其中，Δχ是磁性粒子與周圍溶液或介質(zhì)的磁化率差，V是粒子的體積，μ0為真空磁導(dǎo)率， B 是磁感應(yīng)強(qiáng)度，?B 為磁場(chǎng)梯度。對(duì)于均勻磁場(chǎng)來說，?B為0，此時(shí)，粒子在磁場(chǎng)中只能被磁化，而不會(huì)受力發(fā)生移動(dòng)。

所以，磁性粒子只有在不均勻的磁場(chǎng)中才能夠發(fā)生受力運(yùn)動(dòng)，而磁感應(yīng)強(qiáng)度B 在磁場(chǎng)方向隨距離增加是呈指數(shù)遞減的。因此，通常為了對(duì)微通道中的磁性粒子進(jìn)行精確地操縱和定位，需要磁場(chǎng)盡量接近微通道。

無論永磁體還是電磁體，通過提高磁感應(yīng)強(qiáng)度來得到最大磁場(chǎng)力的努力總是受到材料和現(xiàn)有技術(shù)水平的限制，一個(gè)簡單有效的辦法就是縮小磁場(chǎng)區(qū)域，即提高磁場(chǎng)梯度?B。

對(duì)于微流控芯片來說，磁場(chǎng)的尺寸和形狀要盡量與微米級(jí)的芯片通道相匹配，于是，基于MEMS技術(shù)的集成磁控器件的加工技術(shù)一直備受關(guān)注。在芯片上加工電磁線圈一般都需要經(jīng)過多次光刻和電鍍程序。

圖顯示了一種電磁線圈的加工過程，采用光刻技術(shù)在玻璃表面制作出金屬線圈、導(dǎo)線和絕緣層等微結(jié)構(gòu)單元，控制每層金屬薄膜的尺寸和形狀，一般在電鍍之前均要沉積一層金屬作為種子層，金屬層之間通過SU28光膠或聚酰亞胺進(jìn)行絕緣。

Ra2madan等還發(fā)現(xiàn)，在電磁線圈中間加工軟鐵芯，可以大大提高磁場(chǎng)梯度，有利于對(duì)磁性粒子的操控，與單純電磁線圈相比，磁場(chǎng)力可提高20倍。

集成磁體的微流控系統(tǒng)可以得到微型化的精準(zhǔn)磁場(chǎng)，但是加工工藝過于復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)這一問題，Whitesides等報(bào)道了一種在聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane， PDMS)芯片中加工微米級(jí)電磁體的簡單方法，即采用軟光刻方法先在PDMS芯片中加工出微通道，然后灌注液體焊錫，冷卻通電即可產(chǎn)生必要的電磁場(chǎng)。

Lin等采用類似方法在側(cè)通道中充入并固定金屬鎳的磁性微球，在與其僅距25μm的分離通道中形成較強(qiáng)的磁場(chǎng)梯度，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁珠的分離。

此外，與芯片集成化磁體相比，采用施加外加磁場(chǎng)的方法通常可以得到同樣有效的磁場(chǎng)作用，而且，具有易于加工和低成本的優(yōu)勢(shì)，因此，這類方法在磁控微流控系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛。 

通過泵閥來控制流體是除了分離外，磁場(chǎng)在微流控芯片系統(tǒng)中的另一個(gè)主要功能，其中泵主要有磁流體動(dòng)力(magnetohydrodynamic， MHD)泵，鐵磁流體( ferrofluidic)泵和蠕動(dòng)泵等。

MHD泵是利用施加正交的磁場(chǎng)和電場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力來驅(qū)動(dòng)液流，適用于任何導(dǎo)電的液體，是較早使用的一種磁驅(qū)動(dòng)模式。但MHD泵在工作時(shí)溶液經(jīng)常會(huì)因電解而產(chǎn)生氣泡，影響正常的驅(qū)動(dòng)和分析操作。

Arumugam等通過在溶液中加入氧化還原劑，減少了氣泡的產(chǎn)生，并延長了電極的使用壽命，而且這種泵需要的電壓比普通直流MHD泵低，水性和非水性的溶液都可以被驅(qū)動(dòng)。

與MHD 泵相比，鐵磁流體驅(qū)動(dòng)只需施加磁場(chǎng)而不需電場(chǎng)，因此系統(tǒng)更加簡單。鐵磁流體是磁性粒子在水溶液或者有機(jī)溶液中形成的穩(wěn)定懸濁液，同時(shí)具有磁性和流動(dòng)性。

其中，鐵磁流體溶液與所運(yùn)輸溶液必須是不互溶的，因此，當(dāng)輸運(yùn)對(duì)象為水溶液時(shí)，磁性粒子必須分散在油性溶液中，而微通道表面親疏水性質(zhì)也會(huì)在很大程度上影響鐵磁流體泵的性能。

Yobas等還設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)的磁控芯片系統(tǒng)，利用磁場(chǎng)帶動(dòng)不銹鋼滾珠在軌道上滾動(dòng)擠壓PDMS通道，巧妙地實(shí)現(xiàn)了蠕動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)功能。

此外，還有阻抗泵、氣體泵、微齒輪泵以及利用集成二極管與交變電場(chǎng)相互作用來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的磁微流體裝置等。

微米尺度條件下流體通常是層流狀態(tài)，因此，在微通道中如何進(jìn)行有效混合一直是科學(xué)工作者們感興趣的課題。

解決的方法之一就是通過MEMS加工技術(shù)將磁子安置在微通道內(nèi)，利用磁場(chǎng)帶動(dòng)磁子轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)到高效混合的目的。

但是，三維加工技術(shù)難度較大，不利于普及應(yīng)用。Nallani等報(bào)道了一種傾斜曝光方法，用于加工三維的鐵磁性微轉(zhuǎn)子。

他們利用空氣和SU28折射率不同，讓紫外光以55°角入射，得到傾斜角為31.6°的SU28模具。

然后將鐵鎳合金注入制成具有三維結(jié)構(gòu)的磁性轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可引起液流的三維擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)微尺度下的快速混合。

與加工磁子相比，利用磁珠的運(yùn)動(dòng)形成不規(guī)則流體是一種簡單有效的進(jìn)行混合的方法。

Hu等通過改變外加磁場(chǎng)頻率使液滴中的磁珠擾動(dòng)并形成不同形式的渦流，從而實(shí)現(xiàn)液滴的快速高效混合。

Oh等則利用側(cè)通道中一段鐵磁流塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)主通道中流體產(chǎn)生擾動(dòng)，來進(jìn)行有效地混合。

為了降低電磁場(chǎng)所需電流并形成有效的磁場(chǎng)梯度，Wang等在芯片上制作了4條銅導(dǎo)線，并將整個(gè)芯片置于永磁鐵上，通過控制銅線電流可以選擇性地操控單個(gè)磁珠。

Latham等則通過外加磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)納米磁珠在雙層正交微通道間的連續(xù)切換進(jìn)樣，進(jìn)樣量和速度均可控制。

一些細(xì)胞具有天然的磁性，如紅細(xì)胞、白細(xì)胞等，因此利用磁控芯片系統(tǒng)可直接對(duì)其進(jìn)行操縱。Krichevsky等將磁帶的磁頭進(jìn)行改進(jìn)，利用其在空間產(chǎn)生的高梯度磁場(chǎng)來捕獲和分選磁性細(xì)菌，并利用內(nèi)置的自旋閥傳感器進(jìn)行檢測(cè)。

對(duì)于大部分本身不具有磁性的細(xì)胞，可以將其吸附到功能化的磁珠表面后進(jìn)行操控。Koschwanez等在PDMS芯片上直接沉積錐形結(jié)構(gòu)的鎳鈷硼合金，在外界小型永磁體的作用下磁化，可捕獲單個(gè)酵母細(xì)胞。

Lee等在微流控芯片上加工由一系列微線圈構(gòu)成的集成電路，可快速調(diào)整磁場(chǎng)強(qiáng)度和模式，同時(shí)控制多個(gè)細(xì)胞。此外， Chiou等還利用微流控芯片集成電磁線圈實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)DNA分子的拉伸和旋轉(zhuǎn)等操作。

近年來發(fā)展起來的微液滴技術(shù)具有樣品消耗少、低污染、混合快等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的微反應(yīng)器。

利用磁場(chǎng)可以在油相或超疏水的表面操控含有磁性物質(zhì)的液滴，通過施加外磁場(chǎng)可以方便地控制液滴移動(dòng)，依次完成運(yùn)輸、混合、反應(yīng)及在不同溫區(qū)間往復(fù)移動(dòng)等操作。

Lehmann等利用印刷電路板(p rinted circuit board，PCB)加工成微線圈，如圖所示，他們?cè)谖⒕€圈上面涂覆一層局部親水的疏水Teflon膜，于是可以在Teflon表面形成固定位點(diǎn)的水溶液滴，這些液滴分別含有細(xì)胞裂解液、雜交液和洗脫液等成分。

接著，通過二維磁場(chǎng)控制含有磁性微球的液滴依次經(jīng)過這些液滴，完成吸附、清洗和洗脫等步驟，實(shí)現(xiàn)核酸提取和酶反應(yīng)等操作。

Wang等利用磁場(chǎng)和電潤濕作用對(duì)液滴中的磁珠進(jìn)行富集和分離，效率可以達(dá)到90%以上。Haguet等甚至可以對(duì)懸浮液滴進(jìn)行操縱，含有反磁性物質(zhì)的液滴在永磁體微槽中，可以懸浮在空氣中，并沿著軸向，在垂直交叉的槽內(nèi)移動(dòng)。

利用磁場(chǎng)對(duì)液滴進(jìn)行操控具有選擇性強(qiáng)、方便靈活等特點(diǎn)，因此，這一方法可能成為微液滴操縱的一個(gè)有效的手段，而高集成度的微電磁線圈陣列則可能成為構(gòu)建高通量微液滴反應(yīng)器的基本平臺(tái)。

使磁場(chǎng)與微通道的距離盡量縮短以及形成盡可能大的磁場(chǎng)梯度是得到足夠磁場(chǎng)力對(duì)粒子進(jìn)行操控的最有效手段，因此，對(duì)于外加磁場(chǎng)的微流控系統(tǒng)來說，通常需要將磁體集成到芯片上，以盡可能接近微分離通道。

芯片集成電磁線圈通常由于功率限制不能夠施加很高的電流，磁力比較弱，有時(shí)還需要外加磁場(chǎng)的輔助。

針對(duì)上述問題， Xia等在芯片主通道一側(cè)電鍍NiFe層，可產(chǎn)生高梯度磁場(chǎng)，該芯片通道為Y型，當(dāng)磁珠標(biāo)記的細(xì)胞從離磁場(chǎng)較遠(yuǎn)處的進(jìn)口引入時(shí)，細(xì)胞就會(huì)由于磁場(chǎng)作用而偏離原來的方向，從另一個(gè)出口流出，得到有效的分離。

Kim等和Shih等也采用了類似的芯片設(shè)計(jì)，分別用于分離凋亡T淋巴細(xì)胞和病毒顆粒。

Liu等通過精確控制磁場(chǎng)的頻率，對(duì)不同直徑的磁珠進(jìn)行了分離。Qu等則利用紅細(xì)胞和白細(xì)胞本身的順磁性和反磁性，分離了全血中的這兩種細(xì)胞。

利用磁性微球表面修飾特定的功能化基團(tuán)分離核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟，并得到了非常廣泛的應(yīng)用。

因此，這一技術(shù)也被諸多課題組用于微流控芯片中提取微量核酸樣品。微流控芯片上進(jìn)行DNA提取一般先將細(xì)胞破膜，釋放出的DNA被吸附在功能化的磁珠表面，再利用外界磁場(chǎng)將磁珠固定，細(xì)胞膜及其他物質(zhì)都被清洗液沖走，最后將DNA洗脫進(jìn)行PCR 擴(kuò)增等操作。

Lee等設(shè)計(jì)了簡單的單通道芯片結(jié)構(gòu)，使用808nm激光束使細(xì)胞快速破膜，然后用磁珠捕獲了包括E. coli在內(nèi)的幾種病原體。此后，他們還設(shè)計(jì)了集成化的病原體檢測(cè)芯片，在CD 光盤上僅用12 min即完成了全血中特異病原體基因的提取。

Nakagawa等使用改性的細(xì)菌磁性微球提取全血中的DNA， 5μl的全血可以提取165 ng DNA，洗脫約100 ng，萃取效率為60.6%。

Dubus等利用磁珠連接的探針與目標(biāo)DNA配對(duì)成雙鏈，再利用一種富含正電荷的熒光高聚物與雙鏈DNA發(fā)生靜電作用，從而對(duì)目標(biāo)DNA進(jìn)行了分離和高靈敏度檢測(cè)，檢出限可以達(dá)到200拷貝/150μl，與采用PCR擴(kuò)增方法的水平接近。

如前所述，表面功能化的磁珠作為固相載體，可以用來有效地捕獲核酸、蛋白分子、病毒顆粒甚至細(xì)胞，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各種生化指標(biāo)的臨床診斷等領(lǐng)域。

而微流控芯片系統(tǒng)具有快速、高效、集成化等特點(diǎn)，兩者結(jié)合，有望實(shí)現(xiàn)臨床檢測(cè)儀器進(jìn)一步便攜化和微型化，甚至將臨床診斷技術(shù)帶入現(xiàn)場(chǎng)診斷(point-of-care testing， POCT)的時(shí)代。

免疫分析是臨床上常用的檢測(cè)方法，磁控免疫芯片系統(tǒng)一般采用非均相免疫體系，以包被了抗體或抗原的微米或納米磁珠為載體，在微通道中固定這些磁珠以捕獲抗原或抗體。

采用微流控芯片系統(tǒng)顯著改善了常規(guī)免疫分析的速度和性能，大大降低了成本和試劑的消耗，一些系統(tǒng)在POCT領(lǐng)域顯示了廣闊的應(yīng)用前景。

磁控免疫芯片的檢測(cè)系統(tǒng)也從激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)發(fā)展到電化學(xué)傳感器，無需進(jìn)行熒光標(biāo)記，系統(tǒng)體積可進(jìn)一步減小，有利于實(shí)現(xiàn)便攜化。

此外， Herrmann等設(shè)計(jì)了雙通道芯片網(wǎng)絡(luò)，免疫復(fù)合物形成與酶反應(yīng)在不同通道中進(jìn)行，減少了非特異性吸附，降低了背景噪聲，從而將檢測(cè)限降低到100 pg/ml水平。

Morozov等則將電場(chǎng)和磁場(chǎng)相結(jié)合，來提高系統(tǒng)靈敏度。他們首先利用電泳，使得溶液中的抗原與固定在通道側(cè)壁的抗體充分結(jié)合，再加入表面功能化的磁珠與抗原結(jié)合，利用光學(xué)顯微鏡檢測(cè)，最低可以檢測(cè)到10^-17 mol/L的鏈霉親和素。

實(shí)現(xiàn)生化分析的現(xiàn)場(chǎng)化和高通量一直是臨床檢測(cè)的發(fā)展目標(biāo)， Tang等設(shè)計(jì)了4種不同抗體的電極，可以同時(shí)測(cè)定甲胎蛋白(AFP)等4種腫瘤標(biāo)志物。

Lacharme等則通過降低磁場(chǎng)偶極能量使得磁珠在微通道中進(jìn)行自組裝，形成有序的陣列結(jié)構(gòu)，以進(jìn)行免疫分析。

磁控微流控芯片的另一個(gè)應(yīng)用是用于蛋白質(zhì)的高效酶解。用包被有褐藻酸的磁珠固定胰蛋白酶，在芯片上消化蛋白質(zhì)，可獲得很高的效率，Viovy課題組在這方面做了一系列研究工作。

他們?cè)谖⑼ǖ赖膬蓚?cè)放置磁鐵，與通道呈30°夾角，使磁力線方向與液流方向平行，表面固定胰蛋白酶的磁珠引入后在磁場(chǎng)作用下會(huì)在通道內(nèi)自組裝成填充柱結(jié)構(gòu)，隨后引入樣品進(jìn)行酶解。

此外， Li等建立了利用功能化磁珠固定胰蛋白酶的芯片酶反應(yīng)器-MALD I-TOF質(zhì)譜系統(tǒng)，為更加深入的蛋白組學(xué)研究提供了有力的工具。

核磁共振(NMR)是進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)鑒定的有效工具之一，近年來微型核磁線圈探頭的發(fā)展使得NMR檢測(cè)的靈敏度又有了顯著的提高。

Lin等提出一種基于微液滴的NMR檢測(cè)技術(shù)，采用納升級(jí)分流器可以收集98%的液相色譜儀流分用于NMR檢測(cè)，而另外2%用于質(zhì)譜分析，與常規(guī)系統(tǒng)相比靈敏度和進(jìn)樣效率均有大幅提高。

通過合理設(shè)計(jì)，微流控芯片還可以作為化學(xué)反應(yīng)過程分析的理想工具。Takahashi等設(shè)計(jì)了微流控芯片NMR檢測(cè)系統(tǒng)的接口，可以方便地用于實(shí)時(shí)監(jiān)控化學(xué)反應(yīng)的中間產(chǎn)物。

Pines等將遠(yuǎn)程N(yùn)MR檢測(cè)方法用于監(jiān)控非平衡化學(xué)反應(yīng)過程中反應(yīng)單體與產(chǎn)物之間的自旋相干轉(zhuǎn)移，可以給出更多有關(guān)反應(yīng)機(jī)理的信息。

隨后，他們將原子磁力計(jì)集成到微流控芯片上，并在零磁場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行NMR檢測(cè)，檢測(cè)器外無需安置螺線管，樣品與檢測(cè)器更加接近，靈敏度顯著提高。

值得一提的是，不久前Lee等報(bào)道了一套完全微型化的NMR芯片系統(tǒng)，包括陣列微流控芯片、集成線圈、NMR電路和經(jīng)過簡化的微型永磁體，整個(gè)裝置可以放進(jìn)上衣口袋。

該系統(tǒng)可以同時(shí)檢測(cè)5-10 μl樣品中的8種指標(biāo)，并被成功用于病毒、細(xì)胞和疾病標(biāo)志物的檢測(cè)。 

綜上所述，磁場(chǎng)控制技術(shù)應(yīng)用到微流控系統(tǒng)中為后者開辟了更為廣泛的發(fā)展空間，提高了微流控系統(tǒng)對(duì)各種物質(zhì)進(jìn)行操控的能力，甚至可以實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞或單分子的捕獲和控制，同時(shí)，也提高了系統(tǒng)的集成化程度。

磁場(chǎng)控制技術(shù)在微流控芯片系統(tǒng)中的應(yīng)用將會(huì)在以下幾個(gè)方向有更廣闊的發(fā)展前景。

首先，磁場(chǎng)所具有的獨(dú)特分離能力已經(jīng)在傳統(tǒng)樣品處理過程中顯示了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，與微流控芯片技術(shù)的結(jié)合，使得整個(gè)系統(tǒng)可以處理更少的樣品量，對(duì)于稀有標(biāo)本或臨床檢測(cè)具有重要意義;

其次，微型化的電磁線圈對(duì)于單個(gè)細(xì)胞甚至分子具有更高的分辨能力，可以進(jìn)行單細(xì)胞或亞細(xì)胞器的分離、提純及其分析;

目前，磁珠表面功能化技術(shù)日臻成熟，將其應(yīng)用于微流控芯片技術(shù)中，通過在各個(gè)微結(jié)構(gòu)中固定具有不同基團(tuán)的磁珠，可實(shí)現(xiàn)快速、集成、高通量的樣品處理、分離及檢測(cè)分析等。

當(dāng)前，磁場(chǎng)控制微流控芯片系統(tǒng)也面臨一些亟待解決的問題：

(1)如何通過集成電磁線圈程序化地控制磁珠精確定位和移動(dòng)方向及速度，還有待深入研究；

(2)現(xiàn)有的磁控微流控芯片對(duì)樣本的處理通量仍然較低，不能夠滿足大規(guī)模臨床檢測(cè)的需求，因此如何提高芯片單次處理樣本的數(shù)量也是將來努力的方向；

( 3)如何改善現(xiàn)有集成電磁線圈加工工藝，制作具有更高磁場(chǎng)梯度和強(qiáng)度的微磁體，加強(qiáng)工藝標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題，對(duì)未來的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展也具有重要的意義。