生物应用微流控芯片中的磁珠操控综述

微流控技术能够在微尺度上精确操控流体，近年来，已成为生物分析和医学诊断领域的一项革命性技术。而功能化磁珠（magnetic beads，MBs）已成为选择性捕获和富集目标分析物不可或缺的工具。

微流控和磁珠的集成可以获得协同效益，以提高检测方面的性能。然而，实现这一潜力需要创新的技术来主动控制微流控装置内的磁珠。

面对当前磁控技术的发展，中国科学院上海微系统与信息技术研究所冯世伦和赵建龙两位研究员代领的科研团队对微流控芯片中的磁珠操控机制进行了详细的分类和介绍。该综述性论文以“Magnetic Beads Manipulation in Microfluidic Chips for Biological Application”为题发表在Cyborg and Bionic Systems期刊上。

图1 微流控中的磁珠操控方法及其生物应用

该论文的作者介绍道：“磁控技术与微流控技术的结合，因两者较大的表面积-体积比和可控性等共性而备受关注。在这篇综述论文中，我们将对近年来微流控芯片中的磁珠操控及其生物应用进行全面而深入的概述。”

该论文作者将微流控中的磁珠操控技术分为五种主要类型：磁泳、磁珠链、磁流化床、磁性液滴、微孔板中的磁珠。

根据磁珠的运动状态和检测目的，这些技术具有不同的应用优势。例如，磁泳利用非均匀磁场进行定向运动，磁珠链形成链状结构用于固定或操控，磁流化床实现磁珠的流化以提高目标物捕获，磁性液滴对含有磁珠的液滴进行生化操作，微孔阵列固定单个磁珠用于单分子检测。

图2 （A）利用自由流磁泳分离不同尺寸磁珠的片上系统原理；（B）铁磁镍线的磁泳原理；（C）靶DNA磁珠复合物被镍网格边缘吸附，而非靶DNA直接从出口流出；（D）20μm非磁性颗粒与10μm非磁性颗粒在“T”型微通道中连续分离的图像；（E）利用两种共流流体富集、分离抗磁珠的原理

图3 （A）利用高梯度点阵磁场分离静态磁珠链的原理；（B）在同轴玻璃通道内利用排斥磁铁和铁栅分离静态磁珠链的原理；（C）利用垂直磁场和铜带包裹的玻璃通道分离静态磁珠链的原理

图4 （A）旋转磁场下微流控通道中磁珠的动态行为；（B）旋转磁场的电磁设置；（C）平面内外磁场逆时针旋转的工作原理；（D）（i）磁珠链集成微芯片（MiChip）检测平台示意图，（ii）微芯片的照片，（iii）微芯片检测生物标志物的原理

图5 （A）带有单对磁铁和磁珠栓的磁珠链芯片图片；（B）不同工况下微流控流化床的工作原理；（C）不同流速下的流化床图像

图6 （A）微流控芯片利用表面形貌特征促进液滴操控的示意图；（B）利用电磁铁集成数字微流控平台检测甲型H1N1流感（infA）的示意图；（C）基于混合磁铁的磁微珠操控装置示意图及平面线圈阵列布局（i），将两个永磁体（ii）对称放置在软磁片（iii）上，产生垂直均匀磁场B0；（D）基于混合磁铁系统的磁珠-量子点（QD）检测示意图

该论文作者说道：“实际上，磁珠在这些工作中主要作为生物识别分子的载体，用于捕获特定的生物标志物。而磁珠本身也可以作为信号输出。”该综述还介绍了一些直接使用磁珠作为信号输出的例子及其优势。

冯世伦研究员说：“尽管磁操控系统已经得到了很大的发展，但在工业和临床应用中仍然面临许多挑战。”他指出，目前磁控微流控芯片的样品处理吞吐量仍然很低，无法满足大规模临床测试的需要。

由于目前的系统主要依赖于开环控制算法，并且只能通过给定的一组预定参数来执行磁控制，因此仍然迫切需要一个全自动闭环反馈磁操控平台。

该论文作者表示，微流控系统中使用的磁珠的尺寸均匀性也是一个关键问题，开发创新的颗粒分离技术以实现给定尺寸磁珠的精确分选非常重要。

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