近年来,相关研究表明细胞具有显著的异质性,细胞异质性的生物信息为疾病诊断和治疗提供了非常重要的支撑作用。单细胞水平研究提供了细胞异质性的独特信息,有助于深入了解潜在的分子和结构变化如何改变细胞行为、发育和疾病过程。新兴的基于微流控芯片的单细胞蛋白组学分析方法可以实现细胞异质性的高通量、高灵敏和低成本评估;携带丰富母细胞信息的外泌体含有大量的蛋白分子,是肿瘤检测、治疗和预后的重要生物标志物。然而,通过外泌体表面蛋白分子探索细胞异质性的研究仍缺乏有效的表征和分析方法。本文针对这一课题,以电子科学与技术为基础,利用纳米材料自组装技术结合抗体空间编码芯片和微流控芯片,构建了高通量单细胞多表型外泌体检测平台,并开发了一种通用的数据分析框架,以探索细胞异质性。本文的主要研究内容如下:（1）构建了一种由高密度微腔阵列芯片和抗体空间编码芯片组成的微流控平台,用于高通量单细胞外泌体的表征分析。该平台可以对20种抗体进行编码,并实现对至少1000个单细胞的五种表型外泌体和两种细胞因子的同时检测,且具有时间序列上细胞异质性单细胞分析的潜力。基于纳米材料自组装技术制备的抗体空间编码芯片背景噪声低,抗体捕获率高,图案化后的抗体具有优异的均匀性,为高灵敏度检测提供了条件并减少了试剂消耗。将本平台应用于小体积临床样本,成功鉴别出卵巢癌患者和健康对照组。此外,表面改性的PDMS微腔阵列芯片可以高通量捕获单细胞,并保证了细胞的正常状态和生理特性。该平台的外泌体检测灵敏度提升到每个单细胞微腔3个外泌体颗粒。并且外泌体分泌强度分布显示,细胞群中存在稀有细胞,其外泌体分泌量是细胞群体平均分泌量的十倍之多,这在基于细胞群体水平的研究中很难被发现。（2）开发了聚类算法和热图相结合的标准化分析框架,用于解析单细胞蛋白组数据,包括数据预处理、可视化、聚类、相关性和差异表达分析等方法。利用该框架,在卵巢癌细胞中发现了肿瘤相关表型外泌体（HSP70+、EPCAM+）的功能性细胞亚群。利用层次聚类和PCA分析,揭示了外泌体分泌细胞和细胞因子分泌细胞的功能互斥性,二者分别由不同的功能细胞亚群组主导分泌。此外,Spearman分析表明了肿瘤细胞分泌的IL6和某些表型外泌体之间具有正相关性,以及IL6的分泌受外泌体介导的可能性。本论文为高通量单细胞外泌体检测和细胞异质性分析提供了新的研究思路和检测技术平台,可以在疾病病理研究、新型标志物筛选、药物筛选、精准诊疗等方面发挥重要作用,无论对基础研究还是临床应用都具有巨大的应用价值。