探索无标记细胞分离新技术：主动与被动分选策略的深度剖析

探索无标记细胞分离新技术：主动与被动分选策略的深度剖析一、引言1.1研究背景与意义细胞分选作为生命科学研究领域的关键技术，在细胞生物学、肿瘤学、免疫学以及神经科学等众多学科的研究中都有着举足轻重的地位。在细胞生物学中，通过细胞分选能够获取特定类型的细胞，从而深入探究细胞的生长、分化、代谢等基本生命过程；肿瘤学研究里，精准分选肿瘤细胞和正常细胞，有助于揭示肿瘤的发生发展机制，为癌症的早期诊断和个性化治疗提供关键依据；免疫学研究依赖细胞分选技术分离不同类型的免疫细胞，以此剖析免疫反应的本质，推动免疫治疗的发展；神经科学领域则借助细胞分选获取特定的神经元细胞，对神经系统的发育和功能展开研究。传统的细胞分选技术大多依赖荧光标记或磁性标记，然而，这些标记物可能会对细胞的生理功能和活性产生干扰，导致实验结果出现偏差。比如，荧光标记可能改变细胞的光学性质，影响对细胞内分子的检测；磁性标记可能影响细胞的力学性质，干扰细胞的正常运动和相互作用。无标记细胞分离技术应运而生，它巧妙地避开了标记过程对细胞的潜在影响，能够获取更接近生理状态的细胞，为生命科学研究提供了更为可靠的样本。在无标记细胞分离技术中，主动分选技术和被动分选技术展现出了独特的研究价值。主动分选技术能够依据细胞的多种特性，如电学、光学、声学等性质，对细胞进行精确操控和分选，具有分选精度高、特异性强的显著优势。而被动分选技术则凭借细胞自身的物理性质，如大小、形状、密度等，在微流控芯片等装置中实现细胞的自然分离，具有操作简便、成本较低、对细胞损伤小的特点。对这两种技术展开深入研究，不仅能够丰富无标记细胞分离技术的理论体系，还能为其在生物医学、药物研发等领域的广泛应用奠定坚实基础。1.2研究目的与创新点本研究旨在深入剖析基于主动和被动分选的无标记细胞分离技术，系统地探究这两种技术的工作原理、技术特点以及在不同领域的应用情况。通过对技术原理的深度挖掘，揭示主动分选技术如何利用细胞的电学、光学、声学等特性实现精确操控，以及被动分选技术怎样依据细胞的大小、形状、密度等物理性质完成自然分离，从而为技术的优化和改进提供坚实的理论基础。在技术特点方面，全面分析主动分选技术的高精度、高特异性以及被动分选技术的操作简便、成本低、细胞损伤小等优势，同时也关注它们各自存在的局限性，为实际应用中的技术选择提供科学依据。在应用领域方面，详细研究这两种技术在生物医学、药物研发等领域的具体应用案例，总结成功经验和存在的问题，为进一步拓展其应用范围提供参考。本研究的创新点主要体现在以下几个方面：在技术分析维度上，打破以往单一的研究视角，从多维度对主动和被动分选技术进行综合分析。不仅深入研究技术本身的原理和特点，还从细胞生物学、物理学、工程学等多个学科角度探讨技术的实现机制和潜在影响，为无标记细胞分离技术的研究提供了全新的思路和方法。在应用案例研究方面，广泛收集和分析来自生物医学、药物研发、生物工程等多领域的实际应用案例，全面总结技术在不同场景下的应用效果和面临的挑战，为技术的跨领域应用提供了丰富的实践经验和理论支持。在技术整合与优化方面，尝试将主动分选技术和被动分选技术进行有机结合，探索一种全新的无标记细胞分离方法，以充分发挥两种技术的优势，弥补各自的不足，为无标记细胞分离技术的发展开辟新的方向。1.3国内外研究现状在国外，无标记细胞分离技术的研究起步较早，取得了一系列具有影响力的成果。美国的研究团队在主动分选技术方面，利用介电泳技术对细胞进行操控，通过精确控制电场参数，实现了对不同电学性质细胞的高效分选。例如，他们开发的基于介电泳的微流控芯片，能够在微纳尺度下对细胞施加精确的电场力，根据细胞的介电常数差异将其分离出来，该技术在肿瘤细胞的分选和检测中展现出了极高的灵敏度和特异性，为肿瘤的早期诊断提供了有力的技术支持。在光学分选方面，国外科研人员通过激光诱导的光镊技术，对细胞进行非接触式的操控和分选。利用光镊产生的微小光学力，可以精确地捕获和移动单个细胞，实现对特定细胞的分离。这种技术在对细胞活性要求较高的研究中具有独特的优势，如干细胞的分选和培养，能够最大程度地减少对细胞的损伤，保持细胞的原始特性。在被动分选技术领域，国外研究人员在微流控芯片的设计和应用上取得了显著进展。通过巧妙设计微流控芯片的通道结构和流体动力学参数，利用惯性微流控技术实现了对不同大小和形状细胞的高效分离。例如，设计的螺旋形微流控芯片，能够利用细胞在螺旋通道中受到的惯性力和Dean力的差异，将不同尺寸的细胞自然地分离开来，该技术具有高通量、低成本的特点，在血液细胞分析、微生物检测等领域得到了广泛应用。在国内，无标记细胞分离技术的研究近年来也发展迅速。科研人员在主动分选技术方面，结合声学和电学技术，提出了一种新型的细胞分选方法。通过在微流控芯片中引入超声驻波场和电场，利用细胞在两种场中的不同响应，实现了对细胞的多参数分选。这种方法不仅提高了分选的精度和效率，还能够对细胞的多种物理性质进行综合分析，为细胞生物学研究提供了新的手段。在被动分选技术方面，国内研究团队通过对微流控芯片的结构优化和材料创新，提高了细胞分选的性能。例如，采用新型的纳米材料制备微流控芯片，利用纳米材料的特殊表面性质和物理特性，增强了芯片对细胞的捕获和分离能力。同时，通过优化芯片的微结构设计，如采用鱼骨状微结构，进一步提高了细胞分选的效率和准确性，该技术在循环肿瘤细胞的捕获和分析中取得了良好的效果，为肿瘤的临床诊断和治疗提供了重要的技术支持。国内外在无标记细胞分离技术的研究上都取得了丰硕的成果，但仍存在一些亟待解决的问题。主动分选技术在提高分选精度和特异性的同时，如何降低设备成本和操作复杂性，以实现更广泛的应用；被动分选技术在提高分选效率和通量的同时，如何进一步提高分选的准确性和对复杂样本的适应性，都是未来研究需要重点关注的方向。二、无标记细胞分离技术概述2.1细胞分选技术的重要性细胞分选技术在生命科学研究领域占据着举足轻重的地位，是推动众多学科发展的关键力量。在疾病诊断方面，精准的细胞分选能够为疾病的早期诊断和病情监测提供重要依据。以癌症诊断为例，循环肿瘤细胞（CTCs）的检测对于癌症的早期发现和转移监测具有重要意义。由于CTCs在血液中的含量极低，每毫升血液中可能仅有几个到几十个，因此需要高效的细胞分选技术将其从大量的血细胞中分离出来。通过对CTCs的分析，可以了解肿瘤的生物学特性、转移潜能以及对治疗的反应，为癌症的早期诊断和个性化治疗提供关键信息。在神经退行性疾病的诊断中，细胞分选技术可以用于分离和分析病变的神经元细胞，帮助研究人员了解疾病的发病机制，开发早期诊断的生物标志物。在阿尔茨海默病的研究中，通过分选大脑组织中的神经元细胞和胶质细胞，研究人员发现了与疾病相关的异常蛋白表达和细胞信号通路的改变，为疾病的早期诊断和治疗提供了新的靶点。在药物研发领域，细胞分选技术是筛选和评估药物疗效的重要手段。通过分选特定类型的细胞，研究人员可以研究药物对目标细胞的作用机制和疗效，从而筛选出具有潜力的候选药物。在抗癌药物的研发中，利用细胞分选技术分离肿瘤细胞和正常细胞，研究药物对肿瘤细胞的抑制作用和对正常细胞的毒性，能够加速药物的研发进程，提高研发效率。细胞分选技术还可以用于药物毒性测试和药物耐药性研究。通过分选不同类型的细胞，研究人员可以评估药物对不同细胞类型的毒性，预测药物在体内的不良反应。在药物耐药性研究中，分选耐药细胞和敏感细胞，研究其基因表达和蛋白质组学的差异，有助于揭示药物耐药的机制，开发克服耐药性的新策略。在细胞治疗领域，细胞分选技术是获取高质量治疗细胞的关键。在干细胞治疗中，需要分选和纯化特定类型的干细胞，以确保治疗的安全性和有效性。通过细胞分选技术，可以从骨髓、脂肪等组织中分离出间充质干细胞，用于治疗多种疾病，如骨关节炎、心血管疾病等。在免疫细胞治疗中，分选和激活特定的免疫细胞，如T细胞、NK细胞等，可以增强机体的免疫功能，用于治疗癌症和自身免疫性疾病。2.2无标记细胞分离技术的优势无标记细胞分离技术与传统的有标记细胞分离技术相比，具有诸多显著优势，在生命科学研究和临床应用中展现出独特的价值。无标记细胞分离技术能够有效避免标记物对细胞生理功能和活性的干扰，最大程度地维持细胞的原始状态。在传统的有标记细胞分选技术中，荧光标记或磁性标记等操作可能会对细胞的代谢、基因表达和信号传导等过程产生影响。荧光标记物可能会改变细胞的光学性质，干扰细胞内分子的检测；磁性标记则可能影响细胞的力学性质，干扰细胞的正常运动和相互作用。而无标记细胞分离技术则巧妙地避开了这些问题，通过利用细胞自身的物理性质或与周围环境的相互作用来实现细胞的分选，从而获取更接近生理状态的细胞样本，为后续的研究提供了更可靠的基础。在干细胞研究中，无标记细胞分离技术能够避免标记物对干细胞干性和分化潜能的影响，确保分离得到的干细胞具有完整的生物学特性，为干细胞治疗和再生医学研究提供了更优质的细胞资源。无标记细胞分离技术的操作相对简便，成本较低。传统的有标记细胞分离技术通常需要使用昂贵的荧光标记试剂、磁性微珠等，并且操作过程较为复杂，需要专业的技术人员和设备。而无标记细胞分离技术则不需要进行繁琐的标记步骤，只需利用细胞的固有特性，如大小、形状、密度、电学性质、光学性质、声学性质等，通过简单的物理或化学方法即可实现细胞的分选。这种技术操作简单，易于掌握，同时也降低了实验成本，提高了实验效率。在一些资源有限的实验室或临床环境中，无标记细胞分离技术的优势尤为明显，能够为更多的研究和应用提供支持。无标记细胞分离技术对细胞的损伤较小，能够提高细胞的存活率和功能完整性。在传统的有标记细胞分离过程中，标记物的引入以及后续的分离操作可能会对细胞造成物理或化学损伤，导致细胞存活率降低和功能受损。而无标记细胞分离技术采用的是非侵入性的分选方法，如基于微流控芯片的惯性微流控技术、介电泳技术等，能够在温和的条件下实现细胞的分选，减少对细胞的损伤。在细胞治疗领域，高存活率和功能完整的细胞对于治疗效果至关重要，无标记细胞分离技术能够满足这一需求，为细胞治疗的成功实施提供保障。无标记细胞分离技术还具有通用性强的特点，能够应用于多种类型细胞的分选。由于不同类型的细胞在物理性质和生物学特性上存在差异，无标记细胞分离技术可以根据这些差异，通过调整分选参数和方法，实现对不同细胞的有效分选。无论是肿瘤细胞、免疫细胞、干细胞还是其他类型的细胞，都可以利用无标记细胞分离技术进行分离和分析，为生命科学研究的多个领域提供了有力的技术支持。2.3主动分选与被动分选的概念界定在无标记细胞分离技术的研究领域中，主动分选技术和被动分选技术是两种重要的技术手段，它们在实现细胞分离的过程中展现出了不同的工作方式和特点。主动分选技术是指在细胞分选过程中，借助外部施加的物理场，如电场、磁场、声场、光场等，对细胞施加特定的作用力，从而实现对目标细胞的精准操控和分离。这种技术能够根据细胞的电学、光学、声学等特性，对细胞进行有针对性的分选，具有较高的分选精度和特异性。在介电泳细胞分选技术中，通过在微流控芯片的微电极阵列上施加交变电场，细胞会受到与自身介电性质相关的介电泳力作用。不同类型的细胞由于其介电常数、电导率等电学性质的差异，在电场中所受到的介电泳力大小和方向也各不相同，从而实现了对不同细胞的分离。这种技术能够精确地控制细胞的运动轨迹，将目标细胞从复杂的细胞群体中分离出来，在肿瘤细胞检测、干细胞分选等领域具有重要的应用价值。被动分选技术则是基于细胞自身所固有的物理性质，如大小、形状、密度、可变形性等，在特定的微流控芯片或其他分选装置中，利用流体动力学、惯性力、扩散力等物理原理，实现细胞在流道内的自然位置分异，从而达到细胞分选的目的。这种技术不需要外部施加额外的物理场，仅依靠芯片自身的物理结构或者流道中细胞之间的相互作用产生的流体动力来实现分选，具有操作简便、成本较低、对细胞损伤小等优点。在惯性微流控细胞分选技术中，利用细胞在微流道中高速流动时受到的惯性力和Dean力的作用。不同大小和形状的细胞在微流道中的受力情况不同，导致它们在流道中的运动轨迹发生差异，从而实现细胞的分离。这种技术能够在高通量的情况下实现细胞的快速分选，在血液细胞分析、微生物检测等领域得到了广泛的应用。三、主动分选的无标记细胞分离技术3.1技术原理与分类主动分选的无标记细胞分离技术作为细胞分选领域的前沿技术，凭借其高精度、高特异性的特点，在生命科学研究和临床应用中发挥着重要作用。这类技术主要通过借助外部施加的物理场，如电场、磁场、声场、光场等，对细胞施加特定的作用力，从而实现对目标细胞的精准操控和分离。根据所利用的物理场和作用机制的不同，主动分选的无标记细胞分离技术可细分为多种类型，每种类型都有其独特的技术原理和优势，适用于不同的细胞分选需求。3.1.1基于微流控冲击打印的技术原理基于微流控冲击打印的无标记细胞分离技术，是一种融合了微流控技术、实时图像处理技术以及冲击打印技术的创新型单细胞分选方法。该技术的核心在于通过对细胞悬浮液在微流控通道中的精确操控，结合实时图像处理实现对单细胞的高效识别和分选，最终利用冲击打印将单细胞封装在单个液滴中，形成单细胞液滴阵列。在具体的工作流程中，首先，细胞悬浮液在压力泵的稳定推动下，从微流控通道的入口缓缓流入，平稳地向出口流动。在这个过程中，高速相机以极高的帧率实时捕捉采集检测区域的图像，将细胞的形态和位置信息转化为数字图像信号。这些图像信号被迅速传输至计算机，计算机利用专门开发的图像处理算法对图像进行实时处理。该算法能够对图像进行背景提取，去除无关的背景噪声，使细胞的轮廓更加清晰；通过高斯去噪进一步优化图像质量，提高细胞识别的准确性；采用阈值分割等方法，精准地识别出单个细胞，并计算出其在二维平面上的精确位置。当计算机识别到目标单细胞后，会立即向信号控制模块发送触发信号。信号控制模块接收到信号后，迅速触发压电致动器。压电致动器在电信号的驱动下，产生强烈的撞击力，撞击打印室上的柔性薄膜。这种撞击力使得薄膜发生瞬间的形变，进而从喷嘴处产生一个包含单个细胞的液滴。同时，位移台按照预设的程序运动，精确地控制液滴的落点，将单细胞液滴有序地排列在基底上，形成单细胞液滴阵列。此技术的关键在于实时图像处理和微流控冲击打印的协同工作。实时图像处理技术能够快速、准确地识别单细胞，为后续的冲击打印提供精确的目标定位。而微流控冲击打印技术则能够在极短的时间内将单细胞封装在液滴中，实现高效的单细胞分离。这种技术的优势在于，它采用图像处理方法代替了传统的荧光标记来识别细胞，极大地简化了样品制备过程，避免了荧光标记对细胞功能和活力的潜在损害。利用相机实时拍摄和图像处理实时计算细胞的二维位置，使得检测精度大幅提高，能够确保单细胞封装的高效率。实验数据表明，该技术具有高达95%的单颗粒捕获效率和90.3%的单细胞捕获效率，并且可以在2Hz的通量下稳定地产生单细胞液滴阵列，细胞存活率更是高达96.6%。这些优异的性能指标使得基于微流控冲击打印的无标记细胞分离技术在单细胞组学、组织工程和细胞系开发等领域展现出巨大的应用潜力。3.1.2基于激光精准分选的技术原理基于激光精准分选的无标记细胞分离技术，是一种利用激光与特殊介质相互作用实现单细胞精准分离的先进技术。该技术的核心原理是通过巧妙地利用激光的能量和特殊介质的物理特性，实现对目标细胞的非接触式、高精度分选。在工作过程中，首先将待分选的细胞样本均匀地分布在含有特殊介质的分选芯片上。这种特殊介质通常具有对激光能量的敏感特性，能够在激光的作用下发生特定的物理变化。当激光束聚焦在分选芯片上时，激光的能量被特殊介质吸收，引发介质的局部快速升温或相变等物理过程。在这个过程中，目标细胞周围的特殊介质会产生瞬间的物理变化，如形成微小的冲击波或喷射流，这些物理变化产生的作用力会精确地作用于目标细胞，使其从细胞群体中被弹射出来，实现与其他细胞的分离。以中科院长春光机所李备团队研发的单细胞精准分选仪为例，该设备利用激光与特殊介质的相互作用，就如同为细胞安置了飞机的弹射座椅。当通过显微成像系统和智能识别软件锁定目标细胞后，操作“弹射座椅”，即发射激光，激光作用于特殊介质，产生的力量将目标细胞从群体中精准地分离出来。这种技术不对细胞进行任何“修饰”，避免了传统分选技术中标记物对细胞的影响，最大程度地保持了细胞本来的状态。同时，该技术对不同类型、尺寸的细胞具有良好的普适性，能够应对各种性状的复杂生物样本，特别适用于微生物单细胞分选。在分选过程中，激光只作用于分选芯片的特殊材料上，目标细胞随材料一起被弹出，这种隔空取物的方式几乎对细胞没有损伤，保证了细胞的高活性和完整性。3.1.3其他主动分选技术原理简述除了基于微流控冲击打印和激光精准分选的技术外，还有一些其他的主动分选技术在无标记细胞分离领域也发挥着重要作用，其中基于介电泳的技术是较为典型的一种。基于介电泳的无标记细胞分离技术，其原理是利用细胞在非均匀电场中受到的介电泳力来实现细胞的操控和分离。当细胞处于非均匀电场中时，由于细胞的介电常数与周围介质的介电常数存在差异，细胞会被极化，表面感生出正负电荷。这些感生电荷在非均匀电场中会受到不同大小和方向的电场力作用，从而产生介电泳力。不同类型的细胞由于其介电常数、电导率等电学性质的不同，在相同的非均匀电场中所受到的介电泳力大小和方向也各不相同。通过精心设计微流控芯片的微电极阵列结构，并施加合适的交变电场参数，就可以使目标细胞在介电泳力的作用下沿着特定的轨迹运动，从而实现与其他细胞的分离。在基于介电泳的液滴分选实验中，通过在微流控芯片的电极上施加高压方波脉冲，使液滴在介电泳力的作用下从流阻较小的流道出口转移到流阻较大的流道出口，实现了液滴的分选。实验过程中发现，电压幅值和频率对分选效果有着显著的影响，需要选择合适的电压幅值和频率，才能保证液滴的正常分选。这种技术在细胞鉴别和分离领域具有重要的应用价值，能够实现对悬浮细胞的有效分离。3.2典型案例分析3.2.1中国科大微流控冲击打印单细胞分选案例中国科学技术大学工程科学学院微纳米工程研究室的李保庆副教授团队提出并实现了一种基于微流控冲击打印的无标记单细胞分选技术，成果发表在工程技术领域著名期刊《LabonaChip》，并入选当期封面。该研究旨在解决现有单细胞分离技术依赖荧光标记和性能低下的问题，开发出一种新的单细胞分离技术，使用微流控冲击打印与细胞二维图像实时识别技术，将单细胞封装在单个液滴中。实验设计上，单细胞分离系统由信号控制模块、图像处理模块、打印模块三个模块组成。细胞悬浮液在压力泵的推动下从微流控通道入口流动到出口，高速相机实时捕捉采集检测区域的图像，利用计算机对图像进行实时处理，以识别单个细胞。具体图像处理过程包括背景提取、高斯去噪、阈值分割等，通过这些处理精确识别出单个细胞，并计算出其在二维平面上的位置。当识别到目标单细胞后，向信号控制模块发送触发信号，触发压电致动器撞击打印室上的柔性薄膜，从喷嘴处产生一个包含单个细胞的液滴，并结合位移台运动形成单细胞液滴阵列。在结果分析方面，实验表明该技术具有显著优势。在捕获效率上，有95%的单颗粒捕获效率和90.3%的单细胞捕获效率，这意味着该技术能够高效地将单个细胞从细胞群体中分离出来。在通量方面，可以在2Hz的通量下产生单细胞液滴阵列，满足了一定的高通量需求。细胞存活率高达96.6%，说明该技术对细胞的损伤极小，能够最大程度地保持细胞的活性。与传统的流式细胞分选相比，该方法采用图像处理方法代替荧光标记来识别细胞，简化了样品制备过程，降低了对细胞功能和活力的损害。利用相机实时拍摄，结合图像处理实时计算检测细胞的二维位置，检测精度更高，确保了单细胞封装的高效率。此技术在单细胞组学、组织工程和细胞系开发等领域展现出了巨大的应用潜力，为这些领域的研究提供了一种高效、无标记的单细胞分选方法。3.2.2中科院长春光机所激光精准分选案例中科院长春光机所李备团队研发的单细胞精准分选仪是世界上公开发布的第一款基于激光精准分选技术的商业化单细胞分离产品，该设备在复杂生物样本的单细胞分选中具有重要应用。该设备的工作原理是利用激光与特殊介质的相互作用，如同为细胞安置了飞机的弹射座椅。当通过显微成像系统和智能识别软件锁定目标细胞后，发射激光，激光作用于特殊介质，产生的力量将目标细胞从群体中精准地分离出来。这种技术不对细胞进行任何“修饰”，避免了传统分选技术中标记物对细胞的影响，最大程度地保持了细胞本来的状态。同时，对不同类型、尺寸的细胞具有良好的普适性，能够应对各种性状的复杂生物样本，特别适用于微生物单细胞分选。在实际应用中，以医疗领域为例，该设备可从血液、尿液等成分复杂的临床样本中，快速定位并分离病原微生物，从而及时指导用药，为重症感染患者争取黄金治疗期，防止抗生素滥用。在肿瘤医学方面，它可以对癌细胞做到单细胞水平的诊断，为早期癌症筛查和治疗提供基础。在生物制药领域，通过对具有特殊生理功能或代谢产物的微生物的快速、定向分选，大幅缩短制药菌制备周期、加速新药研发进程。从分选效果来看，该设备实现了对复杂生物样本中单细胞的精准分离，具有无标记、非接触、准确率高、广泛适用等特点。与当前应用最为广泛的流式细胞分选技术相比，单细胞精准分选技术具有“百步穿杨”和“隔空取物”两项优势。“百步穿杨”体现在对于由成千上万个细胞组成的生物样本，流式细胞分选更擅长将其中尺寸较大（10微米以上）、类型相同的细胞分选出来，但对于尺寸几微米甚至更小的微生物细胞、或某个特定的目标细胞分选，流式细胞仪就显得有些力不从心，而单细胞精准分选仪通过与显微成像系统配合，可对复杂生物样本中任一目标细胞进行分选，真正实现“精准分选”。“隔空取物”则是指流式细胞分选分选过程中，高流速容易对细胞造成损伤，而单细胞激光弹射技术在分选时，激光只作用于分选芯片的特殊材料上，目标细胞随材料一起被弹出，这种隔空取物的方式几乎对细胞没有损伤。3.3技术优势与局限性主动分选的无标记细胞分离技术以其独特的工作原理，在细胞分选领域展现出了诸多显著的优势，为生命科学研究和临床应用提供了有力的支持。但与此同时，这类技术也存在着一些局限性，在实际应用中需要综合考虑。主动分选技术的优势首先体现在其分选效率和准确性上。基于微流控冲击打印的技术，能够通过实时图像处理快速准确地识别单细胞，并利用冲击打印将单细胞封装在单个液滴中，形成单细胞液滴阵列。中国科学技术大学工程科学学院微纳米工程研究室的李保庆副教授团队提出的基于微流控冲击打印的无标记单细胞分选技术，就具有95%的单颗粒捕获效率和90.3%的单细胞捕获效率。基于激光精准分选的技术，通过激光与特殊介质的相互作用，能够对目标细胞进行非接触式的精准弹射分离，实现对复杂生物样本中任一目标细胞的分选。中科院长春光机所李备团队研发的单细胞精准分选仪，能够从血液、尿液等成分复杂的临床样本中，快速定位并分离病原微生物，为重症感染患者争取黄金治疗期。这些技术的高精度和高特异性，使得它们在肿瘤细胞检测、干细胞分选、微生物单细胞分选等对细胞纯度和活性要求较高的领域具有重要的应用价值。主动分选技术还具有对细胞损伤小的优势。如单细胞激光弹射技术在分选时，激光只作用于分选芯片的特殊材料上，目标细胞随材料一起被弹出，这种隔空取物的方式几乎对细胞没有损伤，能够最大程度地保持细胞的活性和完整性。这对于需要保持细胞原始状态进行后续研究的实验，如干细胞培养和分化研究、细胞治疗等，具有重要意义。主动分选技术也存在一些局限性。这类技术通常对设备的要求较高，需要精密的仪器和复杂的系统来实现对细胞的操控和分选。基于微流控冲击打印的技术需要高速相机、信号控制模块、压电致动器等多个组件协同工作，设备成本较高。基于激光精准分选的技术需要高精度的激光系统和特殊的分选芯片，设备的研发和制造成本也相对较高。这使得主动分选技术的推广和应用受到了一定的限制，尤其是在一些资源有限的实验室和临床环境中。主动分选技术的操作复杂性也是一个需要关注的问题。这些技术往往需要专业的技术人员进行操作和维护，对操作人员的技术水平和经验要求较高。在基于介电泳的细胞分选技术中，需要精确控制电场参数，如电压幅值、频率等，以实现对细胞的有效分选。不同类型的细胞对电场参数的响应不同，需要操作人员根据具体情况进行调整，这增加了操作的难度和复杂性。主动分选技术在一些情况下还可能对细胞产生潜在的影响。尽管激光精准分选技术对细胞的损伤较小，但激光的能量和特殊介质的物理变化可能会对细胞的生理功能产生一定的影响，需要进一步的研究来评估其安全性和可靠性。四、被动分选的无标记细胞分离技术4.1技术原理与分类被动分选的无标记细胞分离技术是一种基于细胞自身物理性质差异，在特定的微流控芯片或其他分选装置中实现细胞自然分离的技术。该技术无需外部施加额外的物理场，仅依靠芯片自身的物理结构或者流道中细胞之间的相互作用产生的流体动力来实现分选。其原理主要基于细胞的大小、形状、密度、可变形性等物理性质，以及流体动力学、惯性力、扩散力等物理原理。根据这些原理，被动分选的无标记细胞分离技术可分为基于微结构过滤的技术、基于流体动力学的技术、基于微液滴的技术等不同类型。这些技术在生物医学、药物研发、生物工程等领域都有着广泛的应用，为细胞分析和研究提供了重要的手段。4.1.1基于微结构过滤的技术原理基于微结构过滤的无标记细胞分离技术，是一种利用微流控芯片中特定微结构来筛选不同大小细胞的方法。该技术的核心在于通过精心设计微流控芯片的微结构，如微柱阵列、微通道网络等，使其能够根据细胞的大小差异对细胞进行有效分离。当细胞悬浮液在微流控芯片的微通道中流动时，不同大小的细胞会受到微结构的不同作用。尺寸小于微结构间隙的细胞能够顺利通过微结构，而尺寸大于微结构间隙的细胞则会被阻挡或改变运动轨迹。在具有微柱阵列的微流控芯片中，较小的细胞可以在微柱之间的间隙中自由流动，而较大的细胞则会与微柱发生碰撞，从而被滞留在特定区域。通过合理设计微柱的尺寸、间距以及排列方式，可以实现对不同大小细胞的精准筛选。这种技术的分选机制主要基于物理筛分原理。就像日常生活中的筛子，根据筛孔的大小可以筛选出不同粒径的颗粒。在微流控芯片中，微结构就相当于筛孔，细胞则相当于颗粒。通过精确控制微结构的尺寸和形状，能够实现对细胞的高效分离。该技术具有操作简单、成本较低的优点，适用于对细胞大小差异较为明显的样品进行分选。在血液细胞分析中，可以利用基于微结构过滤的技术将红细胞、白细胞等不同大小的细胞分离开来，为后续的细胞分析和诊断提供基础。4.1.2基于流体动力学的技术原理基于流体动力学的无标记细胞分离技术，是一种利用细胞在流体中运动特性差异来实现细胞分选的方法。该技术的原理基于流体动力学中的惯性力、粘滞力、Dean力等多种力的作用。当细胞悬浮液在微流控芯片的微通道中流动时，细胞会受到流体的作用力。不同大小、形状和密度的细胞在流体中受到的这些力的大小和方向不同，从而导致它们在微通道中的运动轨迹发生差异。在惯性微流控技术中，当细胞在微通道中高速流动时，会受到惯性力的作用。较大的细胞由于惯性较大，更容易偏离流线，向微通道的特定位置聚集；而较小的细胞则由于惯性较小，更倾向于沿着流线运动。通过合理设计微通道的形状和尺寸，以及控制流体的流速，可以使不同大小的细胞在微通道中形成不同的运动轨迹，从而实现细胞的分离。在螺旋形微流控芯片中，细胞在流动过程中会受到Dean力的作用。Dean力是由于流体在弯曲通道中流动时产生的二次流而产生的。细胞在Dean力的作用下，会向微通道的外侧或内侧聚集，具体取决于细胞的大小和形状。通过调节微通道的曲率、流速等参数，可以实现对不同细胞的有效分离。这种技术的实现方式主要是通过优化微流控芯片的设计和流体的控制。通过精确控制微通道的几何形状、尺寸以及流体的流速、流量等参数，可以实现对细胞运动轨迹的精确控制，从而达到高效分选细胞的目的。该技术具有高通量、无标记、对细胞损伤小等优点，在生物医学检测、细胞分析等领域具有广泛的应用前景。在循环肿瘤细胞的检测中，基于流体动力学的技术可以从大量的血细胞中分离出稀少的循环肿瘤细胞，为肿瘤的早期诊断和治疗提供重要的依据。4.1.3基于微液滴的技术原理基于微液滴的无标记细胞分离技术，是一种将细胞包裹在微液滴中，利用微液滴的特性来实现细胞分选的方法。该技术的原理是利用微流控技术将细胞悬浮液分割成大量的微小液滴，每个液滴中可能包含单个或多个细胞。在微液滴生成过程中，通过精确控制微流控芯片的结构和流体的流速，可以实现对微液滴大小和细胞包裹情况的精确控制。通常采用两相流的方式，将细胞悬浮液作为分散相，与连续相（通常为油相）在微流控芯片的特定结构中相遇，通过剪切力的作用将细胞悬浮液分割成微液滴。在T型或十字型微流控芯片中，细胞悬浮液和油相在通道的交叉处相遇，通过调节流速比，可以生成大小均匀的微液滴，并将细胞包裹其中。在分选过程中，利用微液滴的物理性质差异，如大小、表面电荷、荧光特性等，以及微液滴在电场、磁场、声场等外部场中的响应差异，实现对包裹有目标细胞的微液滴的分选。可以利用介电泳技术，根据微液滴的介电性质差异，在非均匀电场中对微液滴施加不同的作用力，从而实现对微液滴的分选。也可以利用荧光检测技术，对包裹有荧光标记细胞的微液滴进行识别和分选。这种技术的微液滴生成和分选过程紧密相关。高质量的微液滴生成是实现高效分选的基础，而精确的分选则依赖于对微液滴特性的准确检测和对外部场的精确控制。该技术具有单细胞分析能力强、高通量、可实现并行处理等优点，在单细胞测序、药物筛选、细胞培养等领域具有重要的应用价值。在单细胞测序中，基于微液滴的技术可以将单个细胞包裹在微液滴中，实现对单个细胞的全基因组扩增和测序，为研究细胞的异质性提供了有力的工具。4.2典型案例分析4.2.1螺旋式微流控芯片被动分选案例为了验证螺旋式微流控芯片在细胞分选中的有效性，研究人员进行了相关实验。实验中，选用了直径分别为7.5μm和15μm的聚苯乙烯微粒来模拟细胞，将其浓度调制为1.0×10⁵beads/ml，并分别用FITC（绿色）和TRITC（橙红色）对微粒进行染色，以便于观察和区分。实验设定流速为1.5ml/min（即1.5×10⁵beads/min），使用倒置显微镜拍摄图像，并对所拍摄到的图像进行合成，以显示两种微粒的运动轨迹。从实验结果来看，分选效果十分明显。绿色线代表FITC染色的7.5μm微粒的运动轨迹，这些微粒从第1、2通道流出；橙红色线代表TRITC染色的15μm微粒的运动轨迹，它们在第4通道流出。这表明不同尺寸的微粒在螺旋式微流控芯片中，由于受到惯性力和Dean力的作用，运动轨迹发生了明显的差异，从而实现了高效的分离。螺旋式微流控芯片在细胞分选中具有重要的应用价值。在循环肿瘤细胞的检测中，由于循环肿瘤细胞与正常血细胞在大小、形状等物理属性上存在差异，通过螺旋式微流控芯片，可以利用这些差异将稀少的循环肿瘤细胞从大量的血细胞中分离出来。这种技术为肿瘤的早期诊断和治疗提供了重要的依据，有助于医生及时了解患者的病情，制定更加精准的治疗方案。4.2.2基于微结构过滤的细胞分选案例重庆大学的研究团队设计并制备了一种由ITO微电极及PDMS微结构通道组成的微流控芯片，旨在实现基于微结构过滤和介电泳效应的细胞分选。在芯片设计方面，通过仿真分析了不同形状的过滤微柱所诱导形成的电场强度梯度分布，以此为依据设计了具有特定微结构的过滤微柱。在微过滤结构区域集成微电极，通过调节过滤结构几何参数和加载的交流信号参数，诱导形成可以驱动细胞往低场强区域运动的负向介电电泳效应，进而避免待分选细胞在过滤孔区域的堵塞。在实验条件设置上，采用负压驱动，在35Vp~p/10KHz的交流信号条件下，对37μm、16.3μm、9.7μm三种尺度微粒进行分选；在100Vp~p/10KHz的交流信号条件下，对雨生红球藻细胞进行分选富集。实验结果显示，该芯片对三种尺度微粒的分选效果良好。在对37μm微粒的分选中，其在收集区的占比达到85%；对16.3μm微粒的收集效率达到89%；对9.7μm微粒的收集效率达到90%。对雨生红球藻细胞也有较好的收集效果，在第一级收集到细胞尺寸较大、活性较好的雨生红球藻，第二级收集到少量尺寸较大但活性不好的雨生红球藻和部分片球藻，并完成了对雨生红球藻的分选收集。这表明该芯片及分选方法对非生物样品和生物样品都具有较好的分选收集效果，并且在一定程度上解决了微柱过滤方法中的堵塞问题，提高了分选通量。4.3技术优势与局限性被动分选的无标记细胞分离技术以其独特的工作原理，在细胞分选领域展现出了诸多显著的优势，但同时也存在一定的局限性。被动分选技术的优势首先体现在其操作的简便性和对细胞的低损伤性上。基于微结构过滤的技术，如重庆大学研究团队设计的微流控芯片，通过精心设计微结构，利用物理筛分原理实现细胞分选，操作简单，成本较低。这种技术对细胞的损伤较小，能够较好地保持细胞的活性和完整性，适用于对细胞活性要求较高的实验。基于流体动力学的技术，如螺旋式微流控芯片，利用细胞在流体中的运动特性差异进行分选，无需外部施加额外的物理场，对细胞的干扰较小。在循环肿瘤细胞的检测中，这种技术能够从大量的血细胞中分离出稀少的循环肿瘤细胞，且对细胞的损伤小，为后续的细胞分析和诊断提供了高质量的样本。被动分选技术还具有高通量的优势。基于微液滴的技术，能够将细胞包裹在微液滴中，实现高通量的单细胞分析和分选。在单细胞测序中，该技术可以将单个细胞包裹在微液滴中，实现对单个细胞的全基因组扩增和测序，大大提高了测序的通量和效率。被动分选技术也存在一些局限性。基于微结构过滤的技术，虽然操作简单，但容易出现过滤结构被堵塞的问题，影响分选的效率和稳定性。重庆大学的研究团队通过在微过滤结构区域集成微电极，利用负向介电电泳效应在一定程度上解决了堵塞问题，但仍需要进一步优化。基于流体动力学的技术，分选精度相对较低，对于一些物理性质差异较小的细胞，难以实现精确分选。在实际应用中，可能会出现部分细胞分离不完全的情况，影响实验结果的准确性。基于微液滴的技术，对微液滴的生成和分选设备要求较高，设备成本相对较高，限制了其在一些资源有限的实验室和临床环境中的应用。五、主动与被动分选技术的比较与融合5.1技术性能对比主动分选技术在分选效率和精度方面表现出色。以基于微流控冲击打印的技术为例，中国科学技术大学李保庆副教授团队的研究成果显示，该技术具有95%的单颗粒捕获效率和90.3%的单细胞捕获效率，能够快速准确地识别并分离单细胞。在分选精度上，基于激光精准分选的技术，如中科院长春光机所李备团队研发的单细胞精准分选仪，能够通过激光与特殊介质的相互作用，对复杂生物样本中任一目标细胞进行精准分选，实现对目标细胞的非接触式、高精度弹射分离。这使得主动分选技术在对细胞纯度和活性要求较高的领域，如肿瘤细胞检测、干细胞分选等，具有重要的应用价值。被动分选技术的分选效率相对较低，在精度上也难以达到主动分选技术的水平。基于微结构过滤的技术，虽然能够根据细胞大小差异进行分选，但容易出现过滤结构被堵塞的问题，影响分选效率和稳定性。基于流体动力学的技术，如螺旋式微流控芯片，虽然能够实现高通量的细胞分离，但对于一些物理性质差异较小的细胞，难以实现精确分选。在实际应用中，可能会出现部分细胞分离不完全的情况，影响实验结果的准确性。在通量方面，被动分选技术具有一定的优势。基于流体动力学的技术，如惯性微流控技术，能够在高通量的情况下实现细胞的快速分选。在螺旋式微流控芯片的实验中，通过设定合适的流速，可以实现较高的通量，满足大规模细胞分析的需求。而主动分选技术，由于其对设备和操作的要求较高，通量相对较低。基于微流控冲击打印的技术，虽然在捕获效率和精度上表现优异，但通量仅为2Hz，难以满足大规模细胞分选的需求。在细胞损伤方面，被动分选技术对细胞的损伤较小。基于微结构过滤和流体动力学的技术，主要依靠物理原理实现细胞分离，无需外部施加额外的物理场，对细胞的干扰较小。基于微液滴的技术，在微液滴生成和分选过程中，对细胞的损伤也相对较小，能够较好地保持细胞的活性和完整性。主动分选技术，虽然在不断改进以减少对细胞的损伤，但在一些情况下，如基于激光精准分选的技术，激光的能量和特殊介质的物理变化可能会对细胞的生理功能产生一定的影响。从设备成本来看，主动分选技术通常需要精密的仪器和复杂的系统，设备成本较高。基于微流控冲击打印的技术需要高速相机、信号控制模块、压电致动器等多个组件协同工作，设备成本较高。基于激光精准分选的技术需要高精度的激光系统和特殊的分选芯片，设备的研发和制造成本也相对较高。被动分选技术的设备成本相对较低。基于微结构过滤的技术，只需要简单的微流控芯片和流体驱动装置即可实现分选，成本较低。基于流体动力学的技术，虽然需要设计和制造特殊的微流控芯片，但整体设备成本仍相对较低。5.2适用场景分析主动分选技术由于其高精度和高特异性，适用于对细胞纯度和活性要求较高的场景。在肿瘤细胞检测中，需要从大量的正常细胞中准确地分离出肿瘤细胞，以便进行后续的基因分析和药物筛选。主动分选技术能够精确地识别和分离肿瘤细胞，避免正常细胞的干扰，为肿瘤的早期诊断和个性化治疗提供准确的细胞样本。在干细胞分选领域，主动分选技术能够根据干细胞的特殊物理性质，如电学、光学性质等，将干细胞从复杂的细胞群体中分离出来，保证干细胞的纯度和活性，为干细胞治疗和再生医学研究提供高质量的细胞资源。被动分选技术则更适合于对通量要求较高、对细胞损伤较为敏感的场景。在血液细胞分析中，需要对大量的血液样本进行快速处理，以获取各种血细胞的信息。被动分选技术如基于流体动力学的惯性微流控技术，能够在高通量的情况下实现细胞的快速分离，满足血液细胞分析的需求。在微生物检测中，被动分选技术可以从复杂的样品中快速分离出微生物细胞，且对细胞的损伤较小，能够保持微生物的活性，便于后续的培养和分析。5.3技术融合的可能性与前景主动分选技术和被动分选技术各自具有独特的优势和局限性，将两者进行融合具有很大的可能性和广阔的前景。从技术原理上看，主动分选技术能够精确地控制细胞的运动轨迹，实现对目标细胞的高特异性分选；被动分选技术则能够在高通量的情况下实现细胞的快速分离，且对细胞的损伤较小。将两者结合，可以充分发挥它们的优势，弥补各自的不足。在微流控芯片的设计中，可以先利用被动分选技术，如基于流体动力学的惯性微流控技术，对细胞进行初步的分离和富集，将细胞按照大小、形状等物理性质进行初步分类，提高样品的纯度和浓度。然后，再利用主动分选技术，如基于介电泳的技术，对初步分离后的细胞进行进一步的精确分选，根据细胞的电学性质等差异，将目标细胞从混合细胞群体中精准地分离出来，提高分选的精度和特异性。在实际应用中，技术融合的优势已经得到了一定的体现。在循环肿瘤细胞的检测中，由于循环肿瘤细胞在血液中的含量极低，且与正常血细胞的物理性质差异较小，传统的单一分选技术难以实现高效的分离和检测。将主动分选技术和被动分选技术相结合，可以先通过基于微结构过滤的被动分选技术，去除血液中的大部分红细胞和白细胞等杂质，对样品进行初步富集。再利用基于介电泳的主动分选技术，对富集后的样品进行精确分选，提高循环肿瘤细胞的捕获率和纯度。这样不仅可以提高检测的灵敏度和准确性，还能为后续的肿瘤诊断和治疗提供更可靠的依据。技术融合还为细胞分选技术的发展开辟了新的方向。随着微纳加工技术、材料科学、生物医学工程等多学科的不断发展，未来可以进一步探索将主动分选技术和被动分选技术与其他先进技术相结合的可能性。将微流控技术与纳米技术相结合，开发出具有更高性能的微流控芯片，实现对细胞的更精准操控和分离。利用人工智能和机器学习技术，对细胞分选过程进行实时监测和优化，提高分选的效率和质量。这些技术融合的发展，将为细胞分选技术在生物医学、药物研发、生物工程等领域的应用带来更广阔的前景。在药物研发中，通过将主动分选技术和被动分选技术相结合，能够更高效地筛选出对特定细胞具有作用的药物，加速药物研发的进程，为疾病的治疗提供更多有效的药物选择。六、应用领域与案例分析6.1在生物医学研究中的应用6.1.1疾病诊断中的细胞分选应用在疾病诊断领域，基于主动和被动分选的无标记细胞分离技术发挥着至关重要的作用，为癌症、传染病等疾病的早期诊断和病情监测提供了有力的支持。在癌症诊断方面，循环肿瘤细胞（CTCs）的检测对于癌症的早期发现和转移监测具有重要意义。由于CTCs在血液中的含量极低，每毫升血液中可能仅有几个到几十个，因此需要高效的细胞分选技术将其从大量的血细胞中分离出来。基于被动分选的螺旋式微流控芯片技术，利用细胞在流体中的运动特性差异，能够实现对CTCs的高效分离。在相关实验中，选用直径分别为7.5μm和15μm的聚苯乙烯微粒模拟细胞，设定流速为1.5ml/min，结果显示不同尺寸的微粒在螺旋式微流控芯片中实现了高效分离。这表明该技术能够利用CTCs与正常血细胞在大小、形状等物理属性上的差异，将稀少的CTCs从大量的血细胞中分离出来，为肿瘤的早期诊断和治疗提供重要依据。基于主动分选的介电泳技术，也在CTCs的分离中展现出独特的优势。通过在微流控芯片的微电极阵列上施加交变电场，根据CTCs与正常血细胞介电性质的差异，使CTCs在介电泳力的作用下沿着特定的轨迹运动，从而实现与其他细胞的分离。这种技术能够精确地控制细胞的运动轨迹，提高CTCs的捕获率和纯度，为癌症的早期诊断和个性化治疗提供准确的细胞样本。在传染病诊断中，细胞分选技术同样发挥着重要作用。在病毒感染的诊断中，需要从患者的样本中分离出被病毒感染的细胞，以便进行病毒载量的检测和病毒基因的分析。基于主动分选的激光精准分选技术，能够对目标细胞进行非接触式的精准弹射分离，从复杂的样本中快速定位并分离出被病毒感染的细胞，为传染病的诊断和治疗提供关键信息。基于被动分选的微结构过滤技术，利用微流控芯片中特定微结构对不同大小细胞的筛选作用，能够从患者的样本中分离出病原体细胞，为传染病的诊断提供依据。6.1.2药物研发中的细胞分选应用在药物研发过程中，基于主动和被动分选的无标记细胞分离技术为药物筛选和药效评估提供了高质量的细胞样本，加速了药物研发的进程。在药物筛选阶段，需要从大量的候选化合物中筛选出具有潜在治疗效果的药物。基于主动分选的微流控冲击打印技术，能够快速准确地识别单细胞，并将其封装在单个液滴中，形成单细胞液滴阵列。中国科学技术大学李保庆副教授团队的研究成果显示，该技术具有95%的单颗粒捕获效率和90.3%的单细胞捕获效率。利用这种技术，可以将不同的候选化合物与单细胞液滴中的细胞进行作用，通过观察细胞的反应，筛选出对目标细胞具有作用的药物，提高药物筛选的效率和准确性。基于被动分选的微液滴技术，能够将细胞包裹在微液滴中，实现高通量的单细胞分析和分选。在药物筛选中，将细胞和候选化合物分别包裹在不同的微液滴中，然后使微液滴相互融合，观察细胞在药物作用下的变化，从而筛选出具有潜在治疗效果的药物。这种技术能够实现高通量的药物筛选，大大缩短了药物研发的时间。在药效评估方面，需要准确地评估药物对目标细胞的治疗效果。基于主动分选的激光精准分选技术，能够从复杂的细胞群体中分离出目标细胞，对药物作用后的细胞进行精确的分析，评估药物的疗效和安全性。中科院长春光机所李备团队研发的单细胞精准分选仪，能够对复杂生物样本中任一目标细胞进行精准分选，实现对目标细胞的非接触式、高精度弹射分离。利用该技术，可以将药物作用后的细胞从细胞群体中分离出来，进行基因表达、蛋白质组学等方面的分析，全面评估药物的治疗效果。基于被动分选的流体动力学技术，能够在高通量的情况下实现细胞的快速分离，为药效评估提供大量的细胞样本。在基于流体动力学的惯性微流控技术中，通过合理设计微通道的形状和尺寸，以及控制流体的流速，可以使不同大小的细胞在微通道中形成不同的运动轨迹，从而实现细胞的分离。利用这种技术，可以从大量的细胞中快速分离出药物作用后的细胞，进行大规模的药效评估，提高评估的准确性和可靠性。6.2在生物技术领域的应用6.2.1单细胞组学研究中的应用在单细胞组学研究中，基于主动和被动分选的无标记细胞分离技术发挥着关键作用，为深入探究细胞的基因表达和功能提供了重要手段。在单细胞基因组测序方面，精准的单细胞分离是获取高质量基因组数据的基础。基于主动分选的微流控冲击打印技术，能够通过实时图像处理快速准确地识别单细胞，并将其封装在单个液滴中，形成单细胞液滴阵列。中国科学技术大学李保庆副教授团队的研究成果显示，该技术具有95%的单颗粒捕获效率和90.3%的单细胞捕获效率。利用这种技术，可以将单个细胞从复杂的细胞群体中高效分离出来，为单细胞基因组测序提供纯净的细胞样本。在对肿瘤细胞的单细胞基因组测序中，通过微流控冲击打印技术分离得到的单细胞，能够准确地检测到肿瘤细胞的基因突变情况，为肿瘤的精准诊断和治疗提供了关键信息。基于被动分选的微结构过滤技术，也在单细胞基因组测序中具有重要应用。通过精心设计微流控芯片的微结构，如微柱阵列、微通道网络等，能够根据细胞的大小差异对细胞进行有效分离。在对干细胞的单细胞基因组测序中，利用微结构过滤技术可以从混合细胞群体中分离出干细胞，避免其他细胞的干扰，从而准确地分析干细胞的基因组特征，为干细胞的分化机制研究和临床应用提供了有力支持。在单细胞转录组测序中，细胞分选技术同样不可或缺。基于主动分选的激光精准分选技术，能够对目标细胞进行非接触式的精准弹射分离，从复杂的细胞群体中分离出特定的细胞，用于转录组测序。中科院长春光机所李备团队研发的单细胞精准分选仪，能够对复杂生物样本中任一目标细胞进行精准分选，实现对目标细胞的非接触式、高精度弹射分离。利用该技术，可以从不同组织和器官中分离出特定类型的细胞，对其进行转录组测序，揭示细胞的基因表达谱，为研究细胞的功能和分化提供了重要依据。基于被动分选的流体动力学技术，能够在高通量的情况下实现细胞的快速分离，为单细胞转录组测序提供了大量的细胞样本。在基于流体动力学的惯性微流控技术中，通过合理设计微通道的形状和尺寸，以及控制流体的流速，可以使不同大小的细胞在微通道中形成不同的运动轨迹，从而实现细胞的分离。利用这种技术，可以从大量的细胞中快速分离出不同类型的细胞，对其进行转录组测序，分析细胞之间的基因表达差异，为研究细胞的异质性和发育过程提供了重要信息。6.2.2细胞系开发中的应用在细胞系开发过程中，基于主动和被动分选的无标记细胞分离技术对于获取高质量的细胞系具有重要意义，能够提高细胞系的稳定性和功能性。在细胞系建立阶段，需要从复杂的细胞群体中分离出具有特定特性的细胞，以建立稳定的细胞系。基于主动分选的介电泳技术，能够根据细胞的介电性质差异，对细胞进行精准分选。通过在微流控芯片的微电极阵列上施加交变电场，使目标细胞在介电泳力的作用下沿着特定的轨迹运动，从而实现与其他细胞的分离。在建立肿瘤细胞系时，利用介电泳技术可以从肿瘤组织中分离出具有高增殖能力和肿瘤特性的细胞，建立具有代表性的肿瘤细胞系，为肿瘤研究提供了重要的实验模型。基于被动分选的微液滴技术，能够将细胞包裹在微液滴中，实现高通量的单细胞分析和分选。在细胞系建立过程中，利用微液滴技术可以将单个细胞包裹在微液滴中，对其进行培养和筛选，从而建立具有特定功能的细胞系。在建立干细胞系时，通过微液滴技术将单个干细胞包裹在微液滴中，进行单细胞培养和分化诱导，筛选出具有稳定干性和分化能力的干细胞系，为干细胞治疗和再生医学研究提供了高质量的细胞资源。在细胞系优化阶段，需要对已建立的细胞系进行筛选和优化，以提高细胞系的性能。基于主动分选的微流控冲击打印技术，能够快速准确地识别单细胞，并将其封装在单个液滴中，形成单细胞液滴阵列。利用这种技术，可以对细胞系中的单个细胞进行分析和筛选，去除不良细胞，保留具有优良特性的细胞，从而优化细胞系的质量。在对工程细胞系的优化中，通过微流控冲击打印技术对细胞系中的单个细胞进行筛选，去除表达异常的细胞，提高工程细胞系的蛋白表达水平和稳定性。基于被动分选的流体动力学技术，能够在高通量的情况下实现细胞的快速分离，为细胞系优化提供了大量的细胞样本。在基于流体动力学的惯性微流控技术中，通过合理设计微通道的形状和尺寸，以及控制流体的流速，可以使不同大小的细胞在微通道中形成不同的运动轨迹，从而实现细胞的分离。利用这种技术，可以从细胞系中快速分离出不同状态的细胞，对其进行分析和筛选，优化细胞系的组成，提高细胞系的性能。在对杂交瘤细胞系的优化中，通过惯性微流控技术从杂交瘤细胞系中分离出高产抗体的细胞，进一步培养和扩增，提高杂交瘤细胞系的抗体产量和质量。七、结论与展望7.1研究成果总结本研究深入探讨了基于主动和被动分选的无标记细胞分离技术，全面剖析了这两种技术的原理、特点、应用及相互比较。主动分选技术借助外部物理场，如电场、磁场、声场、光场等，对细胞施加特定作用力以实现精准操控和分离。基于微流控冲击打印的技术，通过实时图像处理快速识别单细胞，并利用冲击打印将其封装在液滴中，具有95%的单颗粒捕获效率和90.3%的单细胞捕获效率，细胞存活率高达96.6%，在单细胞组学、组织工程和细胞系开发等领域展现出巨大潜力。基于激光精准分选的技术，利用激光与特殊介质相互作用，对目标细胞进行非接触式精准弹射分离，能够从复杂生物样本中快速定位并分离病原微生物，在医疗、肿瘤医学和生物制药等领域具有重要应用。被动分选技术依据细胞自身物理性质，如大小、形状、密度、可变形性等，在微流控芯片等装置中利用流体动力学、惯性力、扩散力等实现自然分离。基于微结构过滤的技术，利用微流控芯片的微结构根据细胞大小差异进行筛选，操作简单、成本低，但易出现堵塞问题。重庆大学研究团队设计的微流控芯片，通过在微过滤结构区域集成微电极，利用负向介电电泳效应在一定程度上解决了堵塞问题，对非生物样品和生物样品都