微流控細胞分析

第1章 緒論 001
1.1　細胞分析 001
1.1.1　細胞的發現 001
1.1.2　細胞培養與觀察 003
1.1.3　細胞組分分析 005
1.1.4　細胞研究的挑戰與機遇 007
1.2　微流控晶片 007
1.2.1　基本概念 007
1.2.2　發展歷史 008
1.2.3　微尺度下流體的基本特徵 010
1.2.4　微流控晶片應用領域 011
1.3　微流控細胞分析 012
1.3.1　發展過程 012
1.3.2　微流控晶片的細胞培養 015
1.3.3　單細胞分析 017
1.4　微流控細胞分析發展趨勢 018
參考文獻 019
思考題 021

第2章 微流控晶片的設計與製作 022
2.1　概述 022
2.2　晶片材料 023
2.2.1　無機材料 023
2.2.2　矽彈性體材料 024
2.2.3　熱固性與熱塑性材料 026
2.2.4　凝膠材料 027
2.2.5　紙基材料 028
2.2.6　雜化材料 029
2.3　晶片製作方法 030
2.3.1　標準光刻法 030
2.3.2　軟光刻法 034
2.3.3　聚焦離子束加工法 035
2.3.4　電子束光刻法 036
2.3.5　三維列印技術 037
2.3.6　晶片製作環境要求 039
2.4　功能單元的集成 039
2.4.1　微泵和微閥 039
2.4.2　細胞培養單元 040
2.4.3　晶片離心裝置 040
參考文獻 042
思考題 043

第3章 微流控細胞培養與微環境構建 045
3.1　概述 045
3.2　細胞培養 046
3.2.1　二維培養 046
3.2.2　三維培養 048
3.2.3　靜態培養 049
3.2.4　動態培養 053
3.2.5　細胞共培養 057
3.3　微環境構建 058
3.3.1　物理因素作用 058
3.3.2　化學因素作用 058
3.3.3　細胞與細胞間相互作用 059
3.3.4　細胞與細胞外基質間相互作用 061
3.4　總結與展望 062
參考文獻 063
思考題 068

第4章 微流控細胞操控技術 069
4.1　概述 069
4.2　細胞分選 070
4.2.1　磁方法 070
4.2.2　電方法 071
4.2.3　光方法 074
4.2.4　聲方法 075
4.2.5　流體動力學方法 077
4.2.6　大小和可變形性 079
4.3　細胞捕獲 080
4.3.1　抗體親和識別 080
4.3.2　核酸適配體識別 081
4.3.3　微結構捕獲 081
4.4　細胞處理 082
4.4.1　細胞裂解 082
4.4.2　細胞配對和融合 085
4.4.3　細胞膜穿孔 086
4.5　總結與展望 088
參考文獻 088
思考題 090

第5章 微流控單細胞分析 091
5.1　概述 091
5.1.1　單細胞分析與微流控 091
5.1.2　單細胞分析技術發展歷程 093
5.2　單細胞分離 096
5.2.1　微閥門技術 096
5.2.2　微孔和微壩 096
5.2.3　流體動力分離 097
5.2.4　介電泳 098
5.2.5　液滴法 098
5.3　單細胞裂解 099
5.3.1　化學法 099
5.3.2　機械法 100
5.3.3　電裂解法 100
5.3.4　鐳射法 101
5.3.5　熱裂解法 102
5.4　單細胞檢測分析 102
5.4.1　光學分析 102
5.4.2　電化學分析 104
5.4.3　質譜分析 105
5.5　總結與展望 107
參考文獻 107
思考題 114

第6章 開放式微流控細胞分析 116
6.1　概述 116
6.2　開放式微流控的基本概念 116
6.3　活體單細胞提取器 117
6.3.1　基本原理 117
6.3.2　計算流體力學模擬 118
6.3.3　單細胞提取異質性分析 118
6.3.4　單細胞水準上細胞黏附強度與細胞活性關聯性分析 120
6.4　單個迴圈腫瘤細胞在內皮細胞層上的黏附分析 121
6.4.1　細胞-細胞黏附分析測量原理 121
6.4.2　計算流體力學模擬 122
6.4.3　迴圈腫瘤細胞在內皮細胞層上的黏附分析 123
6.4.4　藥物對細胞-細胞黏附的影響 124
6.5　微流體細胞切割刀技術 126
6.5.1　基本原理 126
6.5.2　計算流體力學模擬 127
6.5.3　細胞切割與損傷修復 128
6.5.4　細胞器傳送速率測定 128
6.6　總結與展望 130
參考文獻 130
思考題 130

第7章 微流控細胞遷移研究 132
7.1　概述 132
7.2　細胞遷移研究的傳統方法 133
7.2.1　細胞劃痕法 133
7.2.2　培養插入法 134
7.2.3　電阻抗傳感法 135
7.2.4　Boyden小室法/Transwell法 136
7.3　微流控晶片在細胞遷移中的應用 137
7.3.1　趨化性 137
7.3.2　趨電性 140
7.3.3　趨觸性 142
7.4　總結與展望 143
參考文獻 143
思考題 145

第8章 微流控液滴製備方法與應用 146
8.1　概述 146
8.1.1　液滴的基本概念 147
8.1.2　液滴的功能與主要特徵 147
8.1.3　液滴生成原理 148
8.2　微流控液滴製備方法 149
8.2.1　T形交叉結構法 149
8.2.2　聚焦流結構法 149
8.2.3　同流結構法 150
8.2.4　其他方法 150
8.3　液滴微流體的生物醫學應用 154
8.3.1　細胞載體 154
8.3.2　細胞包封 154
8.3.3　細胞培養 156
8.3.4　細胞冷凍、復蘇、釋放 157
8.4　單細胞研究 158
8.4.1　單細胞包封與培養 159
8.4.2　單細胞分選 159
8.4.3　單細胞分析檢測 160
8.5　組織工程 161
8.5.1　類器官 161
8.5.2　可注射療法 162
8.5.3　幹細胞治療 163
8.6　總結與展望 164
參考文獻 165
思考題 167

第9章 液滴單細胞分析 169
9.1　概述 169
9.1.1　單細胞基因組和轉錄組分析 170
9.1.2　單細胞蛋白質分析 170
9.1.3　單細胞代謝分析 170
9.2　液滴的形成 171
9.2.1　噴墨列印技術 171
9.2.2　晶片上的液滴製備技術 174
9.3　單細胞封裝 176
9.3.1　被動封裝法 177
9.3.2　主動封裝法 178
9.4　液滴單細胞質譜分析 178
9.4.1　單細胞脂質分析 179
9.4.2　單細胞代謝物分析 180
9.4.3　單細胞蛋白質分析 181
9.5　總結與展望 181
參考文獻 182
思考題 183

第10章 微流控晶片-質譜聯用細胞分析 184
10.1　概述 184
10.2　質譜儀 ESI 介面 185
10.2.1　晶片直接噴口 186
10.2.2　晶片外接介面 187
10.2.3　一體化介面 187
10.3　質譜儀 MALDI 介面 188
10.4　晶片中細胞樣品的預處理 189
10.4.1　微萃取晶片的製作 190
10.4.2　MEC晶片的萃取效果 192
10.5　微流控晶片-質譜聯用技術的應用 193
10.6　總結與展望 194
參考文獻 195
思考題 197

第11章 微流控晶片上微生物的研究技術 199
11.1　概述 199
11.2　微生物的培養方式 200
11.2.1　微生物的特點 200
11.2.2　微生物培養基的選擇 200
11.2.3　微生物接種方式 201
11.2.4　微生物生長的影響因素 201
11.3　基於微流控技術研究細菌的基本方法 202
11.3.1　通道內培養 202
11.3.2　微室內培養 203
11.3.3　凝膠液滴包裹 204
11.3.4　微流控培養的優勢 204
11.4　微生物與微流控技術聯用的應用 205
11.4.1　微生物培養與鑒定 205
11.4.2　抗藥性檢測 206
11.4.3　毒性檢測 206
11.4.4　癌症檢測與治療 207
11.4.5　微生物燃料電池 207
11.4.6　食品安全 208
11.5　總結與展望 208
參考文獻 209
思考題 210

第12章 微流控晶片上組織/器官類比 212
12.1　概述 212
12.2　器官晶片的特點 213
12.3　器官晶片的構建方法 214
12.4　器官晶片的類型 215
12.4.1　肝 215
12.4.2　腸 217
12.4.3　肺 218
12.4.4　血管 218
12.4.5　腎 219
12.4.6　腦 220
12.4.7　多器官晶片 221
12.4.8　全組織晶片 222
12.5　器官晶片在藥代動力學研究中的應用 223
12.6　總結與展望 224
參考文獻 225
思考題 226

第13章 微流控晶片-質譜聯用細胞分析儀的應用 227
13.1　概述 227
13.2　儀器性能與特點 228
13.2.1　微流控通道細胞培養晶片 228
13.2.2　微注射裝置 229
13.2.3　細胞培養單元與顯微觀察 230
13.2.4　細胞進樣與代謝物提取 230
13.2.5　色譜預處理與分離單元 230
13.2.6　質譜檢測單元 233
13.2.7　軟件控制單元 233
13.3　儀器操作步驟 235
13.3.1　晶片製作 235
13.3.2　細胞培養 235
13.3.3　培養基注入 235
13.3.4　色譜分離 236
13.3.5　質譜檢測 236
13.4　儀器應用 236
13.4.1　細胞缺氧分析 236
13.4.2　25-羥基維生素D3的生物轉化 237
13.4.3　酸性微環境中7-羥基香豆素代謝 239
13.5　儀器的應用前景 241
參考文獻 242
思考題 244

林金明

清華大學化學系，教授，博導，清華大學化學系教授，博士生導師， 1992-2002年在日本留學和工作，1997年3月獲得日本東京都立大學工學博士學位，同年留校任教。2000年入選中國科學院“百人計畫”，受聘中國科學院生態環境研究中心研究員，博士生導師，環境化學與生態毒理學國家重點實驗室副主任。2001年獲得國家傑出青年科學基金，2004年入選清華大學“百人引進”，2008年受聘教育部長江學者特聘教授，2008-2014年擔任清華大學分析中心主任、化學系副系主任，目前擔任微量分析測試與儀器研製北京市重點實驗室主任。2014年入選英國皇家化學會會士。

目前主要從事微流控晶片質譜聯用細胞分析、空氣負離子製備與應用、化學發光免疫分析的研究。在Angew. Chem.、Adv. Sci.、Chem. Sci.、Anal. Chem.、J. Chromatogr. A等期刊發表研究論文400餘篇，授權專利30項，並在專利基礎上研製成功多款儀器設備，得到普及推廣。目前兼任中國化學會監事會監事、分析化學專業委員會副主任、質譜分析專業委員會副主任，中國藥學會藥物分析專業委員會副主任委員，中國分析測試協會常務理事等多種學術委員會委員。Trends in Analytical Chemistry責任編輯，Journal of Advanced Research、Luminescence、J. Pharm. Anal.、Chinese Chemical Letters、《質譜學報》和《分析試驗室》等期刊副主編。《藥物分析雜誌》、《分析化學》、Sci. Rep.、Talanta、Anal. Chim. Acta、Science China Chemistry等多種國內外期刊編委。