现代生命科学研究中，实验室设备是维持实验体系正常运转的核心支柱。正如Chauhan与Jindal在其著作《Microbiological Methods for Environment, Food and Pharmaceutical Analysis》中指出的那样，设备管理是整个实验室质量保证体系的关键环节，其重要性体现在“设备需经过合适的安装、适用于其预期目的、用户友好、处于安全且可维护的状态、被使用者充分理解、并满足安全与质量要求”等多个维度。在细胞分选这一特定领域，从基础分离到高精度单细胞操控，设备体系已经形成了一条从传统技术到前沿集成化平台的清晰技术谱系。本文将围绕当前实验室细胞分选中的主流设备与技术，结合最新的研究进展，系统论述这一领域的设备体系与质量管理要点。

一、实验室设备的质量管理体系：从安装确认到性能验证

任何实验室设备的部署都必须建立在完善的质量管理体系之上。ISO/IEC 17025是国际上公认的检测和校准实验室能力认可标准，它对实验室设备提出了明确的要求：投入使用前必须通过核查、检定或校准等方式确认其满足检验检测要求。Chauhan与Jindal特别强调了三个层次的设备确认流程，即安装确认（Installation Qualification）、运行确认（Operational Qualification）和性能确认（Performance Qualification），这三者共同构成设备验证的完整闭环，确保设备从出厂、运输到现场安装调试直至实际运行的每一个环节都处于受控状态。

对于细胞分选设备而言，IQ/OQ/PQ的意义尤为突出。细胞分选涉及对活细胞的精细操控，任何微小的设备偏差——无论是液滴偏转电压的不稳定、激光校准的偏移，还是喷嘴堵塞导致的液流中断——都可能导致分选纯度的下降和细胞活性的丧失。因此，定期的中间核查（期间核查）同样是ISO 17025体系中不可或缺的环节，它要求在相邻两次校准或检定之间，按照规定程序验证设备的计量特性、功能性和安全性是否持续满足方法要求。对于流式细胞仪、磁性细胞分选仪等精密仪器，建议建立周期性的维护与校准计划，包括激光功率检测、光路准直、液滴延迟校准及细胞活性验证等，确保设备始终处于最佳工作状态。这种系统化的设备管理理念，为整个细胞分选设备体系的可靠运行提供了制度保障。

二、荧光激活细胞分选：细胞分选的金标准设备

荧光激活细胞分选（Fluorescence-Activated Cell Sorting, FACS）自1972年Herzenberg等研究者首次引入以来，已经成为细胞分选领域的技术基准。该技术的核心原理是将荧光标记的细胞悬液通过高压喷嘴形成单细胞液流，每个液滴携带不同荧光信号的细胞，在通过激光检测区后被赋予电荷，随后在高压静电场中根据电荷偏转至不同的收集容器中。这一原理决定了FACS设备的技术架构——包括激光系统、光学检测系统、液滴形成与偏转系统以及多路收集系统。

当前市场上主流的FACS设备以BD公司的FACS Aria系列为代表。以BD FACS Aria III为例，该设备通常配置405 nm、488 nm、561 nm和633 nm等四根及以上空间分离的激发激光器，能够同时检测10色以上的荧光信号，获取速率可达70,000 events/秒，分选纯度通常高于98%。该设备支持多种收集容器（包括1.5 mL至15 mL的收集管以及6/24/96孔板），喷嘴规格涵盖70 μm、85 μm和100 μm，以适应不同类型细胞的尺寸差异。

然而，FACS技术的局限性同样不容忽视。传统FACS分选速度虽然快，但高压电场和高速液流对细胞的物理应力可能导致细胞活性下降，尤其是在处理原代细胞和干细胞等敏感细胞类型时。此外，FACS设备价格昂贵、占地面积大、操作复杂且需要严格的生物安全防护，这限制了其在资源有限环境中的普及。近年来，成像流式细胞分选技术的出现正在突破这些限制，该技术融合了显微镜成像与流式细胞术，可以在高速分选的同时获取细胞的高分辨率形态学图像，为细胞亚型识别提供了全新的维度。

三、磁性激活细胞分选：高效、温和的大规模分离设备

与FACS依赖复杂光学系统的技术路线不同，磁性激活细胞分选（Magnetic-Activated Cell Sorting, MACS）采用了一种更为简洁、温和的分选原理。MACS技术利用与抗体偶联的超顺磁性纳米颗粒（通常为50 nm左右）标记目标细胞，当细胞悬液通过高梯度磁场时，磁标细胞被吸附在分离柱上，未标记细胞则被冲洗除去。这一原理决定了MACS设备的技术定位——适用于大规模、快速、温和的细胞富集，尤其适合从全血、骨髓或组织消化液中初步分离特定细胞亚群。

MACS技术的核心优势在于其实验设备的简捷性和对细胞活性的保护。正如一篇中文综述所指出的，“MACS法所需的实验设备简单，只需一块专用磁铁即可进行分选，操作也容易上手，一般实验室都可进行磁性分选”。自动化MACS系统（如autoMACS Pro）进一步提升了这一技术的通量和可重复性，其分选速度可达10⁷ cells/秒，且对细胞的处理极为温和，分选后的细胞可直接用于流式细胞术分析、单细胞测序或功能实验。

从设备体系的角度来看，MACS技术通常被定位为FACS的有效补充而非替代。在实际应用中，研究者往往采用MACS进行阳性富集或阴性去除，以降低样本中非目标细胞的丰度，随后再用FACS进行高纯度精细分选。这种“两步法”分选策略兼顾了效率与精度，尤其适用于稀有细胞（如循环肿瘤细胞、特定免疫细胞亚群等）的分离。

## 四、微流控细胞分选：设备微型化与集成化的前沿探索

如果说FACS和MACS代表了传统细胞分选设备的两条成熟路线，那么微流控细胞分选技术则正在重新定义“细胞分选设备”这一概念本身。微流控技术的核心思想是将传统实验室中需要多台大型设备完成的操作流程——样本制备、细胞运输、检测分析和目标收集——集成到一张仅有几平方厘米的微芯片上，实现高度自动化和微型化的细胞操控。

微流控细胞分选装置在技术原理上可分为主动式与被动式两大类。被动式分选依靠微通道的几何结构（如螺旋通道、确定性侧向位移阵列、夹流分馏等）产生的流体动力学效应，根据不同大小或形状的细胞在通道中的迁移轨迹差异实现分离，无需外部能量输入。这种方法的优势在于设备简单、通量高且对细胞无损伤。惯性聚焦型螺旋微通道系统即是典型代表，其符合世界卫生组织推荐的ASSURED标准（可负担、灵敏、特异、用户友好、快速稳健、无需设备、便于分发），在资源有限的环境中具有重要的推广价值。主动式分选则利用外加物理场（电场、磁场、声场或光场）产生的力来控制细胞在微通道中的运动，常见的策略包括介电电泳、磁泳、声泳和光镊等。

近年来，微流控技术与机器学习（Machine Learning, ML）的深度融合正将细胞分选推向智能化方向。人工智能算法可通过对大量细胞图像的训练学习，实现对微流控芯片上细胞表型的实时识别和分类，并触发分选机制将目标细胞精确捕获。这种整合不仅大幅提升了分选的准确率和自动化水平，也为个性化医疗和高通量药物筛选提供了全新的技术平台。

值得特别关注的是微流控技术与拉曼光谱的集成应用。拉曼激活细胞分选（Raman-Activated Cell Sorting, RACS）技术利用拉曼光谱对单细胞进行无标记、非破坏性的表型分析，无需荧光探针即可获取细胞的化学成分指纹信息，并将其与基因组分析相结合。2025年中国科学家研发的正介电电泳诱导确定性侧向位移拉曼激活细胞分选技术（pDEP-DLD-RACS）实现了高通量拉曼流式分选，每分钟可分析数百个单细胞的代谢特征，为快速筛选高产微生物细胞工厂提供了关键技术平台。与此同时，Stimulated Raman-Activated Cell Ejection技术的出现进一步克服了传统自发拉曼散射截面小、信号弱的瓶颈，为高通量单细胞分选开辟了新路径。

五、离心技术与密度梯度分离：最基础的设备工具

在细胞分选的设备谱系中，离心机和密度梯度介质构成了最基础也最广泛使用的分离工具。尽管FACS和MACS等先进设备在精度上远超传统方法，但离心技术凭借其操作简便、成本低廉和高通量的特点，仍然是实验室日常工作中不可或缺的设备。

密度梯度离心利用不同细胞类型在密度梯度介质（如Ficoll、Percoll、蔗糖或氯化铯溶液）中沉降速率的差异实现分离，广泛应用于外周血单核细胞的分离、细胞器的纯化以及特定亚细胞组分的富集。该方法技术简单，在普通的离心管中即可完成分离过程，处理方式温和且不影响细胞功能，分离后的细胞可直接用于流式实验或培养。

从设备管理的角度看，离心机属于实验室中最常见但也最易被忽视的仪器。根据ISO 17025的要求，离心机同样需要纳入定期校准和期间核查体系，包括转速精度验证、温度稳定性检测以及转子安全寿命管理等。忽视离心机的维护不仅可能导致分离效果的不稳定，更可能带来严重的安全风险。

细胞分选设备体系的演进，始终围绕着两个核心目标：提高分离精度和保护细胞活性。从Chauhan与Jindal所强调的设备质量管理理念出发，我们认识到，无论技术如何迭代，一套完善的设备管理、校准与验证体系始终是保障实验数据可靠性和可重复性的基石。FACS以其卓越的精度担当着“金标准”的角色，MACS凭借其温和高效的特征服务于大规模细胞富集，微流控技术则将分选设备带入了微型化和智能化的新时代，而离心技术作为最基础的设备工具仍然保持着不可替代的实用价值。

      

随着微流控、拉曼光谱、机器学习等前沿技术的持续融合与成熟，细胞分选设备必将朝着更加智能、便携、多功能的方向发展。对于实验室管理者而言，如何在设备选型、采购部署、维护校准和人才培养之间找到平衡，如何在追求前沿技术的同时守住质量管理的底线，将是决定实验室长期竞争力和数据公信力的关键所在。

参考文献

[1] Chauhan, A., Jindal, T. Equipments and Instruments for Microbiological Laboratories. In: Microbiological Methods for Environment, Food and Pharmaceutical Analysis. Springer, Cham, 2020.

[2] 实验室仪器设备管理规范 (T/GDAM). 2025.

[3] ISO/IEC 17025:2017—General Requirements for the Competence of Testing & Calibration Laboratories.

[4] Herzenberg, L.A., et al. Fluorescence-activated cell sorting. Scientific American, 1972.

[5] Progress of Cell Sorting in Flow Cytometry. Wiley Online Library, 2025.

[6] Imaging Flow Cytometry and Sorter: Optical Principles and New Advancements. 2025.

[7] MACS Technology: High-gradient magnetic cell separation with antibody-conjugated nanobeads.

[8] Microfluidic device for both active and passive cell separation techniques: A review. ScienceDirect, 2024.

[9] Inertial focusing-based Lab-on-Chip systems for cell sorting: ASSURED criteria. PMC, 2024.

[10] Advances in machine learning–enhanced microfluidic cell sorting. Science, 2025.

[11] pDEP-DLD-RACS: Label-free high-throughput live-cell sorting for metabolic traits. PNAS, 2025.

[12] Stimulated Raman-activated cell ejection (S-RACE) for high-throughput single-cell sorting. 2024.