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，已成為生物分析和醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域的一項革命性技術(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，以提高檢測方面的性能。然而，實現(xiàn)這一潛力需要創(chuàng)新的技術(shù)來主動控制微流控裝置內(nèi)的磁珠。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，面對當(dāng)前磁控技術(shù)的發(fā)展，中國科學(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)的科研團隊對微流控芯片中的磁珠操控機制進行了詳細(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，我們將對近年來微流控芯片中的磁珠操控及其生物應(yīng)用進行全面而深入的概述。”

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

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）利用高梯度點陣磁場分離靜態(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)磁場下微流控通道中磁珠的動態(tài)行為；（B）旋轉(zhuǎn)磁場的電磁設(shè)置；（C）平面內(nèi)外磁場逆時針旋轉(zhuǎn)的工作原理；（D）（i）磁珠鏈集成微芯片（MiChip）檢測平臺示意圖，（ii）微芯片的照片，（iii）微芯片檢測生物標(biāo)志物的原理

圖5 （A）帶有單對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液滴操控的示意圖；（B）利用電磁鐵集成數(shù)字微流控平臺檢測甲型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），將兩個永磁體（ii）對稱放置在軟磁片（iii）上，產(chǎn)生垂直均勻磁場B0；（D）基于混合磁鐵系統(tǒng)的磁珠-量子點（QD）檢測示意圖

該論文作者說道：“實際上，磁珠在這些工作中主要作為生物識別分子的載體，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輸出?！痹摼C述還介紹了一些直接使用磁珠作為信號輸出的例子及其優(yōu)勢。

馮世倫研究員說：“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)?！彼赋觯壳按趴匚⒘骺匦酒臉悠诽幚硗掏铝咳匀缓艿?，無法滿足大規(guī)模臨床測試的需要。

由于目前的系統(tǒng)主要依賴于開環(huán)控制算法，并且只能通過給定的一組預(yù)定參數(shù)來執(zhí)行磁控制，因此仍然迫切需要一個全自動閉環(huán)反饋磁操控平臺。

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關(guān)鍵問題，開發(fā)創(chuàng)新的顆粒分離技術(shù)以實現(xiàn)給定尺寸磁珠的精確分選非常重要。

審核編輯：劉清