血液检测是临床分析多种疾病的一种有效方法。近年来,血液循环系统中出现了两种重要的生物标志物,即循环肿瘤细胞（Circulating tumor cells,CTCs）和胎儿有核红细胞（Fetal nucleated red blood cells,fNRBCs）。通过对CTCs或fNRBCs进行检测、富集和分析,可以分别应用于非侵袭性的癌症诊断和无创产前诊断（Non-invasive prenatal diagnosis,NIPD）。据研究,CTCs是一类从原发或转移性肿瘤灶脱落,进入外周血中循环的肿瘤细胞,数量极其稀少且通常具有较大地形成新的肿瘤转移灶的潜能。临床上,对癌症患者外周血中的CTCs进行计数能够作为多种癌症的重要预后指标。进一步地,对CTCs进行细胞基因组、转录组和蛋白质组分析,可以促进肿瘤转移机制的深入研究。此外,对CTCs进行体外培养,可以用于个性化药物反应测试研究。与CTCs类似,孕妇外周血中的fNRBCs数量非常稀少。这类细胞直接来源于胎儿并包含全部的胎儿基因组信息,可应用于胎儿先天性疾病的检测与诊断。然而,外周血中存在大量的白细胞（White blood cells,WBCs）和红细胞（Red blood cells,RBCs）,对检测和分选这两类稀有细胞进行生物医学应用造成了极大的干扰。随着微流控技术的发展,通过对微量流体的精确操作,微流控芯片能够从众多的血细胞中高效、纯净地分离出CTCs或fNRBCs,促进了这两种稀有细胞的生物医学应用。微流控芯片应用于稀有细胞富集和分选具有独特的优点:（1）芯片微通道的有限体积可以有效地缩减样品用量,提高反应速度;（2）微流体通道的几何尺寸与细胞的大小和形状非常匹配,能够实现单个细胞的固定和分析;（3）在微流控芯片中可以灵活地制造许多不同的微结构作为功能单元,提高分选效率;（4）小型化、集成化和自动化,具有较大的产业化潜能。本论文首先概括了CTCs和fNRBCs领域的研究进展,然后基于微流控技术,开展了对于这两种稀有细胞的分选工作,主要的工作内容如下:1.新型密度梯度离心方法分选胎儿有核红细胞用于无创产前诊断。首先,引入一种大尺寸、高密度的二氧化硅微球（30μm,2.0 g/m L）在其表面包裹一层生物可降解的明胶纳米薄膜,并嫁接上胎儿有核红细胞特异性识别抗体（抗CD147）。通过抗原抗体特异性识别作用,将靶细胞捕获在微球表面,从而扩大靶细胞与外周血中正常血细胞之间的密度差。然后,利用优化密度后的Percoll分离液（1.15.0 g/m L）将捕获有靶细胞的微球纯化并富集。最后,通过基质金属蛋白酶（MMP-9）对微球表面明胶纳米膜的降解作用,实现靶细胞的释放和回收。基于此方法,我们对不同孕周（10至30周）的孕妇外周血中fNRBCs进行了分选并计数,并结合荧光原位杂交技术,实现了胎儿染色体多倍体的诊断。2.新型微流控芯片结合纳米材料实现高灵敏度的胎儿有核红细胞检测。在这个工作中,我们提出一种特殊设计的微流控芯片,将优化的鱼骨结构与弯曲沟道相结合来产生微涡流作用,大大增强流体中的细胞与沟道内壁的碰撞几率和相互作用;同时,利用合成的明胶纳米颗粒在芯片内部形成粗糙纳米表面,一方面为抗体分子提供较多的结合位点,同时增强细胞贴附作用,另一方面有利于后续将捕获到的细胞从芯片内部进行释放回收。基于此芯片,我们成功从早孕阶段（7至13周）的孕妇外周血中分离出胎儿有核红细胞,并成功实现不同类型的胎儿染色体异常检测。这有利于实现基于胎儿有核红细胞的早期无创产前诊断。3.声液滴芯片应用于单个循环肿瘤细胞的可控释放与回收。首先,利用明胶纳米颗粒在玻璃衬底上制备出纳米芯片,并嫁接上CTCs特异性识别抗体（抗Ep CAM）,以实现对癌症患者外周血中CTCs的高效捕获;然后,利用声液滴芯片将含有MMP-9酶的氧化海藻酸钠溶液（OA-MMP-9）喷射到纳米基底上,通过对OA-MMP-9液滴的精准定位和尺寸控制,局部可控地降解纳米基底,最后经氯化钙溶液处理原位形成海藻酸钙凝胶球包裹住单细胞,从而实现单个靶细胞的定点释放与回收。通过优化纳米颗粒的浓度、孵育时间,达到了最优的捕获效果;通过调节脉宽参数,可控制OA-MMP-9液滴在纳米基底上的大小,进而得到不同粒径大小的凝胶球用于单个CTC的释放。基于最优的实验参数,我们采集乳腺癌患者的外周血进行CTCs的捕获与可控释放,并应用于后续的基因分析,成功检测出患者PIK3CA基因上的3140A/G（H1047R）突变。