流式细胞仪的原理和用途

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1、流式细胞仪(Flow Cytometry)1 流式细胞仪的概念及其发展历史1. 1流式细胞仪的基本概念流式细胞仪(flow cytonletry, FCM)是对高速直线流动的细胞或生物微粒 进行快速定量测定和分析的仪器，主要包括样品的液流技术、细胞的计数和分选技术，计算机对数据的采 集和分析技术等。流式细胞仪以流式细胞术为理论基础,是流体力学、激光技术、电子工程学、分子免疫 学、细胞荧光化学和计算机等学科知识综合运用的结晶。流式细胞术是一种自动分析和分选细胞或亚细胞 的技术。其特点是：测量速度快、被测群体大、可进行多参数测量,即对同一个细胞做有关物理、生物化 学特性的多参数测量,且在统计学上有

2、效。1. 2流式细胞仪的发展简史 最早的流式细胞仪雏形诞生于1934年，Moldavan提出使悬浮的单个血红细 胞流过玻璃毛细管, 在亮视野下用显微镜进行计数, 并用光电记录装置测量的设想。1953 年 Crosland-Taylor根据牛顿流体在圆形管中流动规律设计了流动室。其后又经过Coulter、Parker & Horst、 Kamentsky、Gohde、Fulwyler、Herzenberg等人的不断改进，设计了光电检测设备和细胞分选装置、完成 了计算机与流式细胞仪的物理连接及多参数数据的记录和分析、开创了细胞的免疫荧光染色及检测技术、 推广流式细胞仪在临床上的应用。近20 年来,

3、随着流式细胞仪及其检测技术的日臻完善,人们越来越致力 于样品制备、细胞标记、软件开发等方面的工作，以扩大FCM的应用领域和使用效果。宋平根的流式细胞术的原理和应用是迄今为止对流式细胞仪及其技术阐述的最为详尽和透彻的中文著 作。这本书非常详细地介绍了流式细胞术的历史、结构、原理、技术指标等，例举了其在医学和生物工程 中的应用，非常适合从事此方面专业研究的人。由于这本书是13年前出版的，所以基本上没有涉及植物流 式细胞仪检测技术。此外对于只需要对流式细胞仪有些基本认识的人士来说，这本书太复杂太深奥。谢小 梅主要介绍了流式细胞仪在生物工程中的应用。杨蕊概括了流式细胞仪的工作原理，简单提及了流式细胞

4、仪的应用。本文在分析这三篇论著或文章的优缺点后，用比较通俗的语言介绍了掌握流式细胞仪检测技术 必须了解的一些原理，并对目前市场上的主流型号进行了客观的性能概括。2 流式细胞仪的工作原理和技术指标2. 1 流式细胞仪工作原理 除电源外，流式细胞仪主要由四部分组成：流动室和液流系统：激光源和光学 系统；光电管和检测系统；计算机和分析系统，其中流动室是仪器的核心部件。这四大部件共同完成了信 号的产生、转换和传输的任务。流动室和液流系统流动室由样品管、鞘液管和喷嘴等组成，常用光学玻璃、石英等透明、稳定的材料制作。设计和 制作均很精细，是液流系统的心脏。样品管贮放样品，单个细胞悬液在液流压力作用下从样品

5、管射出； 鞘液由鞘液管从四周流向喷孔，包围在样品外周后从喷嘴射出。为了保证液流是稳液，一般限制液流 速度u10m/s。由于鞘液的作用，被检测细胞被限制在液流的轴线上。流动室上装有压电晶体，受到 振荡信号可发生振动。激光源和光学系统经特异荧光染色的细胞需要合适的光源照射激发才能发出荧光供收集检测。常用的光源有弧光灯 和激光；激光器又以氩离子激光器为普遍,也有配和氪离子激光器或染料激光器。光源的选择主要根 据被激发物质的激发光谱而定。汞灯是最常用的弧光灯，其发射光谱大部分集中于300400nm，很 适合需要用紫外光激发的场合。氩离子激光器的发射光谱中，绿光514nm和蓝光488nm的谱线最强，约占

6、总光强的80%；氪离子激光器光谱多集中在 可见光部分，以647nm较强。免疫学上使用的一些荧 光染料激发光波长在550nm以上，可使用染料激光器。将有机染料做为激光器泵浦的一种成份，可使 原激光器的光谱发生改变以适应需要即构成染料激光器。例如用氩离子激光器的绿光泵浦含有 Rhodamine6G水溶液的染料激光器，则可得到550650nm连续可调的激光，尤在590nm处转换效率最 高，约可占到一半。为使细胞得到均匀照射，并提高分辨率，照射到细胞上的激光光斑直径应和细胞 直径相近。因此需将激光光束经透镜会聚。光斑直径 d可由下式确定：d=4入f/n Do入为激光波长； f为透镜焦距；D为激光束直径

7、。色散棱镜用来选择激光的波长，调整反射镜的角度使调谐到所需要 的波长入。为了进一步使检测的发射荧光更强，并提高荧光讯号的信噪比，在光路中还使用了多种滤 片。带阻或带通滤片是有选择性地使某一滤长区段的光线滤除或通过。例如使用525nm带通滤片只允许FITC （Fluoresceinisothiocyanate,异硫氰荧光素）发射的525nm绿光通过。长波通过二向色性 反射镜只允许某一波长以上的光线通过而将此波长以下的另一特定波长的光线反射。在免疫分析中常要同时探测两种以上的波长的荧光信号，就采用二向色性反射镜，或二向色性分光器，来有效地将各 种荧光分开。光电管和检测系统经荧光染色的细胞受合适的光

8、激发后所产生的荧光是通过光电转换器转变成电信号而进行测量 的。光电倍增管（PMT）最为常用。PMT的响应时间短，仅为ns数量级；光谱响应特性好，在200 900nm的光谱区，光量子产额都比较高。光电倍增管的增益从10到10可连续调节，因此对弱光测量十分有利。光电管运行时特别要注意稳定性问题，工作电压要十分稳定，工作电流及功率不能太大。 一般功耗低于0.5W ；最大阳极电流在几个毫安。此外要注意对光电管进行暗适应处理，并注意良好 的磁屏蔽。在使用中还要注意安装位置不同的 PMT，因为光谱响应特性不同，不宜互换。也有用硅光 电二极管的，它在强光下稳定性比PMT好。从PMT输出的电信号仍然较弱，需要

9、经过放大后才能输入分析仪器。流式细胞计中一般备有两类 放大器。一类是输出信号辐度与输入信号成线性关系，称为线性放大器。线性放大器适用于在较小范 围内变化的信号以及代表生物学线性过程的信号，例 DNA测量等。另一类是对数放大器，输出信号和 输入信号之间成常用对数关系。在免疫学测量中常使用对数放大器。因为在免疫分析时常要同时显示 阴性、阳性和强阳性三个亚群，它们的荧光强度相差 12个数量级；而且在多色免疫荧光测量中, 用对数放大器采集数据易于解释。此外还有调节便利、细胞群体分布形状不易受外界工作条件影响等优点。计算机和分析系统经放大后的电信号被送往计算机分析器。多道的道数是和电信号的脉冲高度相对应

10、的，也是和光 信号的强弱相关的。对应道数年纵坐标通常代表发出该信号的细胞相对数目。多道分析器出来的信号 再经模数转换器输往微机处理器编成数据文件，或存贮于计算机的硬盘和软盘上，或存于仪器内以 备调用。计算机的存贮容量较大，可存贮同一细胞的 68个参数。存贮于计算机内的数据可以在实 测后脱机重现，进行数据处理和分析，最后给出结果。除上述四个主要部分外，还备有电源及压缩气 体等附加装置。211 信号的产生、转换和传输 在压力作用下，鞘液管中的鞘液被持续不断地压入流动室，形成一股 稳定地连续的液流，保证了样本液稳定地处于鞘液液流的轴线上，并以单个细胞形式直线通过激光照射区。 激光照射区又称测量区，是

11、指液流与激光束垂直相交的点。当细胞携带荧光素标记物（每种物质携带的标 记物不同吗?）通过激光照射区时，产生代表细胞内部不同物质、不同波长的荧光信号，这些信号以细胞为 中心，向空间 360立体角发射，产生散射光和荧光信号。散射光不依赖任何细胞样品的制备技术，因此 被称为细胞的物理参数或固有参数。散射光又包括前向角散射和测向角散射。前向角散射与被测细胞直径 的平方密切相关，测向角散射光对细胞膜、胞质、核膜的折射率更敏感，可提供有关细胞内精细结构和颗 粒性质的信息。荧光信号也有二种；一种是细胞自身在激光照射下发出的微弱荧光信号，另一种是经过特 异荧光素标记后的细胞受激发照射后得到的荧光信号。在免疫分

12、析中常要同时探测两种以上波长的荧光信号，就采用二向色性反射镜，或二向色性分光器，来有效地将各种荧光分开。经荧光染色的细胞受到适合的光激发后产生的荧光是通过光电转换器转变成电信号而进行测量的。最常用 的光电转换器是光电倍增管（PMT）。从PMT输出的电信号需要经过放大后才能输入分析仪器。流式细胞仪 中一般备有两类放大器。一类是线性放大器，其输出信号与输入信号成线性关系。线性放大器适用于在较 小范围内变化的信号以及代表生物学线性过程的信号，如 DNA 测量等。另一类是对数放大器，其输出信号 和输入信号之间成常用对数关系。在免疫学测量中常使用对数放大器。放大后的电信号被传送到计算机， 再经模一数转换

13、器传输到微机处理器形成数据文件，保存在计算机上。保存在计算机上的数据可在脱机后 再进行数据处理和分析。参数（例如：细胞的大小、形态、质膜和细胞内部结构）测量原理流式细胞仪可同时进行多参数测量，信息主要来自特异性荧光信号及非荧光散射信号。测量是在 测量区进行的，所谓测量区就是照射激光束和喷出喷孔的液流束垂直相交点。液流中央的单个细胞通 过测量区时，受到激光照射会向立体角为 2n（360）的整个空间散射光线，散射光的波长和入射 光的波长相同。散射光的强度及其空间分布与细胞的大小、形态、质膜和细胞内部结构密切相关，因 为这些生物学参数又和细胞对光线的反射、折射等光学特性有关。未遭受任何损坏的细胞对光

14、线都具 有特征性的散射，因此可利用不同的散射光信号对不经染色活细胞进行分析和分选。经过固定的和染色处理的细胞由于光学性质的改变，其散射光信号当然不同于活细胞。散射光不仅与作为散射中心的 细胞的参数相关，还跟散射角、及收集散射光线的立体角等非生物因素有关。在流式细胞术测量中，常用的是两种散射方向的散射光测量：前向角（即 0角）散射（FSC）；侧向散射（SSC ），又称90角散射。这时所说的角度指的是激光束照射方向与收集散射光信号的光 电倍增管轴向方向之间大致所成的角度。一般说来， 前向角散射光的强度与细胞的大小有关，对同种 细胞群体随着细胞截面积的增大而增大；对球形活细胞经实验表明在小立体角范围

15、内基本上和截面积 大小成线性关系；对于形状复杂具有取向性的细胞则可能差异很大，尤其需要注意。侧向散射光的测量主要用来获取有关细胞内部精细结构的颗粒性质的有关信息。侧向散射光虽然也与细胞的形状和大 小有关，但它对细胞膜、胞质、核膜的折射率更为敏感，也能对细胞质内较大颗粒给出灵敏反映。在实际使用中，仪器首先要对光散射信号进行测量。当光散射分析与荧光探针联合使用时，可鉴别出样品中被染色和未被染色细胞。光散射测量最有效的用途是从非均一的群体中鉴别出某些亚群。 荧光信号主要包括两部分：自发荧光，即不经荧光染色细胞内部的荧光分子经光照射后所发出 的荧光；特征荧光，即由细胞经染色结合上的荧光染料受光照而发出

16、的荧光，其荧光强度较弱，波长也与照射激光不同。自发荧光信号为噪声信号，在多数情况下会干扰对特异荧光信号的分辨和测量。 在免疫细胞化学等测量中，对于结合水平不高的荧光抗体来说，如何提高信噪比是个关键。一般说来， 细胞成分中能够产生的自发荧光的分子（例核黄素、细胞色素等）的含量越高，自发荧光越强；培养 细胞中死细胞/活细胞比例越高，自发荧光越强；细胞样品中所含亮细胞的比例越高，自发荧光越强。减少自发荧光干扰、提高信噪比的主要措施是：尽量选用较亮的荧光染料；选用适宜的激光和滤片光学系统；采用电子补偿电路，将自发荧光的本底贡献予以补偿。212 流式细胞仪分选原理 并不是所有的流式细胞仪都具有分选功能。流式细胞仪的分选功能是由细 胞分选器来完成的。由喷嘴射出的液流柱在电信号作用下发生振动，断裂形成均匀的小液滴。根据选定的 某个参数由逻辑电路判明是否将被分选，而后由充电电路对选定细胞液滴充电，带电液滴