一种制备单细胞固定针的装置及方法与流程

本发明涉及一种制备单细胞固定针的装置及方法，属于微加工领域。

背景技术：

随着生命科学和分析技术的快速发展，单细胞分析现已得到研究人员的重视。细胞是构成生命体的基本单元，细胞内基因表达的分析对研究细胞生长发育、分化及疾病监测等方面有重要意义。生命体发病，很可能是由于细胞内的基因组或基因表达谱在内、外界环境刺激下发生变化，而导致生命体内各种蛋白质的种类和数量发生了变化。传统的细胞学研究依赖于大量细胞(10³-10⁴个)，把群体值作为测量结果。然而研究发现，即使是生活在同一环境、同一组织中的同种细胞，其在基因表达水平上仍存在着很大差异。细胞之间存在异质性，而群体分析会掩盖细胞个体间的差异，因此，单细胞分析就进入了研究人员的视野，并逐渐得到了越来越广泛的关注。

现阶段单细胞分析的方法主要有，流式细胞术、显微操作、微流控芯片技术等，每种方法都尤其优势和缺陷。在进行单细胞分析时，对单细胞进行捕获或固定，是进行单细胞分析的重要步骤。

在微流控芯片技术中，进行单细胞分析时，对单细胞进行捕获或固定的方法主要包括：流体动力学、电场力、磁场力、光控等，现这几种方法已经在微流控芯片技术中得到了较多应用。在显微操作中，对单细胞进行捕获或固定的方法，主要是利用制备的固定针，在固定针尾部施加一个推吸力，来实现对细胞的固定及释放，该种方法在显微操作技术中已得到广泛应用。然而，现阶段的显微操作技术，多研究的是胚胎细胞，或者体积较大的细胞，其细胞直径大多有几十到上百微米，因此，研究中使用的单细胞固定针的尺寸较大，端口外径多在几十微米，端口内经在十几微米及以上。

制作显微操作固定针的原料一般是玻璃毛细管，所使用的玻璃毛细管规格有所不同，使用专门制作固定针的仪器-煅针仪，来制备单细胞固定针，根据研究对象的尺寸不同，所制备固定针端口尺寸存在差异。固定针是对细胞进行固定，既要牢固且又不能伤害细胞，因而固定针的形状、外径和内径相当关键。尖端应绝对平滑，外径和内径不能太大也不太小。内径太大，细胞易被吸入管内或因吸力大而被损害；内径太小，显微操作时细胞容易转动，不利于操作。外径也不能太大，当外径太大的固定针接触操作皿底面时，固定细胞的针口离底面太高，直径较小的细胞即离开操作皿底，显微操作时细胞容易发生旋转，而且可能会失去最佳观察位置。

传统用煅针仪制备单细胞固定针的方法。首先，将毛细管置于拉针仪上，按照实验研究的需求，对拉针仪的参数进行设定，按照设定的参数将玻璃毛细管拉断，拉断的玻璃毛细管将出现尖端。然后，将拉制好的带尖端的毛细管水平装上煅针仪，用毛细管在铂金丝弯内的中点烧一小玻璃珠，大小以刚盖住电热丝为宜，移动玻璃珠至毛细管口径处，使玻璃珠与针刚好接触，打开开关缓慢加热，此时，随着温度的升高，玻璃珠向针尾部移动，当玻璃珠变红，不再移动时，毛细管与玻璃珠接触部分融合，关闭加热开关，随着温度的骤然降低，玻璃珠迅速收缩，针即拉断。最后，将断好针的口部与断针仪的玻璃珠接触，确保二者在同一水平面上，分开较大距离，逐渐加热，待玻璃珠变红不再移动时，停止加大热力，向玻璃珠方向缓慢移动针，针口径逐渐变小，端口内径缩小至所需尺寸时，关闭加热开关。

因当前显微操作中，所研究的细胞为尺寸较大的细胞，所用固定针尺寸也相对较大，故当前商业的煅针仪只能制备尺寸较大的固定针，对于研究体积较小的细胞，商业煅针仪不能满足需求。现阶段很少存在制备单细胞固定针的其他方法，若想制备固定针，必须购买商业煅针仪，而煅针仪的价格较贵，不能被实验室广泛使用，并且其制备的固定针并不能用于对体积较小细胞的捕获或固定。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有设备或技术的不足，提供一种制备单细胞固定针的装置及方法，通过调节该装置中调压器的输出电压，来控制镍铬合金丝(镍的质量含量在5％-95％，优选cr20ni80)的产热量，从而能够成功实现对拉制玻璃毛细管尖端的切割，并对切割后的毛细管尖端平口端进行熔化收口形成固定针，及对熔化收口的固定针进行弯折形成各种角度。

为了实现以上发明目的，本发明采用的技术方案如下。

一种制备单细胞固定针的方法，其特征在于，采用的装置包括：一根用毛细管拉制器拉制的带尖端的玻璃毛细管(1)、镍铬合金丝(优选cr20ni80)(2)、涂覆有不导电、耐高温涂层(至少耐800℃高温)的金属螺纹杆(3)、石英玻璃片(4)(或其它耐1000℃高温、不导电材质的片子)、调压器(5)、导线(6)、倒置显微镜(7)、三维调节台(8)；在涂有涂层的金属螺纹杆(3)的表面平行缠绕镍铬合金丝(2)，缠绕有镍铬合金丝(2)的金属螺纹杆(3)固定在石英片(4)上，缠绕金属螺纹杆的镍铬合金丝(2)的一端固定在石英片(4)上，另一端伸出石英片(4)的边缘再折回到石英片(4)上，在石英片(4)边缘的悬空处形成镍铬合金丝环尖头；

镍铬合金丝(2)的两端分别通过导线与调压器(5)的输出端连接；带尖端的玻璃毛细管(1)固定到三维调节台(8)上，调整带尖端的玻璃毛细管(1)位于镍铬合金丝环尖头附近，采用倒置显微镜(7)观察制备过程。

采用上述系统进行单细胞固定针的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1.购买普通玻璃毛细管，用毛细管拉制器将其拉断，制作成带尖端的毛细管(1)，备用；

s2.取一段金属螺纹杆，用耐腐蚀、耐高温、不导电的涂层涂覆金属螺纹杆，使涂层将螺纹杆的金属部分全部覆盖，放在85℃的加热台上，使涂层的的溶剂全部挥发，并在85-120℃的温度下继续加热2h-4h，使涂层完全固化在螺纹杆上，制作成带涂层的金属螺纹杆(3)；

s3.取一段镍铬合金丝(优选cr20ni80，产热高，抗氧化，耐用)(2)，将其缠绕在带涂层的螺纹杆(3)上，将合金丝(2)在螺纹杆(3)缠绕的起始和末了的位置用高温涂层固定，两端各留出一段合金丝；

s4.购买石英片(4)，将缠绕固定有镍铬合金丝(2)的螺纹杆(3)固定于石英片(4)上，并将螺纹杆留有的镍铬合金丝(2)的一端在石英片(4)的一端边缘伸出并折回固定，在石英片(4)边缘的悬空处形成镍铬合金丝环尖头伸出石英片；优选镍铬合金丝(2)两端各留出2-4cm用于与导线连接；

s5.取两根导线(6)，分别与固定于石英片(4)的镍铬合金丝(2)两端相连；

s6.购买调压器(5)一个，输入端连接电源，输出端与连接镍铬合金丝(2)的两根导线(6)相连；

s7.将固定有镍铬合金丝(2)的石英片(4)放于倒置显微镜(7)载物台上，在显微镜下找到镍铬合金丝环尖头的像；

s8.将拉断的、带有尖端的毛细管(1)固定在三位调节台(8)上，调整毛细管尖端(1)的位置，将毛细管尖端(1)调到在显微镜下能看到镍铬合金丝环尖头的视野内，将拉断的、带有尖端的毛细管(1)的尖端慢慢靠近镍铬合金丝环尖头，留有一段距离；

s9.打断:打开调压器(5)，对镍铬合金丝(2)施加电压，经过实验找到镍铬合金丝环尖头将拉断的、带有尖端的毛细管(1)打断的施加电压范围，将电压调节到比该范围较低的电压的进行预热，调整拉断的、带有尖端的毛细管(1)所要打断的位置到镍铬合金丝环尖头附近，并将拉断的、带有尖端的毛细管(1)与镍铬合金丝环尖头接触，调整电压到打断电压范围内所需值，几秒钟后，确认镍铬合金丝环尖头与拉断的、带有尖端的毛细管(1)的表面相粘连，快速将拉断的、带有尖端的毛细管(1)与镍铬合金丝环尖头沿毛细管轴向方向分离，在显微镜下将看到尖端被打断的毛细管(a)；

s10.收口：将调压器(5)的电压值调大，此时在倒置显微镜(7)中可以看到合金丝(2)开始发出红色的热光，将调压器(5)调至使被打断的毛细管尖端(a)端面熔化收口所需电压范围更低一些的位置，把被打断的毛细管(a)尖端端面靠近镍铬合金丝环尖头附近正对的位置上，，为避免电热丝产生的热量损害物镜镜头，将镜头下调，而后经调压器(5)调至端面熔化收口所需所需电压，对端面进行熔化收口；

检查尖端收口情况，先将调压器(5)施加的电压调小，再用物镜靠近，检查状况，若收口还没有达到预期结果，则重复该收口操作；

s11.被打断的毛细管尖端端面熔化收口完成后，用镍铬合金丝环尖头对熔化收口的毛细管尖端(b)进行弯折，在倒置显微镜(7)中同时看到镍铬合金丝环尖头和熔化收口的毛细管尖端(b)，将调压器(5)调节到弯折所需温度的对应的电压更低一些的电压处，将熔化收口的毛细管尖端(b)需要弯折的位置，靠近镍铬合金丝环尖头位置，将倒置显微镜(7)物镜镜头下调节(在显微镜下，仍可看到电热丝和毛细管的位置)，把电压调到弯折所需电压处，将熔化收口的毛细管尖端(b)继续靠近镍铬合金丝环尖头，在显微镜(7)下，观察熔化收口的毛细管尖端(b)弯折的程度，随时将调压器(5)电压调小，终止弯折。

镍铬合金丝的直径为1-200微米。

本发明利用调压器调节输出电压，从而控制镍铬合金丝的产热量，可实现：利用不同直径的镍铬合金丝、及各种规格的玻璃毛细管来制备端口内外径比不同的固定针。本发明可制备：熔化收口的端口外径从几微米到上百微米、内经从纳米到几十微米的固定针。本方法所制备的固定针，可实现对直径为几微米到上百微米的细胞进行固定。本发明提出了一种新型的制备单细胞固定针的装置及方法，与传统的制作方法和现有的其它方法相比，成本低、装置简单、操作简便，扩展了固定单细胞的尺寸范围，由于制备的固定针端口外径可小至几微米，因此实现了对微小细胞的固定及操控。本方法所制备的单细胞固定针具有广泛用途，如显微注射，膜片钳、单细胞取样等方面。

本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：

(1)成本低。装置使用的原材料价格低廉，容易获得，不用购买使用制作固定针的仪器，大大降低了制作成本。

(2)装置简单。装置没有复杂的部件，没有复杂的结构，便于制作使用。

(3)操作简便。操作简单易学，使用便捷，便于被初学者掌握。

(4)扩展了固定单细胞的尺寸范围。本装置能够制作尺寸较小的固定针，可用于固定或操控体积较小的细胞。

(5)在生物医学研究中，制备的单细胞固定针可固定或操控小体积细胞，将能更好地研究患病细胞与正常细胞的差别，可推进医学的进步；

(6)本方法所制备的固定针具有多种用途，比如：可用于显微注射中，固定胚胎细胞，便于注射针注射精子到胚胎细胞中；可用于膜片钳中，固定研究细胞，检测细胞的离子通道；用于单细胞取样，固定单细胞，便于取样针取样进行检测分析；等等。

附图说明

图1是本发明中，制备单细胞固定针装置的示意图(图中大小不代表实际大小比例)；

图2是本发明具体实施方式中，在倒置显微镜，目镜10倍，物镜20倍，总放大倍率200倍条件下，直径为0.03mm镍铬合金丝制备的装置中，镍铬合金丝在显微镜中的像；

图3是本发明具体实施方式中，在生物显微镜，目镜10倍，物镜20倍，总放大倍率200倍条件下，用毛细管拉制器拉制的毛细管尖端照片；

图4是本发明具体实施方式中，在金相显微镜，目镜10倍，物镜100倍，总放大倍率1000倍条件下，被合金丝切割的毛细管尖端端口的照片，端口外径约为7.5μm；

图5是本发明具体实施方式中，在金相显微镜，目镜10倍，物镜100倍，总放大倍率1000倍条件下，被合金丝熔化收口的毛细管尖端端口的照片，端口外径约为10.5μm；

图6是本发明具体实施方式中，在金相显微镜，目镜10倍，物镜20倍，总放大倍率200倍条件下，尖端熔化收口的毛细管前端被弯折后的照片，端口外径约为10.5μm；

图7是本发明具体实施方式中，在金相显微镜，目镜10倍，物镜100倍，总放大倍率1000倍条件下，尖端熔化收口的毛细管尖端端口固定动物细胞a549(非小肺癌细胞)的照片；

1带尖端的玻璃毛细管，2镍铬合金丝(cr20ni80)，3涂覆有不导电、耐高温涂层的金属螺纹杆，4石英玻璃片，5调压器，6导线，7倒置显微镜，8三维调节台，a尖端被切断的毛细管，b尖端端面熔化收口的毛细管，c前端弯折的毛细管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明实施例提供一种制备单细胞固定针的装置及方法，现以内经约为0.3mm、外径约为0.4mm的普通玻璃毛细管制备单细胞固定针为例对本发明进行详细描述，具体实施步骤如下：

s1.购买内经约为0.3mm、外径约为0.4mm的普通玻璃毛细管，用f型号的p-2000毛细管拉制器，在条件heat:155-160fil:0-2vel:50del:120pul:100下，将毛细管拉断，制作成带尖端的毛细管(1)，备用；

s2.取约3cm长的金属螺纹杆(直径约5mm)，将螺纹杆用耐腐蚀、耐高温、不导电的涂层涂覆，使涂层将螺纹杆的金属部分全部覆盖，放在约85℃的加热台上，使涂层的的溶剂全部挥发，并在85-120℃的温度下继续加热2h-4h，使涂层完全固化在螺纹杆上，制作成带涂层的金属螺纹杆(3)；

s3.取一段30cm长、直径为0.03mm的镍铬合金丝(cr20ni80，产热高，抗氧化，耐用)(2)，将其缠绕在带涂层的螺纹杆(3)上，将合金丝在螺纹杆缠绕的起始和末了的位置用高温涂层固定，两端各留出一段合金丝；

s4.定制长80mm、宽30mm、厚0.7mm的石英片(石英耐高温)(4)，将固定有镍铬合金丝(2)的螺纹杆(3)固定于石英片(4)上，并将螺纹杆起始端留有的合金丝在石英片的一端固定，使固定的合金丝部分伸出石英片，伸出的部分形成半圆，将半圆捏成尖状；把合金丝两端固定于石英片上，两端各留出2-4cm；

s5.取两根导线(6)，分别与固定于石英片(4)的合金丝两端相连；

s6.购买调压器(可以通过调节合金丝两段的电压，改变合金丝的产热量，从而控制合适的温度来切割、熔化、弯折毛细管)(5)一个，输入端连接电源，输出端与连接合金丝的两根导线(6)相连；

s7.将固定有镍铬合金丝(2)的石英片(4)放于倒置显微镜(7)载物台上，用目镜10倍、物镜为20倍的镜头，在显微镜下找到合金丝的像；

s8.将拉断的、带有尖端的毛细管(1)固定在三位调节架(8)上，调整毛细管尖端的位置，将毛细管尖端(1)调到在显微镜下能看到镍铬合金丝(2)的视野内，将尖端慢慢靠近合金丝，留有一段距离；

s9.打开调压器(5)，对直径0.03mm、总长度30cm、有效长度28cm的镍铬合金丝(2)施加电压，经过实验找到合金丝将毛细管打断的施加电压大概位置，约为70v，将电压调节到该位置附近较低电压约65v的位置预热，调整毛细管尖端(1)所要打断的位置到镍铬合金丝(2)上端附近，并将尖端(1)与合金丝(2)接触，调整电压到所需值约70v，几秒钟后，确认合金丝(2)与毛细管尖端(1)相粘连，快速将毛细管尖端(1)与合金丝(2)分离，在显微镜下将看到尖端被打断的毛细管(a)。

s10.将调压器(5)的电压值调大，此时在倒置显微镜(7)中可以看到合金丝(2)开始发出红色的热光，将调压器(5)调至使切断尖端的毛细管尖端(a)端面熔化收口所需电压低一些的位置约70v，把毛细管尖端(1)端面靠近合金丝(2)附近，正对合金丝(2)的位置上，为避免合金丝(2)产生的热量损害物镜镜头，将镜头下调，而后经调压器(5)调至所需电压约95v，对端面进行熔化收口，检查尖端收口情况，先将调压器(5)施加的电压调小，再用物镜靠近，检查状况，若收口还没有达到预期结果，则重复该操作；

s11.毛细管尖端端面熔化收口完成后，用直径约0.05mm或0.1mm的合金丝(2)对熔化收口的毛细管尖端(b)进行弯折，在倒置显微镜(7)中同时看到合金丝(2)和熔化收口的毛细管尖端(1)，将调压器(5)调节到弯折所需温度的低一些的温度，将熔化收口的毛细管尖端(b)需要弯折的位置，靠近合金丝(2)的尖端位置，将显微镜物镜(7)镜头下调(在显微镜下，仍可看到电热丝和毛细管的位置)，把温度调到弯折所需温度，将熔化收口的毛细管尖端(b)继续靠近电热丝，在显微镜(7)下，可观察到熔化收口的毛细管尖端(b)弯折的程度，可随时将调压器(5)电压调小，终止弯折。

按照实施例的方法，还可用直径0.035mm、0.04mm、0.045mm、0.05mm等规格的镍铬合金丝，对刚用毛细管拉制器制备的尖端，进行切断、熔化收口操作，可得到不同外径的毛细管尖端端面。使用的合金丝直径不同，切割得到毛细管尖端端面的尺寸范围不同，使用的合金丝直径越大，制得的尖端端面尺寸也将越大。

按照实施例的方法制备得到的固定针用于动物细胞a549(非小肺癌细胞)的固定

s1.取已分散好的动物细胞悬浮液，滴加少量到盖玻片上；

s2.将盖玻片放于荧光倒置显微镜的载物台上，及时用移液枪补充磷酸盐缓冲溶液到盖玻片上，保持盖玻片上细胞的活性；

s3.将制备的固定针与石英毛细管相连，在石英毛细管的末端与一推吸装置相连，再将固定针放于三位调节台上；

s4.金相显微镜下调节固定针接近选择好的动物细胞进行固定。

需要说明的是，上述方法和系统内的各单元之间的相互配合、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的方法具有成本低、装置简单、操作简便、可行性强等优点，扩展了固定单细胞的尺寸范围，可实现对微小细胞的固定及操控，并且容易被操作者所掌握。

以上对本发明实施例所提供的一种制备单细胞固定针的装置及方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的实施方式及所得产品进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。