生物應用微流控芯片中的磁珠操控綜述

微流控技術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學診斷領域的一項革命性技術。而功能化磁珠（magnetic beads，MBs）已成為選擇性捕獲和富集目標分析物不可或缺的工具。

微流控和磁珠的集成可以獲得協同效益，以提高檢測方面的性能。然而，實現這一潛力需要創新的技術來主動控制微流控裝置內的磁珠。

據麥姆斯咨詢報道，面對當前磁控技術的發展，中國科學院上海微系統與信息技術研究所馮世倫和趙建龍兩位研究員代領的科研團隊對微流控芯片中的磁珠操控機制進行了詳細的分類和介紹。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用

該論文的作者介紹道：“磁控技術與微流控技術的結合，因兩者較大的表面積-體積比和可控性等共性而備受關注。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用進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。

根據磁珠的運動狀態和檢測目的，這些技術具有不同的應用優勢。例如，磁泳利用非均勻磁場進行定向運動，磁珠鏈形成鏈狀結構用于固定或操控，磁流化床實現磁珠的流化以提高目標物捕獲，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原理；（B）鐵磁鎳線的磁泳原理；（C）靶DNA磁珠復合物被鎳網格邊緣吸附，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磁珠鏈的原理；（B）在同軸玻璃通道內利用排斥磁鐵和鐵柵分離靜態磁珠鏈的原理；（C）利用垂直磁場和銅帶包裹的玻璃通道分離靜態磁珠鏈的原理

圖4 （A）旋轉磁場下微流控通道中磁珠的動態行為；（B）旋轉磁場的電磁設置；（C）平面內外磁場逆時針旋轉的工作原理；（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，產生垂直均勻磁場B0；（D）基于混合磁鐵系統的磁珠-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勢。

馮世倫研究員說：“盡管磁操控系統已經得到了很大的發展，但在工業和臨床應用中仍然面臨許多挑戰?！彼赋?，目前磁控微流控芯片的樣品處理吞吐量仍然很低，無法滿足大規模臨床測試的需要。

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

該論文作者表示，微流控系統中使用的磁珠的尺寸均勻性也是一個關鍵問題，開發創新的顆粒分離技術以實現給定尺寸磁珠的精確分選非常重要。

審核編輯：劉清