引 言

　　流式細(xì)胞術(shù)（Flow Cytometry，F(xiàn)CM）也稱為熒光激活細(xì)胞分類術(shù)（Fluorescence Activated Cell Sorting，F(xiàn)ACS） ，是利用流式細(xì)胞儀對(duì)處在快速、直線、流動(dòng)狀態(tài)中的單細(xì)胞或者生物顆粒進(jìn)行多參數(shù)、快速定量分析，同時(shí)對(duì)特定群體加以分選的現(xiàn)代細(xì)胞分析技術(shù)。流式細(xì)胞儀（Flow Cytometer）是集激光技術(shù)、光電檢測(cè)技術(shù)、細(xì)胞熒光化學(xué)技術(shù)、單克隆抗體技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的新型高科技儀器。它能夠高效檢測(cè)細(xì)胞大小、粒度、表面積等細(xì)胞結(jié)構(gòu)參數(shù)和細(xì)胞表面 / 胞質(zhì) / 核的特異性抗原、細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞因子、酶活性、Ca2+、細(xì)胞活性等細(xì)胞功能參數(shù)， 同時(shí)還具有細(xì)胞分選和計(jì)數(shù)能力。自上世紀(jì)70年代第一臺(tái)流式細(xì)胞儀問世以來(lái)，歷經(jīng) 40 多年的迅猛發(fā)展，目前流式細(xì)胞儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、藥理學(xué)、免疫學(xué)、血液學(xué)、腫瘤學(xué)以及細(xì)胞凋亡檢測(cè)和臨床檢驗(yàn)等領(lǐng)域。

　　1  流式細(xì)胞儀的結(jié)構(gòu)

　　流式細(xì)胞儀主要由液流系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、電子系統(tǒng)和細(xì)胞分選系統(tǒng) 4 部分組成。經(jīng)過特定熒光染色的待測(cè)樣本細(xì)胞懸液，在鞘流的包圍約束下，細(xì)胞成單列排布，由流動(dòng)室噴嘴高速噴出，形成細(xì)胞液柱。液柱與激光束垂直相交，相交位置即為檢測(cè)區(qū)，在入射激光照射下產(chǎn)生熒光信號(hào)和前向散射光信號(hào)（FSC，F(xiàn)orward Scatter）與90°側(cè)向散射光信號(hào)（SSC，Side Scatter） ，可被電子系統(tǒng)檢測(cè)并輸入到計(jì)算機(jī)利用專業(yè)軟件進(jìn)行細(xì)胞多參數(shù)分析與分選。

　　1.1  液流系統(tǒng)

　　液流系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將待測(cè)樣品從樣品室運(yùn)送到流動(dòng)室的測(cè)量區(qū)域，其理想狀態(tài)是把細(xì)胞傳送到激光束的中心，并且在一次曝光時(shí)間內(nèi)，只允許一個(gè)細(xì)胞通過激光束，然后根據(jù)需要，液流流入廢液桶或者分選收集管。液流系統(tǒng)主要由流動(dòng)室和液流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成。流動(dòng)室內(nèi)充滿鞘液，根據(jù)層流原理，在鞘液的包圍下，細(xì)胞排成單列從流動(dòng)室的噴嘴流出，并且被鞘液包圍形成細(xì)胞液柱。另外，同軸流動(dòng)的設(shè)計(jì)，使得樣品流（核流）和鞘流始終保持分層鞘流的狀態(tài)。

　　1.2  光學(xué)系統(tǒng)

　　光學(xué)系統(tǒng)負(fù)責(zé)產(chǎn)生并采集熒光、散射光信號(hào)，主要由包括激光、光纖、光束形成棱鏡、聚焦鏡的光學(xué)激發(fā)系統(tǒng)和包括熒光物鏡、光纖、光學(xué)濾片、檢測(cè)器的光學(xué)采集系統(tǒng)組成。目前流式細(xì)胞儀廣泛使用的是 488nm 的氬離子激光器和 635nm 的氦 - 氖激光器。光學(xué)濾光片放置在光電倍增管前面，對(duì)去除干擾信號(hào)、提高結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

　　1.3  電子系統(tǒng)

　　電子系統(tǒng)的功能是將熒光和散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)， 并進(jìn)行數(shù)字化處理后送入計(jì)算機(jī)用專用軟件進(jìn)行分析，包括光電轉(zhuǎn)化器、信號(hào)放大器、信號(hào)處理系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)軟件分析系統(tǒng)。液柱中的細(xì)胞經(jīng)過測(cè)量區(qū)域被激光照射，產(chǎn)生熒光信號(hào)和前向角散射與 90°側(cè)向角散射信號(hào)。其中熒光信號(hào)由光電倍增管檢測(cè)，2 個(gè)散射光信號(hào)由光電二極管檢測(cè)。熒光信號(hào)與產(chǎn)生熒光的化學(xué)物質(zhì)有關(guān)，前向散射光信號(hào)與細(xì)胞大小有關(guān)，90°側(cè)向散射光信號(hào)與細(xì)胞粒度有關(guān)。通過安裝多個(gè)濾光片和不同波長(zhǎng)的激光器就能得到更多的熒光信號(hào)和散射光信號(hào)，這對(duì)于人們認(rèn)識(shí)細(xì)胞內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的相互作用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　1.4  分選系統(tǒng)

　　利用流動(dòng)室噴嘴上的高頻壓電晶體的振動(dòng)，將液流變成只包含單個(gè)靶細(xì)胞的小液滴，系統(tǒng)根據(jù)鞘流的流速與晶體振動(dòng)的頻率，精確算出小液滴的間距，然后對(duì)其施加相應(yīng)的電壓，當(dāng)小液滴通過正負(fù)極板時(shí)就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，流入相應(yīng)的收集管里， 不帶電的液滴就會(huì)流入中間的廢液桶里，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞（ 包括中性粒細(xì)胞 ） 的分選 　　。

　　2  流式細(xì)胞儀的最新進(jìn)展

　　2.1  光學(xué)系統(tǒng)的完善

　　隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光器的性能更加優(yōu)異，價(jià)格也更加低廉，這使得激光逐漸取代非相干光源，在流式細(xì)胞儀中得以廣泛應(yīng)用。目前，除德國(guó)的Partec 等公司的部分產(chǎn)品仍使用汞燈作為光源激發(fā)紫外的熒光物質(zhì)外，多數(shù)的流式細(xì)胞儀都配備多個(gè)激光器，同時(shí)發(fā)出不同波長(zhǎng)的激光以激發(fā)出多種熒光。例如BD 公司的 FACSAria 流式細(xì)胞分選儀除配備較為常用的488nm藍(lán)光和640nm紅光外，還配備 407nm 光源。同時(shí)，染料激光器的出現(xiàn)，使得光源發(fā)出連續(xù)可調(diào)的光譜成為可能，極大地?cái)U(kuò)展波長(zhǎng)范圍，可以滿足用戶多種特殊的需求。另外，通過配備多個(gè)光學(xué)濾光片，可同時(shí)檢測(cè)多種熒光信號(hào)和包括 FSC 和 SSC 在內(nèi)的信號(hào)，豐富人們的視野，更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞的檢測(cè)。

　　2.2  靈敏度和分辨率的提高

　　靈敏度反映儀器能夠檢測(cè)到最弱的熒光和散射光信號(hào)，直接決定能否檢測(cè)出待檢測(cè)指標(biāo)。靈敏度主要與待檢測(cè)物體被激光照射效率和熒光接收效率有關(guān)，靈敏度的高低也是衡量流式細(xì)胞儀性能的最重要指標(biāo)之一 ［4］。通過使用更加貼近最大吸收波長(zhǎng)的激發(fā)光源和改善光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠有效提高流式細(xì)胞儀靈敏度，同時(shí)，使用較高靈敏度的光電檢測(cè)元件也可以分析微弱的熒光信號(hào)，較大程度上提高流式細(xì)胞儀靈敏度。目前流式細(xì)胞儀多使用石英微流動(dòng)室 和數(shù)值孔徑較大的物鏡，使得收集到的細(xì)胞熒光信號(hào)顯著增強(qiáng)。另外，通過使用光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)，也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)一些微弱熒光信號(hào)的檢測(cè)。光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)具有較高靈敏度，但是檢測(cè)面積比較小，使用時(shí)應(yīng)該用高質(zhì)量的透鏡組將光子匯聚到它的有效面積上。隨著熒光技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)更多類型的熒光染料可供選擇，熒光的激發(fā)光強(qiáng)也有很大的提高， 實(shí)現(xiàn)靈敏度提高。另外， 使用高透射率、高折射率的光纖，也能夠更好地與光源、光電檢測(cè)器和芯片耦合，顯著降低光強(qiáng)損失，提高儀器靈敏度。

　　隨著液流系統(tǒng)、光電檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，流式細(xì)胞儀的分辨率也有顯著提高。目前市場(chǎng)上流式細(xì)胞儀的分辨率可以達(dá)到 1 ∶ 512000，能夠得到 CV 值（變異系數(shù)）很小的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， 徹底改變以往很難把染色體區(qū)分開的局面，這使得分辨率較高的染色體的分析和分選成為可能。同時(shí)，隨著靈敏度和分辨率的提高，實(shí)驗(yàn)所需的樣品容量也進(jìn)一步減少，如 C6 流式細(xì)胞儀最小的樣品大小僅為 30µL，這對(duì)于難以獲得較大樣品量的研究實(shí)驗(yàn)具有十分重要的意義。

　　2.3  分析和分選速度的提高

　　流式細(xì)胞儀非常重要的一個(gè)特點(diǎn)就是它能夠?qū)崿F(xiàn)高速的細(xì)胞定量分析和目標(biāo)細(xì)胞的分選。隨著液流控制系統(tǒng)性能的改進(jìn)和光電檢測(cè)元件響應(yīng)速度和計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的不斷發(fā)展進(jìn)步， 流式細(xì)胞儀的分析和分選速度都有質(zhì)的提高。目前，BD 公司出品的 FACSAria 流式細(xì)胞分選儀獲取速度可達(dá) 70000 個(gè)細(xì)胞 /s，分析速度可達(dá) 50000 個(gè)細(xì)胞 /s。這對(duì)于要通過對(duì)大量細(xì)胞的分析，建立不同細(xì)胞類型的數(shù)據(jù)庫(kù)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，如根據(jù)細(xì)胞形態(tài)變化和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化對(duì)腫瘤細(xì)胞進(jìn)行分類等。

　　2.4  實(shí)現(xiàn)多色分析

　　流式細(xì)胞儀另一個(gè)非常重要的特點(diǎn)就是它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)細(xì)胞的多參數(shù)測(cè)量。通過使用多種熒光標(biāo)記物對(duì)細(xì)胞進(jìn)行標(biāo)記，測(cè)量激光激發(fā)多色熒光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)單次實(shí)驗(yàn)對(duì)細(xì)胞多種成分測(cè)量。然而，實(shí)際中熒光標(biāo)記物的發(fā)射光譜多較寬，不同的標(biāo)記物標(biāo)記細(xì)胞后，光電檢測(cè)器檢測(cè)到的熒光信號(hào)往往有重疊的現(xiàn)象，這就需要對(duì)熒光信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償。目前 BD 公司研發(fā)的細(xì)胞多色分析技術(shù)居于領(lǐng)先地位，它采用多根激光束同時(shí)激發(fā)流動(dòng)室中的一個(gè)細(xì)胞，激發(fā)出來(lái)的熒光信號(hào)分別經(jīng)過系統(tǒng)中的多個(gè)光學(xué)濾光片，被不同的光電檢測(cè)器檢測(cè)，這樣就可以解決熒光信號(hào)重疊的問題，使多色分析達(dá)到最佳效果。BD 產(chǎn)品最多可進(jìn)行15 色熒光分析和前向、側(cè)向散射光分析，這樣單次實(shí)驗(yàn)就可以同時(shí)獲得多達(dá)17個(gè)參數(shù)，提供豐富的細(xì)胞信息。

　　2.5  儀器小型化 

　　低功耗、小型化、便攜式的細(xì)胞分析分選儀器，一直都是各大廠商和科研院所的研究方向。隨著激光光源、光電檢測(cè)器件、電子計(jì)算機(jī)等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，器件的性能更加優(yōu)越，體積也更小，這使得流式細(xì)胞儀的小型化取得很大進(jìn)展。目前市場(chǎng)上的 C6 流式細(xì)胞儀的體積比小型微波爐還要小，重量不足 14kg，功耗也不超過 70W，是真正意義上的小型化分析儀器。

　　以 MEMS 技術(shù)（微機(jī)電系統(tǒng)）為基礎(chǔ)的微流控芯片（microfluidic chip） 技術(shù)具有體積小、效率高、集成度高、速度快等特點(diǎn)，為生化分析領(lǐng)域開辟新的研究方向。國(guó)外課題組在這方面已經(jīng)做很多研究。Hirono 等人采用LED 作光源的微芯片流式細(xì)胞成像分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)血小板凝集數(shù)量的計(jì)數(shù)。Wolff 課題組研制一種微芯片細(xì)胞分選器，他們將激光光源、檢測(cè)器件和細(xì)胞的培養(yǎng)室統(tǒng)統(tǒng)集成到一個(gè)微型芯片上。該細(xì)胞分選器具有尺寸小、分選效率高、價(jià)格低等特點(diǎn)，同時(shí)采用封閉體系可以有效防止污染，滿足環(huán)保要求。國(guó)內(nèi)方面也有很多課題組從事這方面研究。姚波等人采用靜電力的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞的篩選。當(dāng)細(xì)胞經(jīng)過檢測(cè)區(qū)后，在芯片出樣管道的分支處被施加不同電壓，帶電荷細(xì)胞進(jìn)入出樣管道后，在靜電場(chǎng)力作用下，發(fā)生不同方向的偏轉(zhuǎn)，進(jìn)入到相應(yīng)的收集管里，同時(shí)， 為有效消除電滲流影響， 他們還對(duì)管壁做涂層處理。

　　2.6  儀器自動(dòng)化

　　以往流式細(xì)胞儀的使用都比較繁瑣，使用起來(lái)有相當(dāng)?shù)碾y度。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展，目前流式細(xì)胞儀在進(jìn)樣、液流控制、多色熒光分析、細(xì)胞分選和數(shù)據(jù)處理等方面都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。例如 BD 公司的FACSAria 細(xì)胞分選儀配備液流自動(dòng)控制系統(tǒng)和軟件自動(dòng)清洗程序，實(shí)現(xiàn)進(jìn)樣倉(cāng)自動(dòng)加壓、自動(dòng)混勻樣本、自動(dòng)沖洗進(jìn)樣管路、液滴監(jiān)控、自動(dòng)檢查堵塞。系統(tǒng)軟件的分選設(shè)定和檢測(cè)功能大大簡(jiǎn)化操作， 實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分選的無(wú)人操作。

　　3  流式細(xì)胞儀的應(yīng)用

　　隨著各種新型的熒光染料和單克隆抗體技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，流式細(xì)胞儀在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍得到進(jìn)一步的擴(kuò)展。目前，基本上能進(jìn)行熒光分子標(biāo)記的細(xì)胞或者亞細(xì)胞微粒都能被流式細(xì)胞儀檢測(cè)，下面簡(jiǎn)要介紹流式細(xì)胞儀在細(xì)胞生物學(xué)、免疫學(xué)、腫瘤學(xué)等部分領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　3.1  在細(xì)胞生物學(xué)的應(yīng)用

　　細(xì)胞內(nèi) DNA 的含量在整個(gè)細(xì)胞周期內(nèi)隨時(shí)都發(fā)生周期性的變化，通過熒光探針對(duì)細(xì)胞內(nèi) DNA 含量進(jìn)行測(cè)量，能夠有效分析各個(gè)時(shí)相的細(xì)胞百分比以及 DNA 異倍體。相對(duì)于傳統(tǒng)染色體核型分析，流式細(xì)胞儀不僅能夠?qū)崿F(xiàn)染色體分析還能進(jìn)行純化，以獲得克隆實(shí)驗(yàn)所需的染色體。同時(shí)， 流式細(xì)胞儀因其具有高效分析和分選能力，在分子遺傳學(xué)中也有大量應(yīng)用，主要是用于研究分離的染色體，以及對(duì)特定的染色體進(jìn)行分選。流式細(xì)胞儀在微生物領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)較晚，但它快速、多參數(shù)測(cè)量的特點(diǎn)十分適合解決微生物學(xué)面臨的一些問題。目前，在工業(yè)上流式細(xì)胞儀能夠用于微生物的快速鑒定，例如對(duì)自來(lái)水中的微生物學(xué)鑒定和控制、對(duì)生乳中細(xì)菌總數(shù)的檢測(cè)等。

　　3.2  在腫瘤學(xué)中的應(yīng)用

　　流式細(xì)胞儀在臨床醫(yī)學(xué)中最早應(yīng)用于腫瘤學(xué)，主要是通過 DNA 含量和線粒體數(shù)量檢測(cè)進(jìn)行癌前病變和早期癌癥的診斷以及化療指導(dǎo)和愈后評(píng)估等。流式細(xì)胞儀能夠精確檢測(cè)細(xì)胞內(nèi) DNA 含量，可對(duì)癌癥的性質(zhì)和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行判斷，利于早期診斷。實(shí)際應(yīng)用中需要將實(shí)體瘤組織解聚、分散制成單細(xì)胞懸液，并用熒光染料（碘化吡啶PI）染色，對(duì)細(xì)胞內(nèi)的 DNA 含量進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)需要將不易區(qū)分的群體細(xì)胞分成 G1 期、S 期和 G2 期 3 個(gè)細(xì)胞亞群，DNA 的含量直接代表細(xì)胞的倍體狀態(tài)，腫瘤的惡性程度和非倍體細(xì)胞有密切關(guān)系。流式細(xì)胞儀還可對(duì)惡性腫瘤 DNA 倍體異質(zhì)體進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)患者臨床分期、病理分級(jí)、腫瘤轉(zhuǎn)移具有重要意義。腫瘤早期診斷的一個(gè)重要依據(jù)就是 DNA 非整倍體細(xì)胞峰的存在。同時(shí)，細(xì)胞的 DNA 倍體分析也能夠用于病人愈后情況的早期判斷。異倍體腫瘤惡變的復(fù)發(fā)率和死亡率都比較高，然而，二倍體和近二倍體腫瘤的愈后狀況明顯比較好。流式細(xì)胞儀除能對(duì)癌癥 DNA 含量進(jìn)行分析外，還能夠根據(jù)癌癥 DNA 的分布直方圖變化情況對(duì)化療效果進(jìn)行評(píng)估，這對(duì)于癌癥的化療具有重要的指導(dǎo)意義。

　　3.3  在免疫學(xué)中的應(yīng)用

　　隨著單克隆抗體技術(shù)、熒光色素技術(shù)的發(fā)展，流式細(xì)胞儀以其快速、定量測(cè)量的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于免疫理論研究和臨床實(shí)踐當(dāng)中。通過與熒光抗原抗體結(jié)合，對(duì)細(xì)胞表面和細(xì)胞內(nèi)部的抗原、癌細(xì)胞基因蛋白定量分析，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分類和亞群分析，這對(duì)于各種血液病、癌癥、B細(xì)胞淋巴瘤的早期診斷和治療以及對(duì)人體細(xì)胞免疫功能的評(píng)估都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過對(duì)患者淋巴細(xì)胞各個(gè)亞群數(shù)量的檢測(cè)可以了解淋巴細(xì)胞的分化功能，同時(shí)，通過對(duì)疾病的特異性淋巴細(xì)胞亞群或者細(xì)胞表面標(biāo)記物的存在、缺失和過度表達(dá)等的研究，可以對(duì)一些免疫性疾病、 感染性疾病和腫瘤等進(jìn)行早期診斷和治療。 此外，還可以利用流式細(xì)胞儀進(jìn)行組織相容性抗原群體分析和器官移植和移植后免疫狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

　　3.4 在血液學(xué)中的應(yīng)用

　　臨床中通過對(duì)外周血 T 淋巴細(xì)胞 、骨髓細(xì)胞表面抗原和細(xì)胞內(nèi)DNA 含量的檢測(cè)，可以對(duì)包括白血病、淋巴瘤等多種血液病進(jìn)行早期診斷、及時(shí)治療和愈后情況的判斷。由于各類血細(xì)胞都具有特異的抗原，流式細(xì)胞儀通過采用特異的抗血細(xì)胞表面分化抗原的單克隆抗體，結(jié)合熒光染料，就可以測(cè)定某個(gè)細(xì)胞的多項(xiàng)參數(shù)，準(zhǔn)確地判斷細(xì)胞屬性。流式細(xì)胞儀能夠在患者恢復(fù)期檢測(cè)體內(nèi)是否還有殘留的病變細(xì)胞，這對(duì)于及早發(fā)現(xiàn)并采取有效措施防止白血病等疾病的復(fù)發(fā)具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。上述應(yīng)用只是流式細(xì)胞儀廣泛應(yīng)用的一個(gè)縮影，流式細(xì)胞儀在細(xì)胞凋亡檢測(cè)、器官移植、精子性別控制、臨床細(xì)菌學(xué)、植物學(xué)等諸多領(lǐng)域都有十分廣泛的應(yīng)用?？梢灶A(yù)見，隨著激光、探測(cè)器、計(jì)算機(jī)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，流式細(xì)胞儀也將會(huì)有更加廣泛的應(yīng)用前景。