细胞是生命体的基本单元，多细胞生物的每个细胞都携带着相同的基因信息，但每个细胞的表型及其在生命活动中所扮演的角色其实各不相同。以往的以细胞群体为对象的研究方式，往往掩盖了每一个细胞的独特性，单细胞水平的研究可以全景式地揭示生命活动的本质，对于研究疾病机理和诊断预防疾病等具有重要的意义，然而从复杂细胞环境中获得目标单细胞是进行单细胞研究的基础，也是最重要的步骤之一。目前课题组涉及的分选方式有激光诱导向前转移弹射分选、激光显微切割分选、光镊分选、磁珠分选。

图1 (a) 激光诱导向前转移弹射分选，(b) 激光显微切割分选，(c) 光镊分选，(d) 磁珠分选。

激光显微切割

激光显微切割（Laser Microdissection）基于光与物质相互作用的原理，将样本涂抹在薄膜材料上，在显微镜下识别并选择目标细胞后，将激光聚焦在薄膜上，在细胞周围进行切割，切割所使用的激光基本都是紫外光，但获得切割后的细胞有3种方式。如图2所示，被切割后的目标细胞分别在粘性作用下、重力作用下、另一束激光弹射作用下被收集到接收装置中，激光显微切割适用于固体组织样本的单细胞分选。

图2 (a) 粘性材料接触，(b) 重力作用 (c) 另一束激光作用力

光镊分选

光镊技术(Optical Tweezer)与机械镊子相比，是一种以非机械接触的方式来完成对微小物体的夹持、操纵、捕获和固定。光镊与微流控技术结合被广泛用于细胞分选等领域，选用适当波长的激光，可使形成的光镊对物质的热学或化学等效应非常弱，从而几乎不对细胞产生任何损伤。光镊技术可以与拉曼光谱技术结合进行分选（Raman-activated microbial cell sorting ,RACS），光镊捕获细胞之后进行拉曼检测。

磁珠分选

磁力细胞分选(Magnet-Activated Cell Sorting)是利用表面披被具有特定官能团的磁珠与特异性抗体相互偶联，通过特异性抗体对目标细胞进行捕获，然后通过外加磁场的作用，控制磁珠进行分选操作。相比于流式细胞仪，磁珠分选侧重于大样本整体的粗略分选，操作成本较低，主要被应用于各类科研实验中。近些年磁珠分选技术与微流控技术相结合，在微升级别的样本体积条件下，极大地降低了细胞分选的成本，避免了外来杂质污染的实验风险，为各类细胞或微颗粒等物质的检测技术带来了全新的发展。

激光诱导向前转移弹射分选

激光诱导向前转移技术(Laser induced forward transfer, LIFT)基于光与物质的相互作用的原理，当一束光透过透明基底聚焦照射到金属或聚合物薄膜上时，部分光会被薄膜吸收转化为内能，导致温度升高膨胀变形，甚至液化或者汽化，从而产生材料的转移。

LIFT技术被广泛应用于生物打印领域，相比于喷墨打印（a）与挤压式打印（b），LIFT打印（c）因其无打印喷头，可以对粘度范围更大的材料进行打印，防止了喷头堵塞的发生，同时也很好的解决打印过程中细胞的交叉污染以及受到剪切力损伤的问题。

图  (a) 喷墨生物打印，(b) 挤压生物打印，(c) 激光辅助生物打印。

我们组将LIFT技术用于微生物弹射分选，实现了“所见即所得”的微生物单细胞分选模式，可根据形态特征、以及荧光、Raman等信号在单细胞水平实现微生物的分选，并成功开发出商业化产品。

此外实验室或商业上常用的分选方法还有稀释法、显微操作、流式细胞分选等，如图所示，现将上述所有细胞分选方法技术特点列表如下。

表 各种细胞分选方法的特点。

LIFT技术的应用

不同模式光束对LIFT弹射微生物准确性与损伤的影响，LIFT已广泛运用到单细胞分选领域，但该技术仍面临着分选准确性和细胞损伤问题，主要通过控制激光能量降低分选过程中细胞的损伤，通过生成不同模式的光束提高分选与接收的准确性。

激光显微切割

显微切割系统在动植物细胞空间组学中的应用，空间转录组技术旨在对细胞的基因表达进行定量测量，同时提供细胞在组织空间的具体位置信息。通过激光显微切割获得细胞的具体空间位置，将分选的细胞构建不同的测序文库，通过高通量转录组测序获得基因的表达信息，同时获得细胞的空间位置信息和基因表达数据。

磁控免疫磁珠癌症标志物检测

磁珠分选结合微流控技术以及免疫磁分离技术实现CEA片上自动化、快速检测，可用于现场检测应用。磁珠分选是利用表面披被具有特定官能团的磁珠与特异性抗体相互偶联，通过特异性抗体对目标细胞进行捕获，然后通过外加磁场的作用，控制磁珠进行分选操作。相比于流式细胞仪，磁珠分选侧重于大样本整体的粗略分选，操作成本较低，主要被应用于各类科研实验中。近些年磁珠分选技术与微流控技术相结合，在微升级别的样本体积条件下，极大地降低了细胞分选的成本，避免了外来杂质污染的实验风险，为各类细胞或微颗粒等物质的检测技术带来了全新的发展。

基于激光诱导向前转移的微生物单细胞弹射分选技术研究

激光诱导向前转移技术由于其能够转移微小物质的特点被广泛用于电子元件的打印、三维结构的微纳制造、以及细胞的生物打印等工业与科研领域。本课题主要围绕ns脉冲激光与金属铝膜相互作用，开展激光诱导向前转移技术用于微生物单细胞弹射分选的有关研究，主要研究内容包括：(1)通过使用小能量ns脉冲激光作用于铝膜，利用铝膜的热变形进行微生物细胞的弹射与接收，提高弹射微生物的接收效率，并利用有限元仿真手段模拟激光与铝膜作用的温度分布及热变形，通过激光扫描共聚焦、SEM、AFM、高速成像等方法进行表征。(2) 针对弹射过程中的高温会对微生物细胞造成热损伤，导致弹射的细胞无法进行培养的问题，开发隔热结构弹射芯片，隔绝弹射过程中热量对细胞的损伤，实现对弹射后微生物单细胞的培养。(3)通过光束整形将激光光束调制成多个光斑，利用多个弹射光斑同时弹射，实现对传统方法难以分选的复杂形状微生物的弹射分离，扩展LIFT技术用于微生物细胞弹射分选的应用范围。

光流控技术在单细胞分选中的应用

光流控(Optofluidics)是一门新兴的交叉学科，结合了光镊和微流控两大类技术的优势。光镊技术于2018年获得了诺贝尔物理学奖，近年来光镊技术领域发展迅速，国际一些著名期刊杂志上发表了大量该领域文章，光镊技术在细胞生物学、单分子生物学以及物理学中都有很好的应用，特别是在细胞生物学中，光镊凭借着其PN级的力，能无接触精准地操控微生物，是操控微生物最佳的手段之一。微流控技术起源于芯片实验室(Lab on a chip)的概念，其将常规实验涉及的样品制备、反应、分离、检测等手段集成在一个微小的芯片上完成，在细胞分选、药物筛选、化学检测方面有广阔的应用前景，微流控技术对离散的微升至纳升大小的微液滴进行液滴移动、合并和裂解等自动化地操控。光流控技术结合了光镊高精度分选的特点和微流控技术高通量自动化的特点，在单细胞分选中有着巨大广阔的应用前景。

基于微孔阵列结合激光诱导向前转移的单细胞活体分选方法

本课题主要研究在金属镀层载玻片上制作微孔膜，结合LIFT进行单细胞分离。微孔膜辅助LIFT分选与原有LIFT分选方法进行全面比较，结果表明它在多个尺度上都优于现有的LIFT方法，这大大提高单细胞捕获效率，降低细胞损伤，维持细胞活性，并增加细胞培养存活率，为解决当前单细胞分离和培养问题提供了独特的途径。这种方法为探索人类微生物群对未来治疗多种疾病铺平道路。