拉曼你懂，流式你也熟，那“拉曼流式”呢？一项让细胞从此告别“贴标签”的黑科技
2026.05.06
做细胞实验的人大概都有过这种崩溃：辛辛苦苦养的细胞，为了做流式分选，得先折腾大半天染荧光；染完了发现细胞死了一半，剩下的也被抗体折腾得半死不活；好不容易拿到数据，又因为荧光串色，对着补偿矩阵调到怀疑人生。更别提那些根本染不上荧光的厚壁细菌、微藻，还有绝对不能碰任何外源物质的治疗用干细胞。传统荧光流式在这些场景里，简直是 "巧妇难为无米之炊"。
配图说明：完整展示了传统流式的核心流程：细胞经荧光抗体标记后，在鞘液包裹下单列通过激光检测区，通过收集荧光信号识别细胞，再通过电场偏转实现分选。来源：《Raman Flow Cytometry and Its Biomedical Applications》https://doi.org/10.3390/bios14040171
好在常规拉曼流式细胞术（自发拉曼流式）的出现，彻底打破了这个僵局。它把拉曼光谱能 "看穿" 细胞化学组成的本事，和流式细胞术高通量单细胞操控的优势捏在了一起，让我们不用给细胞贴任何标签，就能看清每个细胞的真实面目，还能精准把想要的细胞挑出来。现在，这项技术已经成了无标记细胞分析领域最硬核的方向之一，正在悄悄改变很多生物医学研究的玩法。
图：单细胞生物分析技术概述
配图说明：该图将所有单细胞技术清晰划分为 "间接标记法"（荧光成像、FACS）和 "直接检测法"（拉曼成像、拉曼激活细胞分选 RACS）两大类，直观展示了拉曼技术无需外源标记的核心优势，也是它能解决传统流式所有痛点的根本原因。来源：《Single cell Raman spectroscopy for cell sorting and imaging》DOI 10.1016/j.copbio.2011.11.019其实原理说穿了特别接地气：每个细胞里的蛋白质、脂质、核酸、碳水化合物这些东西，分子振动的频率都是独一无二的。就像每个人的指纹不一样，不同分子被激光照到的时候，散射出的光频率的变化也不一样，这就是1928年发现的拉曼效应。传统荧光流式是靠你提前贴上去的荧光染料发光来识别细胞，相当于给每个细胞戴个有颜色的帽子，然后数帽子认人。而拉曼流式直接 "读" 细胞本身的分子振动信号，不用任何外源标记。比如看到 2850 cm⁻¹ 的强峰，就知道这个细胞里脂质含量高；看到 1655 cm⁻¹ 的峰，对应蛋白质的酰胺键；看到 1001 cm⁻¹ 的特征峰，那就是苯丙氨酸。把这些峰拼在一起，就是每个细胞独一份的 "化学身份证"，不仅能区分细胞类型，还能精准判断它的代谢状态、分化阶段，甚至有没有发生癌变。《Raman Flow Cytometry and Its Biomedical Applications》 10.1016/j.copbio.2011.11.019上图全球第一台拉曼流式的经典系统架构，也是目前所有常规拉曼流式的基础。核心组件包括 532nm 激发激光器、微流控芯片、聚焦与收集物镜、光栅光谱仪和高灵敏度 CCD 探测器。细胞在微流控通道中单列通过激光焦点，系统实时采集每个细胞的全光谱拉曼信号，经计算机解析后完成细胞识别与分选。整个流程和传统流式大同小异：细胞在鞘液的包裹下排成单列，挨个通过激光检测区。只不过原来收集荧光信号的地方，换成了拉曼光谱仪和高灵敏度的 CCD 探测器。系统会给每个细胞拍一张 "光谱快照"，电脑一秒钟就能解析出它的化学组成，然后根据你设定的筛选条件，用微流控、介电泳或者光镊技术，把目标细胞精准分到收集管里。当然，早期的拉曼流式也特别拉胯。因为自发拉曼信号天生就弱，只有约百万分之一的光子会发生非弹性散射，所以最早 2008 年问世的第一台拉曼流式，测一个细胞要好几秒，一小时才能测几千个，根本没法和传统流式每秒十万个的速度比。不过这十几年里，大家一直在死磕技术：从优化激光功率和光学系统，到用微流控技术让细胞更精准地通过激光焦点，再到开发更高效的信号降噪算法，现在成熟的常规拉曼流式系统，比如 2023 年推出的，已经能做到每分钟分析 30 个癌细胞，虽然还是比荧光流式慢，但已经能满足大部分科研场景的需求了。说白了，拉曼流式所有的好处，都来自这五个字。这一下就解决了传统荧光流式几十年都没搞定的几个老大难问题。首先，它能告诉你的信息多太多了。传统流式最多同时测十几个指标，还都是你提前想好要测的特定蛋白，相当于拿着一张清单去核对，清单上没有的东西，你根本发现不了。而拉曼流式一上来就给你一张全光谱，几十上百个峰，从核酸、蛋白质到脂质、代谢物，细胞里有什么、有多少，全都一目了然。它不是在 "找你已知的东西"，而是在 "告诉你细胞里有什么"。比如同样是乳腺癌细胞，有的脂质代谢异常旺盛，有的核酸合成速度快，这些代谢上的细微差别，荧光流式根本看不出来，但拉曼流式一眼就能分辨，还能据此把不同亚型的癌细胞分开。其次，它什么细胞都能测。那些厚壁的金黄色葡萄球菌、肺炎链球菌，荧光抗体根本穿不透它们的细胞壁；肿瘤微环境里的低氧细胞，pH 值不对，荧光标记根本结合不上；还有 CAR-T 细胞、诱导多能干细胞（iPSCs）这些要用到人身上的治疗细胞，谁敢往里面加外源抗体啊？万一引发免疫反应，后果不堪设想。这些传统流式搞不定的硬骨头，拉曼流式全都能轻松拿下。而且因为不用对细胞做任何固定、透化处理，测出来的结果才是细胞最真实的生理状态，不会因为标记过程引入任何误差。更重要的是，它对细胞特别友好。荧光标记不仅要折腾细胞，还要用高能量的紫外光激发，很多细胞扛不住这通折腾，测完就死了。而拉曼流式用的是低光毒性的激光，也不用对细胞做任何预处理，分选出来的细胞活蹦乱跳的，拿回去就能继续培养、扩增，甚至直接用于后续的功能实验。这对干细胞研究来说简直是救命的优势，毕竟你总不能把死细胞拿去做分化实验，更不能打到病人身上。还有一个特别实用的点：它不会光漂白。荧光染料照几次就不亮了，长时间动态监测根本做不了。但拉曼信号是分子本身的固有性质，只要分子还在，信号就永远不会消失。你可以连续监测细胞培养好几天，看着它们慢慢分裂、分化、代谢变化，这是荧光技术想都不敢想的。正是因为这些无可替代的优势，常规拉曼流式现在已经渗透到了生物医学的各个角落，解决了很多以前根本解决不了的问题。配图说明：该图直观展示了拉曼流式最成熟的三个应用方向：(a) 癌细胞的无标记检测与分类；(b) 基于分子特征的干细胞精准分选；(c) 微生物细胞的代谢状态分析与亚群区分。这三个方向也是目前常规拉曼流式在科研中使用最广泛的领域。来源：《Raman Flow Cytometry and Its Biomedical Applications》https://doi.org/10.3390/bios14040171
在癌症研究里，它成了解析肿瘤异质性的利器。不用找什么稀有的肿瘤标志物，直接看癌细胞的代谢特征就能把它们区分开。2023 年中科院团队开发的 pDEP-DLD-RFC 系统，通过全光谱单细胞拉曼分析，成功区分了膀胱癌、肺癌、肾癌和乳腺癌等多种癌细胞系，还能精准识别不同代谢状态的癌细胞亚群。这不仅能帮助我们更深入地理解癌症的发生发展机制，还能为个性化治疗提供依据 ，毕竟不同代谢亚型的癌细胞，对药物的反应也不一样。https://doi.org/10.1002/advs.202207497
在干细胞治疗领域，它更是成了质量控制的关键技术。干细胞的异质性一直是个大麻烦，同一批培养的干细胞，有的能分化成心肌细胞，有的能分化成神经细胞，还有的根本不会分化，传统方法根本没法区分。用拉曼流式，只要看细胞里蛋白质、脂质和核酸的比例，就能精准挑出那些多能性最好、分化潜力最强的干细胞，而且分选出来的细胞完全没有被外源物质污染，直接就能用在后续的细胞治疗研究中。做微生物的人更是把它当成了宝贝。以前鉴定细菌要先培养好几天，很多环境中的细菌还根本养不活，导致我们对 99% 以上的微生物一无所知。现在用拉曼流式，直接把环境样本或者临床样本滴上去，不用培养，就能逐个分析每个细菌的化学组成，几分钟就能知道里面有什么菌。结合重水标记技术，还能通过 2000-2300 cm⁻¹ 的 C-D 特征峰，快速识别哪些细菌是活的、代谢活跃的，哪些已经产生了抗生素耐药性。以前要等两三天才能出的药敏结果，现在几个小时就能搞定，病人能早好几天用上对症的抗生素。还有药物研发，以前筛药都是简单粗暴地看细胞死没死，根本不知道药物是怎么起作用的。现在用拉曼流式，能直接看到药物处理后细胞内各种生物分子的变化，知道药物到底影响了哪个代谢通路，有没有脱靶效应。这不仅能加快新药研发的速度，还能提前发现药物的毒副作用，减少临床试验的失败率。当然，常规拉曼流式也不是完美的，现在还有几个坎没迈过去。最头疼的还是信号弱、灵敏度低，低丰度的生物分子，比如细胞里的信号蛋白、小分子药物，浓度太低的话，拉曼信号就会被背景噪声淹没，根本测不到。还有通量问题，虽然现在已经比早期提高了很多，但和传统荧光流式每秒十万个的速度比，还是差了好几个数量级，筛大样本库的时候还是有点力不从心。另外，现在的拉曼流式仪器操作也需要一定的专业知识，普通实验室还没法像荧光流式那样普及。不过这些问题都在慢慢解决。现在大家在搞各种信号增强技术，比如优化激光聚焦系统、开发更高灵敏度的探测器，还有用机器学习算法来降噪和解析光谱，以后灵敏度和速度肯定会越来越高。仪器也在往小型化、自动化的方向走，说不定再过几年，每个实验室都能有一台操作简单、价格亲民的拉曼流式。其实回头看，荧光流式从发明到普及，也花了几十年的时间。常规拉曼流式现在才发展了十几年，就已经取得了这么大的突破，未来的潜力不可限量。它不仅是一项更好的细胞分析技术，更是给了我们一个全新的视角去看细胞，不用再隔着荧光标签去猜细胞的状态，而是直接看到它们最真实的化学本质。也许再过十年，我们再回头看现在的荧光流式，就像现在看黑白电视一样古老。而拉曼流式，将会成为下一代细胞分析的标配，带领我们发现更多生命的奥秘。
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