微流控磁性颗粒分选和分离

磁源

三种类型的磁源通常用于微型和纳米物体处理：电磁铁，软磁铁和永磁铁。电磁铁和软磁铁都具有允许开/关切换的优点，但它们通常需要繁琐的辅助设备来执行此任务。电磁铁还具有焦耳加热的缺点，这对微流控来说可能是一个很大的麻烦。另一方面，永磁体不能关闭。在某些情况下，这是一个很大的优势，特别是如果它们缩小并集成到微系统中，那么微系统就是自治的。

商业磁性颗粒分离

Miltenyi在文献中报道了最早用磁体捕获大块磁体的作品。在这项工作中，使用Miltenyi Biotec公司的磁性细胞分选仪（MACS）分离磁性颗粒标记的细胞与未标记的细胞。可以观察到三个基本步骤：感兴趣的物体用磁性颗粒标记; 该溶液通过MACS柱，其中标记的细胞被磁体捕获，而其他标记的细胞被收集在柱的出口处; 捕获的细胞从磁场的作用范围中移除并收集。

用微流控进行磁性颗粒分选

最近几年，磁性控制颗粒和样品的普及度有所增加。它的两个主要优点是非接触式致动和在吸引和/或排斥中致动的可能性。微米和纳米颗粒的制造也促进了磁泳方法的使用。例如，精确控制的磁性颗粒可以用特定的蛋白质，抗体或表面活性剂化合物来生产和功能化。因此，它们可以在某种媒介中变得稳定，并且更重要的是，对非常特定的目标物体起反应。最近，微流体技术已经成为该领域非常有趣的技术。它的许多优点甚至被归类为“几乎太好，不真实”。
本综述介绍了磁通量源，磁性粒子和微流体相结合以执行粒子分选和处理的应用示例。

使用大块磁体的磁性微流体颗粒分选

Hoshino等人使用了相同的原理。开发微流体系统，其中反向平行磁化的体磁体并排排列，以产生更高的场梯度[5]。该系统用于捕获磁性标记的癌细胞并在微流体通道内观察它们。
其他研究小组正在研究类似的阻断和解锁颗粒的想法。例如，批量永磁体也被用来为磁性标记的细胞提供一个特定的空间排列[6]，并产生磁性颗粒的毛发状结构。

用于微流控颗粒分选的软磁体

Tseng等人展示了磁性物体在软磁元件上方吸引的示意图。在[8]中。宏观的磁场源使微米或纳米尺度的软磁元件极化，其产生吸引圆形磁标记物体的场和场梯度。这些元素已被广泛用于捕获磁性颗粒，将它们集中在确定的位置并将它们从混合溶液中分离出来。

用于微流控粒子定位的软磁体

捕获/释放方法也被用于生物学研究[13]。例如，Ino等人开发了一种基于在软铁上生成的微结构柱的磁性标记细胞组织方法[14]。在某些条件下，单个细胞可以被捕获在每个柱上方并单独研究。

用于微流体粒子定位的电磁体

Ramadan等提出了可以集成在微器件中的微线的不同布置，特别是用于生物操纵[15,16]。该图显示了该组开发的一些配置以及所产生的粒子捕获。

用于微流控粒子定位的永磁体

关于永久性微磁体和微流体的报道很少。Yellen 等人已经报道了以高精度将非磁性颗粒定位在阵列磁性图案之上的可能性[17]。由于微磁体和外部电磁体对分散在溶液中的磁性纳米颗粒产生的磁场作用，非磁性荧光颗粒排列在精确的位置。在另一项工作中，当改变外部施加磁场时，磁性颗粒在相似磁性模式之上的位移被报道[18]。

用于微流控颗粒分选的永磁体

Issadore等人 使用微米尺寸的钕铁硼晶粒在微流体通道附近形成高磁场梯度[19]。钕铁硼晶粒悬浮在未固化的PDMS中，并在外场存在下自组装。所述PDMS然后被固化和微流体通道在磁体阵列上方建造。该系统用于分选高纯度的磁性/非磁性颗粒和标记/未标记的细胞。

用于微流控颗粒分选的自主微型磁体

Zanini等人介绍了一种结合磁性微结构硬磁钕铁硼薄膜的器件。使用热磁图案化将平膜形成微结构，由此产生尺寸在5至100μm范围内的微磁体。磁性微粒和纳米粒子通过磁体上方产生的微流体通道流动。俘获发生在磁体上方的特定区域，通过增加通道中的流速获得释放。利用磁性和非磁性颗粒的磁性特征进行分选，获得了高效率，高达99.9％的纯度[20]。

连续流动微流体磁选

粒子捕获和释放可以相对容易地执行。另一方面，持续引导，尤其是用微流体分选颗粒可能是一项更加困难的任务。需要良好的吸引力控制以及磁力和阻力之间的良好平衡。已经报道了使用块状永磁体，软磁体和电磁体进行连续流动磁性细胞分选的许多成功尝试，如下所示。

用于连续微流体颗粒分选的大块磁体

Pamme设计了一个结合微流体和大块永磁体的系统，其目标是根据磁性标签将物体导向不同的出口。一个通道入口用于泵入液体溶液包含研究对象，同时将缓冲溶液泵入其他进口。应该注意的是，磁铁的位置在主入口的相对侧。这些出口用于收集含有由标签分开的颗粒的溶液。这个系统已经被用来根据它们的敏感性对磁性颗粒进行分类[21]。基于磁矩和粒径的磁性颗粒标记的细胞[22]; 基于磁响应温度变化的磁性粒子[23]; 和不同类型的细胞，基于它们的内吞能力[24]。

用于连续微流体颗粒分选的软磁元件

Afshar等人开发了一种基于软磁体进行颗粒分选的系统。（Martin Gijs教授团队）。该系统由靠近微流体通道的软磁极组成，该磁性元件由线圈极化。存在两个不同的磁致动区域。第一区具有吸引和集中在磁化元件附近流动的磁性粒子的相同功能。第二个活动区位于通道的更远处，并将粒子吸引到通道的另一侧。作用在颗粒上的吸引力取决于它们的尺寸，因此，不同大小的颗粒可以分开，如图的第二帧所示[25]。

Han等人 使用由外部磁场磁化的铁磁线以分离红血球和白血球[26,27]。由于红细胞（RBC）被吸引到最高的磁场梯度，而白细胞（WBC）被排斥，所以这些细胞可以使用简单的装置进行分选。在该图中，包含两种类型的单元的解决方案被泵入唯一的入口并通过三个可能的出口离开通道。放置在通道中心的铁磁线集中RBC，将RBC引导至中心出口，同时WBC被排斥并通过两个外部出口排出通道。

仍然基于对象的连续分类，使用铁磁条带已经取得了许多进展。在微流体通道内受到拖曳力作用的磁性标记物体在软磁条附近通过时也会受到磁力的作用。磁力与阻力之间的角度使物体偏离其初始路径，因此可以实现分离。这种二元分离（磁性/非磁性）已在多个出版物中报道[28,29]。

Derec等人报道了基于分离颗粒偏差的其他系统。[30]和Shevkoplyas等人。[31]。在这种情况下，颗粒的偏差通过由微流体通道附近的金属丝产生的永磁场来获得。在由Shevkoplyas组产生的系统中，在中心看到微流体通道，每侧都有导电线。通道内部的磁性颗粒首先随机分散，因为没有磁场作用于它们。一旦电流通过顶部导线，粒子就会被吸引并集中在通道的一侧。这种方法可以用来连续分选粒子，因为它们被连续引导，而不是被捕获/释放。

用于连续多重微流控颗粒分选的软磁元件

Adams等人 开发了一个基于相同原理的系统，但可以对三种类型的对象进行排序[32]。该系统具有一个用于解决待分类物体的入口和一个用于缓冲溶液的入口。物体集中在通道的一侧。第一组磁条偏离第一组磁标记物体，而第二组偏离第二组。第三组没有标记，并且遵循流体流动而没有偏离。这三个小组收集在不同的方便放置的出口。由于使用了不同的标签，两个不同的磁性标记物体的分离是由于拖曳力和磁力的差异造成的。

用于微流控颗粒分选的电磁体

另一个有趣的系统是由Fulcrand等人开发的。（A.-M.Gué的团队），它允许动态粒子操纵[33]。磁性颗粒通过微流体通道在液体溶液中流动。从通道一侧到另一侧依次设置的一组微线圈位于通道下方。第一个线圈被激活以捕获磁珠。随后的线圈被激活并且先验被去激活，将通道中的颗粒组进一步移位并朝向通道部分中的不同位置。重复此操作直到颗粒便于放置在通道出口处，然后颗粒从线圈中释放出来并收集起来。