在细胞研究中，有时需要直接向单个活细胞内部送入外源物质，比如DNA质粒、mRNA、蛋白、小分子探针，观察外源物质带来的细胞响应。普通转染方法作用于大量细胞，导入效率不均，无法精准控制目标细胞。单细胞注射，是在显微观测下，借助微纳探针，向选定的单个活细胞内部精准导入指定体积外源物质的显微操控技术。
单细胞注射系统主要包含倒置显微镜、显微操作机械臂、微量压力控制单元、玻璃微针。实验前，拉制尖端极细的玻璃微针，将待导入的样品溶液装填进微针内部。显微镜下找到目标活细胞，操控机械臂移动微针，刺穿细胞膜，压力系统推送微量液体，将样品送入胞内，之后微针移出细胞，完成单次注射。整套操作在培养体系中进行，尽量维持细胞存活所需的环境条件。
这项技术的优势在于目标细胞选择自由度高，不受细胞类型限制，对于一些很难用化学转染试剂处理的原代细胞、卵母细胞，单细胞注射是可行的导入方式。注射的物质类型范围广，核酸、重组蛋白、荧光示踪分子都可以送入细胞；同时可以控制注射体积，减少过量物质对细胞的冲击。
发育生物学研究中，研究人员向胚胎内单个细胞注射标记物质，追踪该细胞后代的迁移与分化路径，解析胚胎谱系发育。细胞功能研究中，向单个细胞导入突变基因，观察细胞表型变化，研究基因功能。
单细胞注射操作对操作者熟练度有一定要求。微针尖端容易堵塞，样品溶液需要离心去除杂质；进针力度、刺入深度需要控制，穿刺力度过大，会造成细胞膜大面积损伤，细胞失去活性。细胞培养环境的温度、pH需要稳定，操作时间不宜过长，减少外界环境变化对活细胞造成的影响。注射完成后，需要设置对照细胞，排除穿刺操作本身带来的细胞应激反应，区分外源物质效应和穿刺损伤效应。
单细胞注射单次只能处理少量细胞，通量不高，并不适合大规模筛选实验，更适合精细的细胞操控、谱系标记、单细水平功能验证。随着微纳操控技术发展，自动化显微注射设备逐步出现，降低人工操作差异。单细胞注射为精准的细胞干预提供手段，让科研人员在单个细胞层面引入外源分子，观察细胞行为变化，在发育生物学、细胞信号传导、细胞工程等方向持续提供独特的实验手段。