近期，中国科学院上海微系统与信息技术研究所赵建龙研究员、贾春平副研究员等人发表综述，概述了五种基于微流体的单细胞或液滴分离策略，包括陷阱、微流体离散操控、生物打印、毛细管和惯性力。文章深入分析了每种策略的基本原理、特点、应用范围及其发展趋势，为单细胞分析领域的研究提供了宝贵的参考。相关研究成果以“Microfluidic based single cell or droplet manipulation: Methods and applications”为题目发表于期刊《Talanta》。

本文要点：

1、概述了五种基于微流体的单细胞或液滴分离策略，包括陷阱、微流体离散操控、生物打印、毛细管和惯性力，并分析了每种策略的基本原理和操作特点。

2、对比了不同微流控分离技术的优缺点，包括吞吐量、操作复杂性、样本浪费程度以及是否易于集成等。

3、列举了各种技术在基因序列分析、细胞培养、复制寿命研究等领域的应用实例。

4、分析了基于微流控的单细胞操控技术的未来发展趋势，指出了提高分离效率和通量、减少样本浪费以及集成更多功能的发展方向。

一张图读懂全文：

微流控技术在单细胞分析中具有多种用途，包括但不限于：

1、基因序列分析：利用微流控技术捕获单个细胞，进行基因测序，以研究细胞基因表达和遗传变异。

2、细胞培养：在微流控芯片上培养单个细胞，研究细胞的生长、分裂和代谢过程。

3、复制寿命研究：通过微流控技术捕获并跟踪单个细胞的复制过程，研究细胞的衰老和寿命。

4、药物筛选：在微流控芯片上测试药物对单细胞的影响，用于新药物的开发和药效评估。

5、细胞分型：使用微流控技术分离和分类不同类型的细胞，如癌细胞和正常细胞，以用于癌症研究和诊断。

6、单细胞蛋白质分析：在微流控芯片上分析单个细胞的蛋白质表达，了解细胞功能和状态。

7、细胞间通讯研究：通过微流控技术操控单个细胞，研究细胞间的信号传递和相互作用。

8、细胞力学特性分析：利用微流控技术测量细胞的力学特性，如弹性和硬度，以了解细胞的生理状态。

使用光学镊子进行细胞操作的优缺点：

优点：

1、无接触操作：光学镊子可以在不与细胞直接接触的情况下进行操作，减少了对细胞的损伤和污染风险。

2、高精度：能够精确控制单个细胞或颗粒的位置和运动，适合进行细胞行为和相互作用的详细研究。

3、多功能性：光学镊子可以操作多种生物样本，包括细胞、细菌和其他微观颗粒，适用于多种生物学研究。

4、非侵入性：激光光束的使用通常不会影响细胞的活性，适合进行活细胞研究。

5、动态控制：可以实时调整激光强度和焦点，实现细胞的实时操作和跟踪。

缺点：

1、操作范围有限：光学镊子的操作范围受限于激光的照射区域，可能限制同时操作多个细胞或在较大距离上的操作。

2、设备复杂：光学镊子所需的设备复杂且成本较高，涉及激光和光学元件的精确对准。

3、热量产生：激光可能会产生热量，影响温度敏感的生物样本，可能对细胞的活性或功能产生影响。

4、对颗粒尺寸的依赖性：光学镊子的有效性可能因被操作颗粒的尺寸和光学特性而有所不同，对某些类型的细胞或颗粒效果较差。

5、潜在损伤：虽然通常是非侵入性的，但高强度激光如果控制不当，可能会对细胞造成光损伤，特别是在长时间暴露的情况下。

综上所述，光学镊子在细胞操作中提供了精确和非侵入性的工具，但也面临设备复杂性、热效应和操作范围限制等挑战。

图1.传统的分离方法：（a）荧光激活细胞分选（FACS）原理，（b）激光捕获显微切割原理，（c）微操作原理。

图2.不同几何结构的陷阱：（a）沟槽式流体动力学捕获结构，（b）手持式集成单细胞移液管（hSCP）中的钩状陷阱，（c）微孔集成式可寻址动态液滴阵列（aDDA），（d）杯形陷阱的捕获和释放过程。

图3.展示了基于阀门的捕获技术，包括使用气动阀门实现细胞或液滴捕获的原理，以及利用阀门进行捕获和释放的过程。

图4.光学驱动的捕获：（a）带有两根光纤的集成光阱，（b）用于富集颗粒的可移动光阱，（c）通过光镊分离单细胞的装置结构，（d）基于光镊的单细胞分离过程，（e）基于光学微泡的捕获和释放。

图5.（a）EWOD装置结构：双板和单板。（b）新月形电极驱动的液滴，（c）基于EWOD的分离步骤。

图6.基于液滴内磁性粒子的液滴操纵。在颗粒浓度高、速度低的情况下，液滴会稳定地传输。在高浓度、高速度下颗粒被提取到小液滴中。

图7.单细胞操作的五个阶段：接近、推动、携带、拖动和释放。

图8.生物打印机：（a）声学单细胞打印机，（b）压电打印原理，（c）辅助阻抗检测以提高效率，（d）气动快门以去除意外的液滴，（e）微阀捕获和释放以实现精确的打印封装。

图9.惯性力辅助分离：（a）聚焦细胞的一般结构，（b）微柱辅助分离。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.talanta.2023.124776