摘要
细胞的分离与筛选是研究细胞功能的前提，可从单细胞水平揭示疾病发生发展
的机制，为临床提供新的治疗思路。尤其对肿瘤患者而言，筛选出肿瘤细胞并对其
进行早期准确检测具有重要的临床意义。传统的筛选方法如显微操作技术、流式细
胞仪存在视觉分辨率受限、成本高等缺点。微流控技术具有小型化、低成本等优势，
可以与多学科交叉，为细胞分选带来了新的机遇。现有的基于微流控的细胞筛选方
法存在对细胞进行标记影响活性、芯片结构复杂和限定细胞类型等问题。本文将光
纤与微流控芯片集成，设计了一种利用激光导向对细胞进行筛选的方法，搭建了激
光导向筛选细胞实验系统进行细胞分离实验。
首先对激光筛选细胞的原理进行了理论研究，采用麦克斯韦张量法分析计算细
胞所受激光辐射力，建立微通道内细胞受斯托克斯阻力及光辐射压力影响的偏移距
离计算公式，揭示了细胞偏移距离与激光功率和细胞直径之间的规律。
利用COMSOL软件建立了细胞筛选的仿真模型，耦合层流、电磁波以及流体流
动粒子追踪三个物理场进行数值模拟，确定了实验参数及条件。对单细胞流形成和
光压散射力进行了仿真实验，在此基础上成功分离了直径为7μm和15μm的两种粒
子。
在理论分析与仿真研究的基础上，研制了微流控芯片，经过对单模光纤的加工
与嵌入处理，实现了光纤和微流控芯片的一体化，并搭建激光导向细胞筛选实验系
统。应用所搭建的系统开展单细胞流形成及激光驱动实验，实验结果表明，细胞因
所受斯托克斯阻力过大无法在微通道中发生偏移。为了解决这一问题，将微流控芯
片的分离通道进行加宽处理以降低流体斯托克斯阻力的影响，最终成功分离酵母菌
细胞和聚苯乙烯小球。
为了探究细胞偏移规律，改变细胞直径和激光功率进行实验，分析实验结果可
以得出：保持其他条件不变，细胞偏移距离随着直径的增大而增加；对于同一直径
细胞，激光功率不断增大，细胞偏移距离亦随之增大，细胞的偏移距离和激光功率
近似呈正比。通过实验验证了本文所提激光导向筛选细胞方法的可行性，为基于微
流控技术的无损筛选提供了一种可行方案。
关键词：细胞筛选；微流控技术；激光导向；COMSOL；偏移规律
I
II
ABSTRACT
Theisolationandscreeningofcellsisaprerequisiteforthestudyofcellfunction,which
canrevealthemechanismsofdiseasedevelopmentatthesinglecelllevelandprovidenew
therapeuticideasfortheclinic.Especiallyfortumourpatients,itisclinicallyimportantto
screenfortumourcellsandtodetectthemearlyandaccurately.Traditionalscreeningmethods
suchasmicroscopicmanipulationtechniquesandflowcytometryhavethedisadvantagesof
limitedvisualresolutionandhighcost.Microfluidicshastheadvantagesofminiaturisation
andlowcost,andcanintersectwithmultipledisciplines,openingupnewopportunitiesfor
cellsorting.Existingmicrofluidic-basedcellscreeningmethodssufferfromproblemssuch
aslabellingofcellstoaffectactivity,complexchipstructuresandlimitedcelltypes.Inthis
thesis,wedesi