胞分选方式，如流式细胞仪，使用鞘流原理液体流速达到20米每秒，对细胞的损伤比较大。还有一些使用单喷嘴式微流控技术，分选处因为细胞沉降出现堵塞现象，造成分选效率比较低。因此，在单细胞研究中，尤其是单克隆抗体筛选和细胞系开发，亟需一种操作简单、通量高、细胞损伤小的单细胞分选方法。
实用新型内容

[0004] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种单细胞分选芯片及单细胞分选装置，用于解决现有技术中分选效率低、容易损伤细胞、分选芯片结构复杂的问题。

[0005] 为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种单细胞分选芯片，所述单细胞分选芯片包括至少一个分选单元，所述分选单元包括导入口及多个分选导出口，所述导入口为沿纵向设置的长条形凹槽，所述分选导出口沿纵向排列并设置于所述导入口的两侧，所述分选导出口与所述导入口通过横向设置的流道直接连通。

[0006] 优选地，所述单细胞分选芯片包括多个沿横向排列的所述分选单元，所述单细胞分选芯片包括200个以上的所述分选导出口，且各个所述分选导出口能够同时在2.1*1.6mm的视场下成像。

[0007] 优选地，每个所述分选单元包括84个所述分选导出口，所述导入口的两侧分别设有42个所述分选导出口；所述单细胞分选芯片共有252个所述分选导出口，且252个所述分选导出口能够同时在2.1*1.6mm的视场下成像。

[0008] 优选地，所述分选导出口包括驱动部件，用以驱动单细胞排出。

[0009] 优选地，所述驱动部件包括热泡打印喷嘴、压电喷嘴、聚二甲基硅氧烷微阀、电磁阀及蠕动泵中的一种。

[0010] 优选地，所述单细胞分选芯片的流道层包括采用二氧化硅薄膜、非光敏干膜、光敏干膜中的一种。

[0011] 本实用新型还提供一种单细胞分选装置，所述单细胞分选装置包括检测模块及所述的单细胞分选芯片，所述检测模块用于检测所述分选导出口的细胞状态，所述细胞状态为多细胞或单细胞或无细胞，当细胞状态为单细胞时，则通过所述分选导出口中驱动部件将单细胞打印导出至容器内。

[0012] 优选地，所述检测模块包括成像单元及图像处理单元。

[0013] 优选地，所述成像单元用于拍摄所述单细胞分选芯片的实时图像，包括显微镜及相机，显微镜的视场为2.1*1.6mm。

[0014] 优选地，所述图像处理单元用于对成像单元拍摄的实时图像进行检测处理，以识别各个分选导出口的细胞状态。

[0015] 如上所述，本实用新型提供一种单细胞分选芯片及单细胞分选装置，该分选芯片将分选导出口沿纵向排列设置于所述导入口的两侧，将单细胞分选与导出集成在同一个微流控芯片上，并以热泡打印喷嘴的驱动形式实现单细胞的快速、高通量的导出，而且实现单细胞的轻柔导出，对细胞的伤害小。流道层采用二氧化硅薄膜或者非光敏干膜代替热泡打印芯片传统干膜，从而可以避免传统干膜自身荧光对细胞分选的影响。且芯片结构简单，易于制作。本实用新型中的单细胞分选装置将分选芯片与图像检测技术相结合，可在2.1*1.6mm的视场下拍摄252个喷嘴，通过AI算法识别芯片导出口内的细胞状态，将单细胞打印在孔板内或其他指定的容器内，完成单细胞分选，使得分选效率得到大大提升。

[0021] 以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

[0022] 如在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

[0023] 为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于……之间”表示包括两端点值。

[0024] 在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

[0025] 需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图示中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。

[0026] 本实用新型提供一种单细胞分选芯片，也称微流控芯片，如图1所示为该单细胞分选芯片中流道的平面布局图，所述单细胞分选芯片包括至少一个分选单元，所述分选单元包括导入口10及多个分选导出口20，所述导入口10为沿纵向设置的长条形凹槽，所述分选导出口20沿纵向排列并设置于所述导入口10的两侧，所述分选导出口20与所述导入口10通过横向设置的流道直接连通。

[0027] 进一步地，所述单细胞分选芯片包括多个沿横向排列的所述分选单元，所述单细胞分选芯片包括200个以上的所述分选导出口，且各个所述分选导出口能够同时在2.1*1.6mm的视场下成像。所述分选单元的个数可以根据实际需要进行调整，本实用新型中以3个为例，3个所述分选单元沿横向排列，且分选导出口20沿纵向排列于导入口10的两侧，可以最大程度的提高分选导出口20的设置密度，在单位面积上设置尽可能多的分选导出口
20，所述分选导出口20优选为对称设置于所述导入口10的两侧。

[0028] 进一步地，每个所述分选单元包括84个所述分选导出口20，导入口10的两侧分别设有42个所述分选导出口20。3个分选单元共设置有252个分选导出口20，且252个所述分选导出口能够同时在2.1*1.6mm的视场下成像。需要说明的是，所述分选单元中分选导出口20的个数设置为84个仅是一种实施方案，实际中可以对其数量进行灵活调整，例如布置更多的分选导出口20以提高分选效率。数量多的分选导出口也能避免出现堵塞现象，提高分选效率。同时，相较于现有的单细胞分选芯片，本实用新型中的分选芯片结构简单，无需复杂的单细胞分选通道。因为最终的分选是结合检测模块实现的，并非单纯的通过物理手段实现分选，无需对通道做过多限制，降低了加工制作难度。

[0029] 所述分选导出口20包括驱动部件，用以驱动单细胞排出，所述驱动部件包括热泡打印喷嘴、压电喷嘴、PDMS(聚二甲基硅氧烷)微阀、电磁阀及蠕动泵中的一种。

[0030] 本实施例中，所述驱动部件优选采用热泡打印喷嘴，其包括喷嘴出口以及集成在喷嘴出口下方的加热膜，利用加热膜的瞬间高温使通道中的液体气化，从而产生气泡推动液体流动并从喷嘴喷出，接着后续液体进行补充。工作原理类似于家用热发泡打印机，属于高温高压打印技术。其具体工作原理是：在正常情况下喷头内部的墨水在表面张力的作用下与外界大气压达成相对的平衡，处于稳定状态；当喷头接收到打印信号后，喷头内部的加热元件(例如薄膜电阻器)迅速升温，使加热元件附近的墨水温度急剧上升并汽化，形成无数微小气泡，小气泡聚集变大形成蒸汽膜。当打印信号消失后，加热元件持续的余热使气泡进一步膨胀，内部产生的压力将墨水从喷嘴处挤出，同时加热元件的温度开始下降。随着加热元件表面温度的降低，气泡和墨水分界处开始冷却，由于墨水前端已从喷嘴处挤出，而后端又由于墨水收缩而使喷头内部压力减小，喷嘴处产生负压，再将墨水吸回到喷头内。当喷头内气泡消失后，负压力继续作用，墨滴与喷嘴完全分立，剩余墨水被吸回到喷头内。接着表面张力会产生向外的吸力，拉引新的墨水补充到墨水喷出区准备下一次的循环喷印。采用热泡打印喷嘴作为驱动部件不仅可以实现单细胞的快速、高通量的导出，还对细胞的伤害较小，可以实现单细胞的轻柔导出。热泡喷嘴具有响应快、驱动力强、便于控制、易于集成和微型化的优点，为整个过程便捷高效的进行提供了保障。

[0031] 所述分选导出口20的细胞状态可能是单细胞、也可能多细胞、也可能是没有细胞，需要结合相应的检测模块对所述分选导出口20的细胞状态进行检测，如果为单细胞状态，则通过驱动部件(例如热泡打印喷嘴)将该单细胞打印导出至孔板内或其他指定的容器内。

[0032] 进一步地，所述单细胞分选芯片的流道层是用干膜来制作的，为了避免干膜自身的荧光干扰，这里优选采用二氧化硅薄膜或者非光敏干膜(例如非光敏环氧树脂材料层或非光敏聚酰亚胺材料层)来代替传统干膜，支持明场和荧光两种应用场景，从而可以避免传统干膜自身荧光对细胞分选的影响。当然，作为另一种实施方案，此处也可以选用光敏干膜，所述导入口10及分选导出口20均位于所述流道层中。

[0033] 进一步地，所述单细胞分选芯片还包括衬底层，所述流道层位于衬底层表面，所述热泡打印喷嘴的加热膜制作于所述衬底层表面。作为示例，所述衬底层的材质包括硅，其中可制作有所需的电路元件与线路。由于所述流道层选用二氧化硅层、旋涂玻璃层、非光敏环氧树脂材料层或非光敏聚酰亚胺材料层，不仅可以避免流道层自身的荧光干扰问题，还可以与硅衬底良好结合，并易于在硅衬底上采用微纳工艺加工流道层以形成所需的流道，例如可以先在所述衬底层上形成多层干膜，通过对多层干膜进行刻蚀修整从而限定出所需要的流道形状。

[0034] 实施例二

[0035] 本实施例提供一种单细胞分选装置，所述单细胞分选装置包括上述实施例一中的单细胞分选芯片，还包括：

[0036] 检测模块，用于检测所述分选导出口的细胞状态，所述细胞状态为多细胞或单细胞或无细胞，当细胞状态为单细胞时，则通过驱动部件(例如热泡打印喷嘴)将该单细胞打印导出至容器内。

[0037] 具体地，所述检测模块包括成像单元及图像处理单元。作为一种示例，所述成像单元包括显微镜及相机，显微镜的视场为2.1*1.6mm，以完整的拍摄到整个的所述单细胞分选芯片，进一步通过相机记录所述分选导出口的细胞状态。所述图像处理单元包括计算机，用于对所述分选导出口的细胞状态进行识别，该识别过程可以通过深度学习的AI算法来实现，大致过程为：首先人工识别具有单细胞状态的分选导出口，然后通过成像单元对具有单细胞状态的分选导出口进行拍摄，得到的图像作为单细胞状态的标准图像存入系统，并通过深度学习提取这些单细胞状态的图形特征。分选装置在实际工作时，将成像单元实时获得的图像与标准图像的图形特征进行比对，当相似度达到某一阈值时则可以认定为单细胞状态。该过程中可以通过不断的更新标准图像的数据库来提升识别准确率。上述过程也同样适用于多细胞状态及无细胞状态的识别。

[0038] 应当理解的是，所述检测模块与所述单细胞分选芯片通信连接，以控制各个分选导出口的驱动部件，当检测到的分选导出口符合单细胞状态时，则通过相应的驱动部件实现单细胞的导出。

[0039] 下面以CHO单细胞的分选为例说明整个细胞分选的过程。首先，将单细胞分选芯片进行priming操作，使芯片流道浸润，排出气泡。然后用移液枪将一定密度的CHO细胞悬液加入芯片的细胞导入口中，通过一定次数的驱动热泡喷嘴，将细胞驱动到喷嘴处，利用成像单元，通过AI算法读取芯片喷嘴内的细胞状态，识别出单细胞喷嘴。然后驱动相应喷嘴，将单细胞打印在孔板内或其他指定的容器内，完成单细胞分选。通过细胞密度与打印次数的匹配，使得喷嘴内单细胞率以及分选效率得到大大提升。

[0040] 综上所述，本实用新型提供一种单细胞分选芯片及单细胞分选装置，该分选芯片将分选导出口沿纵向排列设置于所述导入口的两侧，将单细胞分选与导出集成在同一个微流控芯片上，并以热泡打印喷嘴的驱动形式实现单细胞的快速、高通量的导出，而且实现单细胞的轻柔导出，对细胞的伤害小。流道层采用二氧化硅薄膜或者非光敏干膜代替热泡打印芯片传统干膜，从而可以避免传统干膜自身荧光对细胞分选的影响。且芯片结构简单，易于制作。本实用新型中的单细胞分选装置将分选芯片与图像检测技术相结合，可在2.1*1.6mm的视场下拍摄252个喷嘴，通过AI算法识别芯片导出口内的细胞状态，将单细胞打印在孔板内或其他指定的容器内，完成单细胞分选，使得分选效率得到大大提升。

[0041] 上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。