循环肿瘤细胞早在1896年就被发现，但是由于其含量非常低，在上百万甚至上千万细胞中仅能观测到一个循环肿瘤细胞，使得它在早期并没有应用肿瘤检测中。1983年，Immunicon公司发明了磁珠捕获法对循环肿瘤细胞进行捕获富集，并开发了一套可自动化进行循环肿瘤细胞分离检测系统CellSearch。循环肿瘤细胞富集是通过修饰上皮细胞粘附分子EpCAM抗体的磁珠捕获，通过对细胞角蛋白（CK）和白细胞共同抗原CD45的免疫染色来区分循环肿瘤细胞和白细胞。在随后的20余年，这一方法在乳腺癌、结直肠癌和前列腺癌患者中进行了临床试验，证明该系统可以用于进行肿瘤检测。这套系统分别于2004年和2012年获得美国FDA和中国CFDA批准，成为目前可应用于临床的液体活检仪器。
这一液体活检系统仅需要7.5mL患者外周血，可以快速获得足够的CTC数量，帮助判断患者肿瘤病情的严重程度，为后续治疗方案提供参考。目前这一检测被应用于治疗效果评估和肿瘤术后的预后预测：CTC检测结果为阳性的患者可以改变治疗方案；而CTC检测为阴性的患者则可持续跟踪，实现更加有效的精准医疗。
尽管CellSearch较好地实现了肿瘤循环细胞的分离和检测，但是由于检测的灵敏度不够高，并且仅能结合细胞计数来分析，无法对肿瘤循环细胞的基因组、转录组等其他生物学特性进行深入分析。为了提升循环肿瘤细胞的检测灵敏度、拓展基于肿瘤循环细胞的其他分析，进一步指导肿瘤治疗和预后治疗，国内外科研机构和企业开发了多种新技术用于进行肿瘤循环细胞的分离和后续分析。
新一代肿瘤循环细胞分析技术可以根据标记和非标记两种方法来进行分类。其中，标记技术是通过循环肿瘤细胞表面的抗体（如上皮细胞粘附分子EpCAM抗体）进行筛选富集，而非指基于循环肿瘤细胞的大小或者生物物理性质实现分离。在具体分离技术方面，单独或者联合使用微流控技术、流式细胞技术或者磁珠分选技术等，有助于最大程度去除外周血液中的白细胞，从而实现循环肿瘤细胞的分离富集。
富集技术又可以分为阳性富集和阴性富集两种方法：阳性富集方法类似于钓鱼，通过循环肿瘤细胞特点，比如表面抗原、大小、介电系数等参数进行分离，而阴性分离方法主要是通过去除血液中比例最高的白细胞和红细胞等，将所有可能异常的细胞保留进行后续分析。不论哪种方法，由于外周血中肿瘤循环细胞的含量太低（其比例相当于在一百万健康人找出一个患者），其难度非常之高，所以目前尚无单一方法能实现肿瘤循环细胞的有效分离，在确保分离检测数量的同时能达到较好的特异性。近几年很多研究机构和企业已经在技术上取得了进一步突破，已经超过40种不同的技术方法实现了商业化或正在商业化，比如CTC iChip，MagSweep等。
相比循环肿瘤细胞的分离与富集技术，循环肿瘤细胞后续检测方面已取得了重要突破，不仅仅可以实现循环肿瘤细胞全基因组或者全外显子组测序，还可以实现转录组测序。美国麻省总医院开发的CTC iChip技术，通过修饰EpCAM的微流沟道表面来捕获循环肿瘤细胞，再通过多种不同的免疫荧光染色鉴定CTC及其细胞状态。除了蛋白免疫荧光，该平台还可以实现循环肿瘤细胞的RNA原位杂交（RNA-ISH）和RNA-seq分析。后来，该团队又开发了基于微流控技术的新一代CTC分离方法，结合EpCAM抗体识别和细胞大小的流体力学特性来分选，进一步提高了循环肿瘤细胞的捕获效率。MagSweep技术通过修饰EpCAM抗体的磁珠捕获CTC，再用套在鞘里的磁铁吸附，当磁铁从鞘内取出时，磁珠便与磁铁分离。与CellSearch相比，该方法避免了强烈的洗脱过程，所以分离出来的细胞仍可培养，这一方法后续也可以直接实现单细胞的mRNA-seq分析。
一般来说，通过分离富集获得的循环肿瘤细胞大约为几个到几十个，要实现后续检测需要具有单细胞级别的检测技术。我国学者在这一领域已经达到了世界先进水平。例如，华大基因以及北京大学团队都在国际顶级杂志上发表了大量单细胞基因组学的科研论文。北京大学谢晓亮团队开发了结合Dop-PCR和MDA的单细胞基因组扩增法—Malbac技术，可实现单细胞的SNV/CNV分析。利用该方法对单个肿瘤循环细胞进行分析，可获得完整的肿瘤循环细胞基因组突变频谱信息。这些针对分离获取的循环肿瘤细胞所进行的分析，能够进一步获取肿瘤组织基因突变信息，甚至肿瘤演化情况，对于病患个性化治疗和监控肿瘤复发具有重要临床参考价值。
除了单细胞基因组与转录组测序之外，直接对肿瘤循环细胞中肿瘤相关基因进行突变检测，能够更加简单快速获得疾病发生发展信息，有助于为患者提供与治疗相关的有效信息。在非小细胞肺癌患者研究中，通过对CTC测序检测EGFR中T790M突变检测可以直接判断是否存在药物抗性，从而决定是否需要改换其他治疗方案。在另外一项针对黑色素瘤患者的研究中，通过检测KIT和BRAF基因突变，有助于为患者提供后续治疗方案的有效建议。在肺癌和乳腺癌患者中，针对分离获得的循环肿瘤细胞进行EGFR和PIK3CA基因突变检测，发现65.2%的患者携带有相应的基因突变。总之，直接针对分离获得的循环肿瘤细胞，开展特定基因检测，能够以较合理价格为患者提供更多治疗和预后的相关有效信息，也更具临床应用价值。
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