一款微型磁驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)過(guò)濾器，以過(guò)濾芯片實(shí)驗(yàn)室微流控器件內(nèi)的微粒

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等科研單位的研究人員開(kāi)發(fā)出一款微型磁驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)過(guò)濾器，以過(guò)濾芯片實(shí)驗(yàn)室微流控器件內(nèi)的微粒。

用于微流控通道的微型磁驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)過(guò)濾器，這款過(guò)濾器寬僅70微米，高只有60微米，兩個(gè)側(cè)翼布有很多6.5微米的方形開(kāi)口（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，比例尺：10微米）

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)和日本理化學(xué)研究所光量子工學(xué)研究中心（RIKEN Center for Advanced Photonics，RAP）的研究人員組成的一支國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)制造了一款微型磁驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)過(guò)濾器，可用于過(guò)濾芯片實(shí)驗(yàn)室（lab-on-a-chip）器件內(nèi)的微粒。他們通過(guò)開(kāi)發(fā)一種可用于高精度3D打?。p光子聚合技術(shù)）的磁性材料，制作了該款微型旋轉(zhuǎn)過(guò)濾器。

據(jù)研究人員介紹，微流控芯片，或稱(chēng)為芯片實(shí)驗(yàn)室器件，可在僅幾平方厘米或更小的芯片上執(zhí)行多種實(shí)驗(yàn)室功能。該類(lèi)器件可用于眾多生物醫(yī)療領(lǐng)域，例如篩選具有治療潛力的藥物分子、通過(guò)血液檢測(cè)來(lái)發(fā)現(xiàn)疾病等。

“通過(guò)改變外部磁場(chǎng)的方向，我們制造的微型磁驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)過(guò)濾器可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，按需過(guò)濾特定大小的微粒?！敝袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究人員吳東介紹說(shuō)，“該功能可用于芯片實(shí)驗(yàn)室器件在化學(xué)和生物方面的多種研究工作，重要的是，該濾波器可以被重復(fù)使用。”

該研究團(tuán)隊(duì)表示，這款微型磁驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)過(guò)濾器可以在芯片實(shí)驗(yàn)室器件中對(duì)微粒進(jìn)行高效分選。

“這款微型過(guò)濾器可用于分類(lèi)不同大小的細(xì)胞，例如分離循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTC）并進(jìn)行分析，或檢測(cè)預(yù)示可能患病的異常細(xì)胞?！敝袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究人員王朝煒說(shuō)道，“隨著進(jìn)一步研究，該微型過(guò)濾器甚至可以作為癌癥檢測(cè)的器件植入人體內(nèi)?！?/p>

帶有微米級(jí)孔徑的過(guò)濾器常用于微流控芯片，作為一種根據(jù)孔徑大小對(duì)微粒或細(xì)胞進(jìn)行分選的方法。然而，由于微型過(guò)濾器中孔的數(shù)量和形狀不能動(dòng)態(tài)改變，現(xiàn)有器件對(duì)不同類(lèi)型的微粒或細(xì)胞缺乏按需分類(lèi)的靈活性。為了擴(kuò)大微流控芯片的用途，該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一款可以在選擇性過(guò)濾和“通過(guò)”等模式之間自由切換的微型過(guò)濾器。

該研究團(tuán)隊(duì)利用雙光子聚合（Two-photon polymerization，TPP）技術(shù)制造了該款微型過(guò)濾器。雙光子聚合是一種基于光敏材料（光刻膠）同時(shí)吸收兩個(gè)光子的非線(xiàn)性光學(xué)過(guò)程，該項(xiàng)技術(shù)可以高于光衍射極限的精度制造任意3D結(jié)構(gòu)。最終結(jié)構(gòu)材料不僅限于聚合物，例如通過(guò)二次化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程可將材料轉(zhuǎn)化為硅。

雙光子吸收需要高光強(qiáng)——這是由高度聚焦的飛秒激光束來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于雙光子吸收強(qiáng)度與光強(qiáng)的平方成正比，雙光子吸收僅僅在光束聚焦處發(fā)生，從而提供很高的空間分辨率。同樣地，光刻膠僅僅在光束的橢圓焦點(diǎn)處發(fā)生聚合，被稱(chēng)為“體素”（Voxel）。通過(guò)利用激光在三維空間內(nèi)掃描光刻膠可以逐個(gè)體素“寫(xiě)出”目標(biāo)結(jié)構(gòu)。在雙光子聚合過(guò)程中，材料周?chē)难鯕庠谀撤N程度上淬滅自由基，使得最小特征尺寸可達(dá)100nm左右。雙光子聚合的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，許多聚合物在近紅外波段線(xiàn)性吸收幾乎為零，這使得該波段激光可深入滲透到材料內(nèi)部。這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)使得其余方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的納米結(jié)構(gòu)得以生成。

為了制造這款微型過(guò)濾器，研究人員合成了磁性納米粒子，并將其與光刻膠混合，并且還需要優(yōu)化用于雙光子聚合的激光功率密度、脈沖數(shù)和掃描間隔。在載玻片上測(cè)試其磁驅(qū)動(dòng)特性之后，研究人員將微型過(guò)濾器集成到芯片實(shí)驗(yàn)室器件中。

為了過(guò)濾較大的微粒，研究人員先采用垂直于微通道的磁場(chǎng)，利用過(guò)濾器“滯留”大微粒。過(guò)濾過(guò)程完成之后，可以通過(guò)施加一個(gè)平行于微通道的磁場(chǎng)，將過(guò)濾器旋轉(zhuǎn)90度，以清除大微粒，從而可以根據(jù)需要再進(jìn)行下一次過(guò)濾操作。

研究人員利用直徑為8.0微米和2.5微米的聚苯乙烯微粒，混合在酒精溶液中，驗(yàn)證了微型過(guò)濾器的過(guò)濾性能。

“很明顯，小于孔徑的微粒很容易通過(guò)這款微型過(guò)濾器，而較大的微粒則被濾出。”中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究人員張晨初說(shuō)道，“當(dāng)切換到‘通過(guò)’模式，過(guò)濾器捕獲的大微粒都會(huì)被流體沖走，這防止了過(guò)濾器被堵塞，并實(shí)現(xiàn)了過(guò)濾器的重復(fù)使用?！?/p>

該研究成果已發(fā)表在Optics Letters期刊上。

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