单细胞分析是在细胞及亚细胞层面研究生命过程的重要技术手段，但目前单细胞分析技术常受到分选技术纯度、漏选，错选及细胞操控方式的影响，造成单细胞分析准确性的下降。因此，发展新型单细胞分选控制技术对单细胞分析十分重要。随着纳米技术和微加工技术的发展，基于微流控系统和微电极阵列的单细胞操控系统近年来快速发展，其优点包括样本需求量小、操控简便、控制响应时间短、分选精度高等。


本文基于二氧化锰纳米结构，利用紫外光刻微加工技术，构建微电极阵列电化学系统;通过在二氧化锰表面修饰细胞吸附抗体，实现对目标单细胞的捕获;再通过对目标微电极的电化学刻蚀切断微电极与目标单细胞的联接，实现单细胞的释放与操控。


本文的主要结果如下:


(1)首先利用磁控溅射和紫外光刻技术在玻璃基板上沉积金电极阵列，再利用紫外光刻技术和二氧化锰纳米空心球自组装技术在核心电极区组装二氧化锰，形成二氧化锰-金复合微电极阵列。通过光学显微镜和扫描电子显微镜观察，发现所制备的二氧化锰-金复合微电极阵列与器件设计目标基本一致。该二氧化锰-金复合微电极阵列的总尺寸是40mm×40mm的正方形，核心电极的大小为120mm×120mm的正方形电极，电极与电极之间的间距为1080mm，阵列上一共有88个电极和88个脚电极。


(2)将微电极阵列、电解质溶液和导电玻璃组成微电极阵列器件。通过观察二氧化锰微电极的循环伏安曲线及其对应的刻蚀效果的变化，构建二氧化锰微电极电容与刻蚀效果的关系。用原子力显微镜(AFM)表征刻蚀前后二氧化锰薄膜的厚度变化，并在不同的扫描速率、电极间距和电化学窗口参数下，测试刻蚀前后电极的电容变化。研究发现，扫描速率的增加、电极间距的减小以及电化学窗口的增宽，均可增强对二氧化锰的电化学刻蚀。


(3)利用经上皮细胞黏附分子(EpCAM)修饰的二氧化锰微电极捕获循环肿瘤细胞，发现二氧化锰微电极阵列中有32%的单电极单元可捕获单个目标细胞。使用1.0V电压，可实现对单个二氧化锰微电极的电化学刻蚀，进而切断微电极与单细胞的联接，实现对单个目标细胞的释放。


综上所述，本文构建了基于二氧化锰的微电极阵列器件，并通过电化学方法，将其应用于单细胞的捕获与释放。研究结果表明，基于二氧化锰构建的微电极阵列单细胞控制系统，可用于循环肿瘤细胞的单细胞分选。该技术有望提供一种新型单细胞分选控制平台，并与单细胞分析系统联合用于多种细胞的单细胞研究。