生物應(yīng)用微流控芯片中的磁珠操控綜述

微流控技術(shù)能夠在微尺度上精確操控流體，近年來(lái)，已成為生物分析和醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域的一項(xiàng)革命性技術(shù)。而功能化磁珠（magnetic beads，MBs）已成為選擇性捕獲和富集目標(biāo)分析物不可或缺的工具。

微流控和磁珠的集成可以獲得協(xié)同效益，以提高檢測(cè)方面的性能。然而，實(shí)現(xiàn)這一潛力需要?jiǎng)?chuàng)新的技術(shù)來(lái)主動(dòng)控制微流控裝置內(nèi)的磁珠。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，面對(duì)當(dāng)前磁控技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所馮世倫和趙建龍兩位研究員代領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)對(duì)微流控芯片中的磁珠操控機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的分類和介紹。該綜述性論文以“Magnetic Beads Manipulation in Microfluidic Chips for Biological Application”為題發(fā)表在Cyborg and Bionic Systems期刊上。

圖1 微流控中的磁珠操控方法及其生物應(yīng)用

該論文的作者介紹道：“磁控技術(shù)與微流控技術(shù)的結(jié)合，因兩者較大的表面積-體積比和可控性等共性而備受關(guān)注。在這篇綜述論文中，我們將對(duì)近年來(lái)微流控芯片中的磁珠操控及其生物應(yīng)用進(jìn)行全面而深入的概述?！?/p>

該論文作者將微流控中的磁珠操控技術(shù)分為五種主要類型：磁泳、磁珠鏈、磁流化床、磁性液滴、微孔板中的磁珠。

根據(jù)磁珠的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和檢測(cè)目的，這些技術(shù)具有不同的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。例如，磁泳利用非均勻磁場(chǎng)進(jìn)行定向運(yùn)動(dòng)，磁珠鏈形成鏈狀結(jié)構(gòu)用于固定或操控，磁流化床實(shí)現(xiàn)磁珠的流化以提高目標(biāo)物捕獲，磁性液滴對(duì)含有磁珠的液滴進(jìn)行生化操作，微孔陣列固定單個(gè)磁珠用于單分子檢測(cè)。

圖2 （A）利用自由流磁泳分離不同尺寸磁珠的片上系統(tǒng)原理；（B）鐵磁鎳線的磁泳原理；（C）靶DNA磁珠復(fù)合物被鎳網(wǎng)格邊緣吸附，而非靶DNA直接從出口流出；（D）20μm非磁性顆粒與10μm非磁性顆粒在“T”型微通道中連續(xù)分離的圖像；（E）利用兩種共流流體富集、分離抗磁珠的原理

圖3 （A）利用高梯度點(diǎn)陣磁場(chǎng)分離靜態(tài)磁珠鏈的原理；（B）在同軸玻璃通道內(nèi)利用排斥磁鐵和鐵柵分離靜態(tài)磁珠鏈的原理；（C）利用垂直磁場(chǎng)和銅帶包裹的玻璃通道分離靜態(tài)磁珠鏈的原理

圖4 （A）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下微流控通道中磁珠的動(dòng)態(tài)行為；（B）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電磁設(shè)置；（C）平面內(nèi)外磁場(chǎng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的工作原理；（D）（i）磁珠鏈集成微芯片（MiChip）檢測(cè)平臺(tái)示意圖，（ii）微芯片的照片，（iii）微芯片檢測(cè)生物標(biāo)志物的原理

圖5 （A）帶有單對(duì)磁鐵和磁珠栓的磁珠鏈芯片圖片；（B）不同工況下微流控流化床的工作原理；（C）不同流速下的流化床圖像

圖6 （A）微流控芯片利用表面形貌特征促進(jìn)液滴操控的示意圖；（B）利用電磁鐵集成數(shù)字微流控平臺(tái)檢測(cè)甲型H1N1流感（infA）的示意圖；（C）基于混合磁鐵的磁微珠操控裝置示意圖及平面線圈陣列布局（i），將兩個(gè)永磁體（ii）對(duì)稱放置在軟磁片（iii）上，產(chǎn)生垂直均勻磁場(chǎng)B0；（D）基于混合磁鐵系統(tǒng)的磁珠-量子點(diǎn)（QD）檢測(cè)示意圖

該論文作者說(shuō)道：“實(shí)際上，磁珠在這些工作中主要作為生物識(shí)別分子的載體，用于捕獲特定的生物標(biāo)志物。而磁珠本身也可以作為信號(hào)輸出。”該綜述還介紹了一些直接使用磁珠作為信號(hào)輸出的例子及其優(yōu)勢(shì)。

馮世倫研究員說(shuō)：“盡管磁操控系統(tǒng)已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，但在工業(yè)和臨床應(yīng)用中仍然面臨許多挑戰(zhàn)。”他指出，目前磁控微流控芯片的樣品處理吞吐量仍然很低，無(wú)法滿足大規(guī)模臨床測(cè)試的需要。

由于目前的系統(tǒng)主要依賴于開(kāi)環(huán)控制算法，并且只能通過(guò)給定的一組預(yù)定參數(shù)來(lái)執(zhí)行磁控制，因此仍然迫切需要一個(gè)全自動(dòng)閉環(huán)反饋磁操控平臺(tái)。

該論文作者表示，微流控系統(tǒng)中使用的磁珠的尺寸均勻性也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的顆粒分離技術(shù)以實(shí)現(xiàn)給定尺寸磁珠的精確分選非常重要。

審核編輯：劉清