1 流式細胞儀的概念及其發(fā)展歷史
1．1 流式細胞儀的基本概念流式細胞儀（flow cytonletry，FCM）是對高速直線流動的細胞或生物微粒進行快速定量測定和分析的儀器，主要包括樣品的液流技術(shù)、細胞的計數(shù)和分選技術(shù)，計算機對數(shù)據(jù)的采集和分析技術(shù)等。流式細胞儀以流式細胞術(shù)為理論基礎，是流體力學、激光技術(shù)、電子工程學、分子免疫學、細胞熒光化學和計算機等學科知識綜合運用的結(jié)晶。流式細胞術(shù)是一種自動分析和分選細胞或亞細胞的技術(shù)。其特點是：測量速度快、被測群體大、可進行多參數(shù)測量，即對同一個細胞做有關(guān)物理、生物化學特性的多參數(shù)測量，且在統(tǒng)計學上有效。
1．2 流式細胞儀的發(fā)展簡史早的流式細胞儀雛形誕生于1934年，Moldavan提出使懸浮的單個血紅細胞流過玻璃毛細管，在亮視野下用顯微鏡進行計數(shù)，并用光電記錄裝置測量的設想。1953年Crosland —Taylor根據(jù)牛頓流體在圓形管中流動規(guī)律設計了流動室。其后又經(jīng)過Coulter Parker Horst Kamentsky1 Gohde、Fulwyler Herzen—berg等人的不斷改進，設計了光電檢測設備和細胞分選裝置、完成了計算機與流式細胞儀的物理連接及多參數(shù)數(shù)據(jù)的記錄和分析、開創(chuàng)了細胞的免疫熒光染色及檢測技術(shù)、推廣流式細胞儀在臨床上的應用?。近20年來，隨著流式細胞儀及其檢測技術(shù)和的13臻完善，人們越來越于樣品制備、細胞標記、軟件開發(fā)等方面的工作，以擴大FCM的應用領(lǐng)域和使用效果。*根的《流式細胞術(shù)的原理和應用》是迄今為止對流式細胞儀及其技術(shù)闡述的為詳盡和透徹的中文著作。這本書非常詳細地介紹了流式細胞術(shù)的歷史、結(jié)構(gòu)、原理、技術(shù)指標等，例舉了其在醫(yī)學和生物工程中的應用，非常適合從事此方面專業(yè)研究的人。由于這本書是13年前出版的，所以基本上沒有涉及植物流式細胞儀檢測技術(shù)。此外對于只需要對流式細胞儀有些基本認識的人士來說，這本書太復雜太深奧。謝小梅 主要介紹了流式細胞儀在生物工程中的應用。楊蕊 概括了流式細胞儀的工作原理，簡單提及了流式細胞儀的應用。本文在分析這三篇論著或文章的優(yōu)缺點后，用比較通俗的語言介紹了掌握流式細胞儀檢測技術(shù)必須了解的一些原理，并對目前市場上的主流型號進行了客觀的性能概括。
2 流式細胞儀的工作原理和技術(shù)指標
2．1 流式細胞儀工作原理 除電源外，流式細胞儀主要由四部分組成：流動室和液流系統(tǒng)：激光源和光學系統(tǒng)；光電管和檢測系統(tǒng)；計算機和分析系統(tǒng)，其中流動室是儀器的核心部件。這四大部件共同完成了信號的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)娜蝿铡?/span>
2．1．1 信號的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換和傳輸在壓力作用下，鞘液管中的鞘液被持續(xù)不斷地壓入流動室，形成一股穩(wěn)定地連續(xù)的液流，了樣本液穩(wěn)定地處于鞘液液流的軸線上，并以單個細胞形式直線通過激光照射區(qū)。激光照射區(qū)又稱測量區(qū)，是指液流與激光束垂直相交的點。當細胞攜帶熒光素標記物通過激光照射區(qū)時，產(chǎn)生代表細胞內(nèi)部不同物質(zhì)、不同波長的熒光信號，這些信號以細胞為中心，向空間360。立體角發(fā)射，產(chǎn)生散射光和熒光信號。散射光不依賴任何細胞樣品的制備技術(shù)，因此被稱為細胞的物理參數(shù)或固有參數(shù)。散射光又包括前向角散射和測向角散射。前向角散射與被測細胞直徑的平方密切相關(guān)，測向角散射光對細胞膜、胞質(zhì)、核膜的折射率更敏感，可提供有關(guān)細胞內(nèi)精細結(jié)構(gòu)和顆粒性質(zhì)的信息。熒光信號也有二種；一種是細胞自身在激光照射下發(fā)出的微弱熒光信號，另一種是經(jīng)過特異熒光素標記后的細胞受激發(fā)照射后得到的熒光信號。在免疫分析中常要同時探測兩種以上波長的熒光信號，就采用二向色性反射鏡，或二向色性分光器，來有效地將各種熒光分開。
經(jīng)熒光染色的細胞受到適合的光激發(fā)后產(chǎn)生的熒光是通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成電信號而進行測量的。常用的光電轉(zhuǎn)換器是光電倍增管（PMT）。從PMT輸出的電信號需要經(jīng)過放大后才能輸入分析儀器。流式細胞儀中一般備有兩類放大器。一類是線性放大器，其輸出信號與輸入信號成線性關(guān)系。線性放大器適用于在較小范圍內(nèi)變化的信號以及代表生物學線性過程的信號，如DNA測量等。另一類是對數(shù)放大器，其輸出信號和輸入信號之間成常用對數(shù)關(guān)系。在免疫學測量中常使用對數(shù)放大器。
放大后的電信號被傳送到計算機，再經(jīng)模一數(shù)轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)轿C處理器形成數(shù)據(jù)文件，保存在計算機上。保存在計算機上的數(shù)據(jù)可在脫機后再進行數(shù)據(jù)處理和分析。
2．1．2 流式細胞儀分選原理并不是所有的流式細胞儀都具有分選功能。流式細胞儀的分選功能是由細胞分選器來完成的。由噴嘴射出的液流柱在電信號作用下發(fā)生振動，斷裂形成均勻的小液滴。根據(jù)選定的某個參數(shù)由邏輯電路判明是否將被分選，而后由充電電路對選定細胞液滴充電，帶電液滴攜帶細胞通過靜電場而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，落入收集器中。使用不同孔徑的噴孔及改變液流速度，可能會改變分選效果。從參數(shù)測定經(jīng)邏輯選擇再到脈沖充電需要一段延遲時間。測定延遲時間是決定分選質(zhì)量的關(guān)鍵，可根據(jù)具體要求進行適當調(diào)整。 2．1．3 數(shù)據(jù)的顯示和分析數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)的顯示和分析。單參數(shù)直方圖是使用多的圖形顯示形式，既可用于定性分析，又可用于定量分析。單參數(shù)直方圖是由x、Y二方向組成的二維平面圖。橫座標x是所測的熒光或散射光的強度，用“道數(shù)”（Channel No．）來表示。選擇的放大器類型不同，標度不同?？v座標Y通常表示被測細胞的數(shù)目。正常情況下，數(shù)據(jù)分析得到的圖形為具有一個或若干個峰的曲線圖。對曲線圖的解釋應該具體問題具體分析。
除直方圖外，數(shù)據(jù)顯示方式還包括二維點圖、二維等高圖、假三維圖和列表模式等。二維點圖也是比較常用的數(shù)據(jù)顯示類型。它顯示兩個獨立參數(shù)與細胞相對數(shù)之間的關(guān)系，也是二維平面圖，橫縱坐標可以根據(jù)自己選定的被測參數(shù)自行決定，點的位置表明了細胞和顆粒具有的二個被測參數(shù)的數(shù)值。二維點圖所提供的信息量要大于單參數(shù)直方圖。
數(shù)據(jù)分析的方法大體可分為參數(shù)法和非參數(shù)法兩大類。當被檢測的生物學系統(tǒng)能夠用某種數(shù)學模型時則多使用參數(shù)方法。非參數(shù)分析法不用對顯示的圖像做任何假設，也不采用數(shù)學模型，分析程序可以很簡單．也可能很復雜。臨床醫(yī)學較常使用非參數(shù)分析法。
2．2 流式細胞儀性能的技術(shù)指標流式細胞儀性能的技術(shù)指標主要有熒光分辨率、熒光靈敏度、適用樣品濃度、分選純度等。熒光分辨率是指分辨兩個相鄰峰的小距離，通常用變異系數(shù)（CV值）來表示?，F(xiàn)在市場上主流型號出廠時的熒光分辨率應該小于2.0％。熒光靈敏度反映了儀器探測小熒光光強的能力。一般用熒光微球上可測出的FITC的少分子數(shù)來表示。目前儀器均可達到1000左右。儀器工作時樣品濃度一般在105—107細胞／m1。分析速度／分選速度是指流式細胞儀每秒種可分析或分選的顆粒數(shù)目。一般分析速度為5000—10000，分選速度控制在1000以下。
流式細胞儀測量的數(shù)據(jù)是相對值，因此需要在使用前對系統(tǒng)進行校準或標定。流式細胞儀的校準有二個目的，即儀器的準直調(diào)整和定量標度。通常使用標準微球作為非生物學標準樣品，雞血紅細胞做為生物學標準樣品。
3 主流流式細胞儀型號及其特性介紹
目前擁有市場較大份額的公司是美國的BD（Becton— Dickinson）公司、Beckman—Coulter公司（原名稱Cou1．ter）和德國的Partec公司。
3．1 BD公司流式細胞儀介紹BD公司生產(chǎn)的流式細胞儀都冠以FACs（fluorescence activated cell sorter），即熒光激活細胞分選器。其型號種類比較齊全，如早期的FAC．Sort、FACS Canto、FACSean，?，F(xiàn)在市場上供應的型號有五種：FACSCount（小型流式細胞儀）、FACSCAlibur（流式細胞儀）、FACSAfia（流式細胞分選儀）、FACSVantage SE（多色分析和高速分選流式細胞儀）、LSRII（數(shù)字化分析型流式細胞儀）。
FACSCount為計數(shù)淋巴細胞CD3，CD4，CD8數(shù)而設計的。FACSCalibur是全自動多色流式系統(tǒng)，偏重于臨床，其整體設計幫助臨床醫(yī)生快速實現(xiàn)常規(guī)免疫表型、CD4T細胞計數(shù)、DNA、網(wǎng)織紅細胞、血小板等臨床分析，兼具分選功能。配備有二根激光管，可同時檢測4個熒光參數(shù)?？勺R別粘聯(lián)細胞。
BD FACSAfia流式細胞分選儀為臺式高速細胞分選儀，獲取速度達70，000細胞/s，分析速度達50，000細s。使用石英杯流動檢測池固定光路校準技術(shù)。使用三種激光，多色分析，分析參數(shù)可達15色。兩管或四管分選，可以使用多種規(guī)格的收集管。液流監(jiān)測系統(tǒng)白動監(jiān)測液流斷點，檢查堵塞，實現(xiàn)了細胞分選的無人操作。配件BDACDU裝置，可以在微孔板或載波片上定量分選細胞。FACSVantage SETM是在FACSVantage的細胞分選功能基礎上推出的分選增強型流式細胞儀。六色熒光分析系統(tǒng)，點對點分選，配置FACS Diva數(shù)字化系統(tǒng)，提供的配套試劑。速度和功能優(yōu)于FACSVantage。
BD LSR II是LSR的數(shù)字化升級版，其性能介于FACSVantage SE和FACS Calibur之間，是專為生命科學研
究設計的臺式機。配備固定校準的紫外激光，四種激光立體空間激發(fā)、十色熒光同時分析、電子系統(tǒng)數(shù)字化、比較易學易用。
3．2 Beckman—Coulter公司流式細胞儀介紹 Beckman— Coulter公司生產(chǎn)的流式細胞儀以Profile（早期，現(xiàn)已停產(chǎn)）和EPICS系列為代表，近年又推出了Cytomics FC500系列。EPICS系列是大型流式細胞儀，目前市場上有XL、XL—MCL和ALTRA三種型號，其中ALTRA具有分選功能，適用于免疫學、細胞生理、分子生物學、遺傳學、微生物學、水質(zhì)分析和植物細胞分析。Cytomics FC500系列流式細胞儀體積小，可自動進行5種顏色的分析，適用于免疫學檢測，如人類HIV診斷。特別是FC50OMPL的*設計可以在同一系統(tǒng)上使用12×
3．3 Partee公司流式細胞儀介紹 與BD和Becman—Coutler公司的產(chǎn)品相比，德國Partee公司生產(chǎn)的流式細胞儀的共同特點是體積小，造價低，易操作，便于攜帶，適合植物學研究，適合邊遠地區(qū)和發(fā)展中國家。德國Partec公司的產(chǎn)品分為三類：CCA家族、PAS家族和CyFlow家族（Galaxy為早期產(chǎn)品，已停產(chǎn)）。CCA家族包括細胞計數(shù)分析儀CCA和倍性分析儀PA—I。它是單或雙參數(shù)的臺式小型機，可以進行一些常規(guī)分析，如核DNA測定（檢測倍性或細胞周期）、細胞計數(shù)、細胞凋亡。它的特點是體積小，易操作，價格低，檢測范圍廣，可以檢測多種熒光素（如PI、DAPI、Fluorescein）發(fā)出的熒光。PAS家族包括粒子分析系統(tǒng)PAS、粒子分析系統(tǒng)III（PAS—III）和倍性分析儀PA—II。提供三種激光器的三種組合，可檢測十余種熒光染料。多可檢測和記錄八個獨立熒光參數(shù)。
倍性分析儀PA能夠在2分鐘內(nèi)自動測量植物的倍性水平，檢測異倍體?？梢詫θ~片、幼苗、種子、果皮、根、花等植物材料進行分析。在大多數(shù)植物中，異倍體染色體的檢測分辨率為±1條染色體。PA—I使用HBO一100汞燈，屬于弧光燈，可產(chǎn)生紫外激發(fā)光和藍光。PA—II中增加了488 am氬離子激光器，能夠檢測幾乎所有的熒光染料，如DAPI，Hoeehst，PI，EB，MMC，FITC，FDA等。汞燈發(fā)光是電流經(jīng)過氣體時，氣體電離產(chǎn)生的。它能提供佳的激發(fā)波長。
CyFlow（R）SL配備三種激光管，可應用于諸如人類健康、微生物學、工業(yè)應用、過程控制、生態(tài)學等研究。如HIV掃描中免疫標記細胞計數(shù)、食品處理過程中的微生物計數(shù)、細胞凋亡等。它使用l2 V直流電，特別適合邊遠地區(qū)和發(fā)展中國家。
上20世紀80年代開始將流式細胞儀檢測應用到植物的研究中（Galbraith ，1983），眾多學者都認為流式細胞儀是一種、快速的檢測DNA含量的方法（Michae|son ，1991）。應用范圍主要是利用流式細胞儀研究屬內(nèi)、屬間多種植物的DNA含量（Baird ]，1994；Ja—cob[，1996；HALL ，2000）和倍性水平（Costich ，1993；Meng[101，2002）、檢測體細胞雜種（Pfosser? ，1995；Kel—ler[”，1996）和游離小孢子培養(yǎng)再生株（Kim¨3 ，2003）的DNA含量。過去我國應用這一檢測技術(shù)的植物研究工作者，且大多是在國外實驗室完成的。研究內(nèi)容包括植物生理Ⅲ 引、程序性死亡Ⅲ 、倍性鑒定mI2 等。植物研究中使用的流式細胞儀基本上都是Partec公司的產(chǎn)品，也有少量是BD公司生產(chǎn)的流式細胞儀。BD公司的產(chǎn)品主要定位于醫(yī)學研究與應用，與Partec產(chǎn)品相比，不太適合從事植物染色體倍性的鑒定。主要體現(xiàn)在不能提供植物樣品制備技術(shù)／試劑，數(shù)據(jù)獲取軟件可同時檢測到的倍性數(shù)目少。
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