綜述：基于磁泳的微流控分離技術(shù)研究進(jìn)展

近年來，隨著微流控芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，其在生化分析、臨床醫(yī)學(xué)和環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。微?；蚣?xì)胞的分離是微流控芯片的一項(xiàng)重要應(yīng)用。微流控芯片與磁泳結(jié)合的分離技術(shù)以其低成本、高選擇性和高生物相容性等優(yōu)勢(shì)為生化分析、臨床醫(yī)學(xué)和環(huán)境工程等領(lǐng)域開辟了新的發(fā)展方向。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，大連交通大學(xué)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院于期刊《分析試驗(yàn)室》發(fā)表綜述文章，該綜述闡釋了基于磁泳的微流控分離技術(shù)原理，分析了影響磁泳分離的主要因素，評(píng)述了基于磁泳原理的微流控分離技術(shù)中的間歇式分離方法和連續(xù)流動(dòng)式分離方法及其應(yīng)用，并對(duì)磁泳微流控分離技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

基于磁泳的微流控分離技術(shù)原理

微粒在微流控芯片中的磁泳取決于微粒與載液流體介質(zhì)磁化率的差異、微粒尺寸、流體粘度和磁場(chǎng)強(qiáng)度及梯度等參數(shù)。通過調(diào)節(jié)這些參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)微粒的分離。

微粒在微流控芯片中的磁泳運(yùn)動(dòng)分為正磁泳和負(fù)磁泳兩種模式。當(dāng)微粒的磁化率大于流體介質(zhì)的磁化率時(shí)，微粒向磁場(chǎng)梯度高的方向遷移，發(fā)生正磁泳；當(dāng)微粒的磁化率小于流體介質(zhì)的磁化率時(shí)，微粒向磁場(chǎng)梯度低的方向遷移，發(fā)生負(fù)磁泳；而微粒本身可以是磁性的或者非磁性的。

在磁泳用于微流控分離的前期研究中，主要用正磁泳分離磁性粒子和磁性標(biāo)記的微?；蚣?xì)胞。隨著近些年負(fù)磁泳微流控分離研究的深入，越來越多的研究表明負(fù)磁泳也是微流控技術(shù)中分離非磁性微粒或細(xì)胞的有效方法。負(fù)磁泳不需要對(duì)非磁性微粒或細(xì)胞進(jìn)行磁性標(biāo)記，就可以直接進(jìn)行分離。正磁泳和負(fù)磁泳分離方法互為補(bǔ)充，拓展了磁泳微流控分離的應(yīng)用范圍。

圖1 微粒或細(xì)胞的磁泳模式

根據(jù)微?；蚣?xì)胞的收集方式，磁泳微流控分離可分為間歇式分離和連續(xù)流動(dòng)式分離兩種分離模式。

間歇式分離

間歇式分離又稱為磁性捕獲分離，利用磁場(chǎng)力將微?；蚣?xì)胞在通道中的特定位置進(jìn)行收集。Hoshino等開發(fā)了一種基于微流控芯片的CTC細(xì)胞捕獲系統(tǒng)，系統(tǒng)的磁場(chǎng)由三塊并排放置的磁極交替的永磁體提供，且每?jī)蓧K磁體交界處的磁場(chǎng)梯度最強(qiáng)。CTC細(xì)胞用Fe?O?磁性納米顆粒進(jìn)行標(biāo)記，將磁性標(biāo)記的CTC細(xì)胞以1∶10?比例混合成血液樣本注入微流控系統(tǒng)中。在磁場(chǎng)的作用下，磁性標(biāo)記CTC細(xì)胞被捕獲于微通道底部的載玻片上，且載有捕獲細(xì)胞的載玻片可以直接從底部抽出，無需將細(xì)胞沖洗出通道便可收集。

圖2 基于微流控芯片的CTC 細(xì)胞捕獲系統(tǒng)

連續(xù)流動(dòng)式分離

連續(xù)流動(dòng)式分離與間歇式分離相比，可以在載液不間斷流動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)高通量、高選擇性地分離目標(biāo)微粒或細(xì)胞。連續(xù)流動(dòng)式分離根據(jù)微粒或細(xì)胞與載液的磁化率差異分為正磁泳分離和負(fù)磁泳分離。

（1）正磁泳分離

正磁泳分離可以利用永磁體、通電線圈或?qū)Ь€、微型軟磁結(jié)構(gòu)作為磁場(chǎng)源。Wong等開發(fā)了一種利用載流導(dǎo)線作為磁場(chǎng)源的微流控分離裝置，用于去除血液中的CTC細(xì)胞，裝置原理圖如圖3a所示。將磁性微?；旌先芤鹤⑷胪ǖ?，當(dāng)電流通過微導(dǎo)線時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁性標(biāo)記的CTC細(xì)胞受磁場(chǎng)作用被吸引從而實(shí)現(xiàn)分離。在1 μL/min流速和1.0 A電流條件下，磁性標(biāo)記HeLa細(xì)胞的分離效率可達(dá)79%。

圖3 載流導(dǎo)線作為磁場(chǎng)源的微流控分離裝置

（2）負(fù)磁泳分離

當(dāng)基于負(fù)磁泳分離原理進(jìn)行非磁性微粒或細(xì)胞的分離時(shí)，在磁場(chǎng)的作用下，磁性流體中的磁性納米顆粒會(huì)向磁場(chǎng)方向遷移，此時(shí)處于磁性流體中的非磁性微粒或細(xì)胞便會(huì)被磁性納米顆粒擠壓，向磁場(chǎng)梯度低的方向遷移。Zeng等開發(fā)了一種負(fù)磁泳高分辨率微流控分離系統(tǒng)，如圖4a所示。利用永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)，通過高磁導(dǎo)率的坡莫合金層施加到由Fe?O?粉末填充而成的三角形微磁陣列，在分離通道附近產(chǎn)生大于10? T/m的超高磁場(chǎng)梯度。非磁性微粒在進(jìn)入磁極陣列區(qū)域后開始發(fā)生負(fù)磁泳偏轉(zhuǎn)，當(dāng)非磁性微粒運(yùn)動(dòng)到兩個(gè)微磁陣列中間區(qū)域時(shí)，磁場(chǎng)力達(dá)到最大，兩種微粒發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，并在通道末端實(shí)現(xiàn)分離。

圖4 高分辨率負(fù)磁泳微流控分離系統(tǒng)

綜上所述，磁泳微流控分離技術(shù)以其非接觸、高通量和高選擇性的特點(diǎn)在臨床醫(yī)學(xué)、細(xì)胞分離和環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域迅速發(fā)展。該技術(shù)采用電磁場(chǎng)作為磁場(chǎng)源，可通過改變通電線圈或?qū)Ь€中電流的大小調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)弱，使分離過程易于控制，但通電線圈或?qū)Ь€在分離過程中會(huì)產(chǎn)生熱量，制約其在生物樣品分離上的應(yīng)用。因此，開發(fā)散熱效果良好、可控性高的電磁場(chǎng)源，是磁泳微流控分離未來重要的研究方向。另外，應(yīng)該加快磁泳微流控分離儀器研制，推動(dòng)磁泳微流控技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，給分離分析領(lǐng)域帶來新氣象。

審核編輯：湯梓紅