单细胞分析通过阐明细胞群体中细微的异质性，为解读复杂生物系统的奥秘提供了全新视角，尤其在细胞发育、病理生理机制及治疗响应等研究领域具有重要意义。液滴微流控技术能够精确操控与封装单个细胞，具备高通量、低消耗等优势，已成为单细胞研究的重要工具。然而，目前很少有全面系统的综述关注液滴微流控操作策略的优化及其在各个领域的创新应用。

近期，有研究人员发表综述，系统阐述了液滴微流控技术在单细胞分析中的最新进展与策略优化。该综述从液滴形成与封装、识别与分选等关键技术环节入手，梳理了微通道结构改良、电极设计优化、主动/被动控制机制及生物相容性材料创新等多方面的优化路径，深入解析了光学荧光、电阻抗等分选技术的应用与升级，并探讨了该技术在生物检测、免疫治疗与药物筛选等领域的创新应用。此外，本文还总结了液滴微流控技术的当前研究成果，并展望了其未来发展方向。相关研究成果以“Droplet microfluidics for single-cell analysis: From improved cell encapsulation and sorting technologies to innovative applications”为题目，发表在期刊《Biotechnology Advances》上。

本文要点：

1、该综述聚焦液滴微流控技术在单细胞分析中的应用，系统阐述了其关键优化策略与创新应用方向。

2、从微滴形成与封装、识别与分选两大核心环节展开，前者通过微通道结构改良（如阶梯T型结、锥形微结构）、电极设计优化（圆弧电极、锯齿形电极）、材料创新（生物相容性缓冲液、温敏水凝胶）等策略，提升微滴稳定性、均一性及封装效率；后者涵盖光学荧光（如基于超分子相互作用的化学传感器、多角度光散射检测）与电阻抗（高频微电极、双膜泵驱动）两类分选技术，结合芯片模块化集成与机器学习辅助数据分析，实现高特异性、高通量分选。

3、该技术在生物检测（如DNA编码库筛选、磷酸二酯酶活性鉴定）、免疫治疗（如单克隆抗体快速发现、抗原特异性细胞筛选）、药物筛选（如个性化肿瘤药物检测、多药组合筛选）中展现出显著优势，可提升实验效率、降低试剂消耗并实现单细胞水平的精准分析。

4、未来将持续朝着更高通量、更高保真度的单细胞分析方向推进，推动微流控芯片的集成化与智能化发展，并拓展其在疾病早期诊断与治疗监测中的应用，助力精准医疗发展。

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图1 液滴微流控技术的原理与应用。液滴微流控技术将细胞样本封装到单个液滴中，随后进行检测和分选流程。液滴生成的典型结构包括T型结、流动聚焦和同轴结构。分选通过主动控制和被动控制实现，主动控制的电极进一步分为单板式和双板式共面电极。液滴微流控技术的应用主要集中在生物检测、免疫治疗和药物筛选领域。

图2 改善液滴形成的不同优化策略。（A）采用阶梯式T型结微通道，可高通量生成单分散微液滴。（B）在通道交界处设计锥形微结构，提升液滴生成的稳定性。（C）通过优化电极设计和液滴受力模型，“一分为三”液滴分裂技术提高了液滴形成效率。（D）固定断裂点位置并消除液滴尾迹，显著提升液滴的精度和准确性。（E）在介电润湿数字微流控器件上采用锯齿形排列电极设计，可实现均匀液滴形成。

图3 改善液滴封装的不同优化策略。（A）基于细胞触发分裂机制，提高了分选效率。（B）整合双螺旋聚焦单元和基于流动阻力的样本富集模块，增强单细胞封装效果。（C）利用激光细胞检测触发表面声波（SAW）驱动的快速液滴断裂，突破泊松分布限制。（D）通过基于微阀技术的按需液滴生成和实时图像处理，实现无标记主动单细胞封装。（E）调节气流粘性拖曳力并设计液滴形态，实现细胞封装用液滴的可控制备。（F）在液滴微凝胶中引入基质材料进行封装，为单细胞提供模拟体内的微环境。（G）利用并行化微流控芯片提高细胞内物质保留率和通量，可制备用于大规模单细胞分析的琼脂糖微珠。（H）将液滴微流控与热可逆水凝胶结合，便于细胞培养和分析。

图4 改善液滴分选的不同优化策略。（A）利用超分子光学化学传感器与荧光染料结合，实现精准细胞分选。（B）整合串联和并行分选原理，实现高效多路液滴分选。（C）基于激光散射与荧光共振能量转移技术整合，实现高通量液滴分选。（D）在多角度光流控芯片中调节液滴光学特性，实现对液滴内单个细胞的检测与表征。（E）基于高频探针下的微电极设计，提高单细胞液滴封装效率。（F）结合微凝胶珠的机械变形性与细胞的电学特性，实现双颗粒共封装。（G）基于阻抗检测与双膜泵，实现无标记单细胞的高通量、高纯度分选。

图5 微流控芯片设计与智能数据分析。（A）整合荧光激活液滴分选（FADS）与微注射技术的spinDrop平台，显著提升单细胞测序的信息量和检测灵敏度。（B）自动化单细胞液滴-数字微流控平台，实现单克隆抗体的高精度、高通量发现。（C）基于可变形检测转换器算法的新型机器视觉方法，准确识别单乳液和双乳液液滴。（D）基于机器学习的工具实现乳液液滴设计自动化，大幅减少试错实验。

图6 液滴微流控在高通量单细胞分析中的应用。（A）基于微流控活性的DNA编码库（DEL）平台，可灵活适配多种目标新生链的筛选。（B）超高通量液滴微流控技术，用于在百万级序列库中筛选磷酸二酯酶活性。（C）一种简便技术，可从抗体分泌细胞（ASCs）中快速发现单克隆抗体。（D）一种可规模化方法，制备水凝胶基微容器用于单细胞培养，并基于其分泌的免疫球蛋白（IgG）产物进行高通量分选。（E）基于纯流体力学框架的液滴微流控系统，实现类器官药物筛选实验的微型化。（F）用于原发性肿瘤细胞药物筛选的数字微流控（DMF）系统，可实现少量原发性肿瘤细胞的检测。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2025.108777

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