细胞是生命体结构和生命活动的基本单元，细胞差异性是指细胞个体之间在基因调控、RNA转录、蛋白表达、形态、对外界刺激的感受性及由此体现出的功能方面的差异性。即使含有同样的遗传物质和处于同样周边环境的细胞也可能朝着不同方向发展，有时还会生成不同的功能。从集合或者整体的角度分析细胞差异称为细胞的多样性；而从单个细胞角度考虑则为单细胞差异性或者异质性。通过细胞群体分析获得的统计平均结果具有一定意义，但是掩盖了单个细胞之间的差异；在单个细胞水平上进行研究，可以获得反应细胞生理状态和过程的更准确、更全面的信息，更深入认识细胞个体差异，细胞间相互作用和信息传递以及神经递质、药物或毒物刺激的生理影响等更深层次的信息。细胞差异性可归因于其基因表达的变化或信号分子水平的波动，而这种内在噪音的波动密切受到其所处微环境的影响。

研究细胞差异性分析一方面是发展检测手段监测单细胞基因、蛋白、细胞形态及功能方面差异，另一方面是研究细胞所处不同微环境如何影响差异性的产生。随着分析手段的进展，细胞差异性分析的研究着重于单细胞差异性分析，依赖于单细胞分析技术。单细胞分析是分析化学、生物学和医学之间渗透发展形成的跨学科前沿领域。

单细胞操纵是单细胞分析的基础，操纵单细胞的方法主要有接触法和非接触法两种。随着芯片技术发展，微流控芯片为细胞的传输及定位等操纵提供了一种优良的平台，操纵细胞主要基于电动及流体动力两大类。D.J.哈里森采用电渗驱动方式最早实现了群体细胞在芯片通道中的传输。可以预见，微流控芯片技术必将在单细胞的操纵中发挥越来越重要的作用。

微流控芯片技术是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上自动完成分析全过程。微流控芯片用于单细胞分析，可将包括细胞的培养、分选、操纵、溶胞、分离及检测等多个步骤集成在一块芯片上。微流控芯片结合纳米量子点及纳米技术的应用正处于迅速发展时期。除集成单细胞分析手段，微流控芯片还利于构建细胞微环境用于研究单细胞差异性产生的微环境影响因素。

早期是将毛细管电泳安培检测用于单细胞分析。此后，毛细管电泳单细胞分析还采用灵敏度高的激光诱导荧光检测、化学发光检测、微型免疫检测及放射法检测。但是，毛细管电泳与质谱联用受到灵敏度的限制，较少用于单细胞分析。

观察细胞图像可获取直观的细胞差异性分析结果，观测的仪器包括一般的荧光显微镜，更高分辨率的激光共聚焦荧光显微镜，具有穿透深、自荧光影响小、活细胞的光损伤小、可长时间观测多光子激发荧光显微镜，可获得单个活细胞膜上单分子图像的全内反射荧光显微镜及扫描近场光学显微镜，以及监测活细胞动态变化的荧光相关光谱技术、扫描电化学显微镜、原子力显微镜。实时动态监测对研究单细胞差异性具有重要意义。超微电极电化学方法是应用于实时监测单细胞释放的主要手段，荧光方法也是实时监测单细胞释放的强有力工具。高时间及高空间分辨动态监测活细胞内分子反应过程对全面深入理解生物系统及生命本质具有决定性作用。随着分析手段的进步，尤其是荧光分子探针以及高分辨显微成像技术的发展，使实时跟踪、动态监测单个细胞内分子及生化反应成为可能，各种荧光探针能够深入细胞内部研究特定区域的分子反应过程。量子点（又称荧光半导体纳米晶体）从电子材料科学到生物应用已取得很大进展。量子点的合成、水溶性、功能化及其成功用于细胞探测等方面都有显著成果，包括观察活细胞中单分子扩散、单分子反应过程、高分辨细胞成像、活体中长时间观察细胞交流以及肿瘤诊断等。但量子点不能完全取代荧光试剂或荧光蛋白，需相互补充。应发挥量子点更好的光稳定性、近红外发射性能、可超长时间检测及达到单分子的灵敏度等优势。量子点用于探测活细胞已显示出广阔的应用前景。

分析工具的快速发展，比如单细胞测序、微流控芯片、单细胞蛋白质组学和转录组学以及高内涵成像等，有助于细胞差异性分析的研究。