微流控芯片中的磁珠操作是一個(gè)很有前途的生物應(yīng)用研究領(lǐng)域，尤其是在生物目標(biāo)檢測(cè)方面。在這篇文章中，我們打算對(duì)最近微流控芯片中的磁珠操作及其生物學(xué)應(yīng)用進(jìn)行全面深入的概述。首先，我們介紹了微流控芯片中的磁性操作機(jī)制，包括顆粒特性和表面改性。然后，我們比較了微流控芯片中現(xiàn)有的一些磁性操作方法，并列舉了它們的生物學(xué)應(yīng)用。此外，還對(duì)磁性操縱系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展提出了建議和展望。

隨著微流控系統(tǒng)的快速發(fā)展，納米材料和納米顆粒越來(lái)越受到關(guān)注，成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。特別是，由于大的表面體積比可以增強(qiáng)反應(yīng)表面與通過(guò)的流體的相互作用，磁珠已被證明是捕獲目標(biāo)分析物的一種很有前途的工具。通過(guò)磁場(chǎng)操縱磁珠與其他方法相比有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗梢院苋菀椎赜糜来朋w或電磁鐵操縱。此外，通過(guò)磁場(chǎng)控制和操縱溶液中的磁珠，為材料向生物靶標(biāo)的運(yùn)輸和定位提供了一種有效的技術(shù)。由于磁珠的控制方法依賴(lài)于無(wú)直接接觸的外部磁場(chǎng)，因此已被廣泛開(kāi)發(fā)用于磁性藥物和基因遞送以及微型應(yīng)用中的磁分離等應(yīng)用。

在這篇文章中，我們的目的是對(duì)近年來(lái)微流控芯片中的磁珠操作及其生物學(xué)應(yīng)用進(jìn)行全面深入的總結(jié)。我們根據(jù)磁珠的形成和狀態(tài)總結(jié)了最近的磁珠操作方法，如磁珠電泳、磁珠鏈和磁流化床（圖1）。最后，列出了每種磁珠操作方法在微流控中的生物學(xué)應(yīng)用。結(jié)論對(duì)磁操縱系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展提出了一些建議和展望。

圖1.微流控中磁珠操作方法及其生物學(xué)應(yīng)用綜述。

1.微流控芯片磁操作的基本知識(shí)

1.1磁珠和表面改性

生物應(yīng)用中的磁珠通常使用共沉淀法合成，由磁芯、表面涂層和位于表面的特定生物識(shí)別元件組成。磁芯是磁珠的關(guān)鍵部件，為磁珠在不同磁場(chǎng)中的磁性操作提供必要的磁性。

在沒(méi)有保護(hù)涂層的情況下合成的磁珠具有疏水性表面，這會(huì)導(dǎo)致磁珠團(tuán)聚，從而阻礙生物識(shí)別元件的表面固定。為了保護(hù)這些磁珠免受氧化和團(tuán)聚，應(yīng)使用基于有機(jī)單體或聚合物穩(wěn)定劑的非聚合物穩(wěn)定劑進(jìn)行表面涂覆。

在用各種反應(yīng)性官能團(tuán)如胺和羧基進(jìn)行表面修飾后，磁珠可以根據(jù)需要的應(yīng)用與特定的生物識(shí)別元件如抗體、適體、肽等偶聯(lián)?？贵w因其在識(shí)別靶抗原方面的高特異性而被廣泛使用。

適體作為另一種重要的生物識(shí)別元件，在分析應(yīng)用中有著廣泛的應(yīng)用。適配子是用配體指數(shù)富集法系統(tǒng)演化（SELEX）技術(shù)從人工體外合成的隨機(jī)寡核苷酸序列庫(kù)中反復(fù)篩選得到的，能以極高的親和力和特異性與靶分子結(jié)合的一段寡核苷酸序列。適體可以是RNA，單鏈DNA或者雙鏈DNA。適體與靶分子的結(jié)合和抗原---抗體作用相似，適體具有明顯優(yōu)于抗體的許多特性。具有靶分子范圍廣、與配體作用親和力高特異性強(qiáng)、高度穩(wěn)定性、安全經(jīng)濟(jì)、制備方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

2.微流控芯片中的磁珠操作

將磁珠與微流控設(shè)備相結(jié)合為廣泛的應(yīng)用提供了幾個(gè)優(yōu)勢(shì)，如生物分子分析、生物傳感和藥物發(fā)現(xiàn)。這兩種技術(shù)的結(jié)合允許在微流控通道中精確快速地操縱磁珠，從而在許多測(cè)定中提高靈敏度、速度和特異性。主要優(yōu)點(diǎn)之一是能夠進(jìn)行多重測(cè)定，可以在單個(gè)實(shí)驗(yàn)中同時(shí)檢測(cè)多個(gè)靶標(biāo)。磁珠和微流控的集成允許對(duì)多個(gè)樣品進(jìn)行高通量和并行處理，從而提高了效率并降低了成本。這種組合的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠選擇性地從復(fù)雜樣本中捕獲和分離目標(biāo)。這種選擇性捕獲和富集可以提高微流控芯片中許多測(cè)定的靈敏度和特異性。

然而，在將磁珠與微流控設(shè)備相結(jié)合時(shí)，有幾個(gè)復(fù)雜問(wèn)題需要解決。一個(gè)主要問(wèn)題是磁珠堵塞微流控通道或磁珠自聚集的可能性。為了防止這種情況發(fā)生，正確的通道和磁場(chǎng)設(shè)計(jì)以及磁力的控制至關(guān)重要。此外，微流控通道的表面性質(zhì)也會(huì)影響顆粒對(duì)表面的粘附。表面改性可用于控制表面潤(rùn)濕性和減少顆粒的非特異性吸附，這有助于減少堵塞并提高測(cè)定效率。此外，由于光散射，在微流控設(shè)備中使用磁珠可能會(huì)干擾一些檢測(cè)方法，如熒光。為了克服這一點(diǎn)，可以使用替代的檢測(cè)方法，例如電化學(xué)或直接磁檢測(cè)。在以下章節(jié)中，我們將詳細(xì)概述微流控中的磁珠操作技術(shù)，以及如何在實(shí)現(xiàn)其生物學(xué)應(yīng)用的同時(shí)解決上述問(wèn)題。

2.1磁電泳

磁電泳是一種傳統(tǒng)的連續(xù)磁分離方法，由Degen等人于1977年首次報(bào)道。樣品中的靶標(biāo)首先與足夠多的磁性納米珠反應(yīng)并結(jié)合，形成磁珠-靶標(biāo)復(fù)合物（磁性靶標(biāo)）。然后將樣品流與緩沖溶液一起引入到磁電泳通道中，并施加梯度磁場(chǎng)。磁性目標(biāo)在磁場(chǎng)梯度的方向上受到力，導(dǎo)致它們向更高梯度的方向遷移。因此，磁性目標(biāo)與非磁性樣本背景連續(xù)隔離，導(dǎo)致連續(xù)流動(dòng)分離。最后，在設(shè)計(jì)的出口處收集磁性目標(biāo)。在相同的磁場(chǎng)和懸浮介質(zhì)中，磁珠的大小及其磁化率是影響磁泳過(guò)程的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。Pamme和Manz演示了自由流磁泳的系統(tǒng)，如圖2A所示。在高達(dá)500mT的垂直磁場(chǎng)下，隨著磁化率、尺寸和流速的變化，磁珠偏離層流方向。結(jié)果表明，在0.3mm/s的流速下，通道中可以分離出2種尺寸不同的磁珠。Wang等人提出了一種三維（3D）打印的磁電泳系統(tǒng)，該系統(tǒng)首次用于H5N1病毒的分離。用磁性納米珠靶向的病毒在磁場(chǎng)梯度下偏離到底部通道，分離效率高達(dá)88%。

圖2。（A） 利用自由流磁泳分離不同尺寸磁珠的原理。（B） 使用鐵磁性鎳導(dǎo)線的磁泳原理。（C） 靶DNA-珠復(fù)合物在鎳網(wǎng)格的邊緣被吸收，而非靶DNA直接從出口流出。（D） 在T形微通道中連續(xù)分離20μm非磁性顆粒和10μm非磁顆粒的照片。（E） 使用2種共流流體聚焦和分離磁珠的原理。

磁力電泳的一個(gè)重要因素是外部磁場(chǎng)施加的磁力。盡管使用永磁體可以在沒(méi)有外部電源的情況下產(chǎn)生磁場(chǎng)，但所產(chǎn)生的磁場(chǎng)容易衰減。這可能導(dǎo)致不均勻的磁力，該磁力可能影響磁分離過(guò)程。使用集成在微流控芯片中的微永磁體可以克服衰減。然而，由于產(chǎn)生的磁力有限，它可能不適合高流量情況。一種解決方案是使用軟鐵磁微觀結(jié)構(gòu)，如鎳（如鐵磁鎳線和鎳微陣列），并將其置于外部磁場(chǎng)中（圖2B）。通過(guò)整合鐵磁微觀結(jié)構(gòu)，可以增加其附近的磁場(chǎng)梯度，以產(chǎn)生用于磁分離的磁力。例如，Hale和Darabi開(kāi)發(fā)了一種微流控芯片，用于使用基于磁電泳的陽(yáng)性選擇方法從人類(lèi)血液中快速分離DNA（圖2C）。在這種設(shè)計(jì)中，在玻璃基板上沉積圖案化的薄鎳柵格，以產(chǎn)生用于磁分離的高梯度磁場(chǎng)陣列。結(jié)果表明，該方法能以20ml/h的高流速?gòu)?/span>1ml血樣中分離高達(dá)33μg的DNA。電磁鐵也可用于磁力電泳，因?yàn)樗梢院苋菀椎乜刂撇⒓傻轿⒘骺匦酒小?/span>Chung等人提出了一種與微磁體和冷卻通道集成的顆粒分選芯片，以減少電磁鐵產(chǎn)生的焦耳熱。結(jié)果表明，當(dāng)電流為1A時(shí)，所提出的微流控芯片具有較高的分離效率（85%）。

磁力電泳的另一個(gè)關(guān)鍵因素是流體流動(dòng)產(chǎn)生的流體動(dòng)力[39]。設(shè)計(jì)了一些特殊的微通道結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生高分離效率。最常見(jiàn)的是直微通道，但也提出了替代結(jié)構(gòu)，如蛇形和L、T和U形通道。Chen等人設(shè)計(jì)了一種微流控系統(tǒng)，用于使用簡(jiǎn)單的T形微通道連續(xù)分離和洗滌非磁性珠粒（圖2D）。

在磁力電泳中，磁性納米珠在微通道側(cè)壁上的積聚是一個(gè)主要問(wèn)題。隨著操作時(shí)間的延長(zhǎng)，納米顆粒會(huì)堵塞通道。此外，樣品流中的少量雜質(zhì)可能跟隨目標(biāo)流，導(dǎo)致不完全分離。為了解決這些限制，Zhou和Wang提出了一種新的方法來(lái)分離抗磁性微粒，該方法利用由直通道中的2種共流流體誘導(dǎo)的層流流體界面（圖2E）。感應(yīng)磁場(chǎng)產(chǎn)生的強(qiáng)大力使大粒子偏轉(zhuǎn)并聚焦在界面上，而小粒子保持其初始軌跡。

與傳統(tǒng)的管內(nèi)磁分離方法相比，磁電泳提供了一種理論上從無(wú)限體積的溶液中連續(xù)自動(dòng)分離目標(biāo)的方法，這對(duì)大體積樣品的預(yù)處理具有重要意義。然而，由于磁珠總是與樣品一起流動(dòng)，因此通常需要大量的免疫磁珠來(lái)確保大體積樣品的高分離效率，從而成本比較高。

2.2磁珠鏈

將免疫磁性納米珠固定在微流控通道的特定區(qū)域是減少免疫反應(yīng)和分離過(guò)度使用的理想解決方案。然而，在通道中固定磁珠存在兩個(gè)主要的挑戰(zhàn)性問(wèn)題。一種是當(dāng)磁體靠近通道放置時(shí)，磁珠在通道內(nèi)表面聚集，這將減小暴露于溶液的磁珠的有效面積和捕獲效率。通過(guò)將磁體以適當(dāng)?shù)木嚯x遠(yuǎn)離通道放置，磁珠可以均勻分布。另一個(gè)難點(diǎn)是如何保持通道中磁珠的穩(wěn)定性，因?yàn)榇帕Σ蛔阋允顾鼈儽３衷诟咚俾实牧黧w流下。為了克服這些問(wèn)題，人們已經(jīng)努力在具有不同磁場(chǎng)的微流控芯片中創(chuàng)建穩(wěn)定的磁珠鏈。如磁珠鏈機(jī)制部分所述和分析的，由于在特殊磁場(chǎng)下偶極-偶極相互作用，磁珠可以自組裝成鏈。形成的珠鏈可以固定在微流控通道中，也可以自由地保留在一個(gè)區(qū)域中。

2.3磁性流化床

與動(dòng)態(tài)磁珠鏈的目的相同，磁流化床是一種當(dāng)作用在磁珠上的粘性阻力和磁力處于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)并起到平衡力作用時(shí)，也能使磁珠在固定區(qū)域內(nèi)保持動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的方法。Tabnaoui基于磁珠鏈芯片進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)磁珠塞研究（圖3A），首次提出了磁流化床的概念。將兩個(gè)磁體放置在微流控芯片的兩側(cè)，以在微通道上產(chǎn)生磁性陷阱區(qū)域，以對(duì)抗流體阻力。在最佳流速下，通過(guò)阻力和磁力之間的動(dòng)態(tài)平衡形成了磁性流化床。然而，形成的磁珠塞并不均勻，在設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)下觀察到明顯的斷裂。

圖3.（A） 帶有一對(duì)磁鐵的磁珠鏈芯片和磁珠插頭的圖片。比例尺，200 mm。（B） 微流控流化床在不同工作狀態(tài)下的原理。（C） 不同流速下流化床的圖像。比例尺，1毫米。

為了解決這一限制，Pereiro等人優(yōu)化了磁場(chǎng)和通道的形狀，并提出了一種新的微流控裝置設(shè)計(jì)（圖3B），用于產(chǎn)生磁流化床。在V形微流控室的入口處引入永磁體產(chǎn)生了與流體流共線的磁場(chǎng)梯度。如圖3C所示，當(dāng)施加低壓時(shí)，磁珠在腔室入口附近保持靜態(tài)填充。然而，當(dāng)輸入壓力超過(guò)閾值時(shí)，由于通道狹窄，磁珠受到加速力，并被腔室入口附近的強(qiáng)阻力推向下游的特定位置。在該位置，磁力和阻力相互平衡，導(dǎo)致磁珠由于與其他磁珠的碰撞而不斷向腔室側(cè)面移動(dòng)。由于室壁附近的局部非滑移條件，阻力減弱，磁力占主導(dǎo)地位，使磁珠返回入口，形成磁性流化床。該流化床在微流控通道中表現(xiàn)出密度幾乎均勻的磁珠的恒定再循環(huán)，為各種生物靶標(biāo)的免疫捕獲提供了有效的珠液混合。

如以上部分所述，這3種方法（磁力電泳、磁珠鏈和磁流化床）通常用于微流控芯片中的生物目標(biāo)分離和富集。這些方法的關(guān)鍵點(diǎn)是通過(guò)磁場(chǎng)控制微流控通道中磁珠的運(yùn)動(dòng)或靜態(tài)，以確保磁珠能夠保持最大的有效比表面積，從而改善與生物靶標(biāo)的反應(yīng)。

3.結(jié)論和未來(lái)展望

近年來(lái)，人們對(duì)磁珠在捕獲和檢測(cè)不同化合物方面的應(yīng)用越來(lái)越感興趣。隨著微流控的發(fā)展，基于磁性的生物應(yīng)用已經(jīng)成功地小型化并集成到微流控系統(tǒng)中。磁珠在目前應(yīng)用中的主要作用實(shí)際上是捕獲特定生物標(biāo)志物的生物識(shí)別分子的載體。實(shí)際上，磁珠本身也可以用作信號(hào)輸出。在生物檢測(cè)中直接使用磁珠作為檢測(cè)信號(hào)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（a）成本低。只需要一個(gè)生物識(shí)別分子，并且不需要添加標(biāo)記材料。（b） 快速檢測(cè)時(shí)間。與傳統(tǒng)的基于免疫的方法需要2種抗體才能進(jìn)行反應(yīng)識(shí)別相比，直接使用磁珠作為目標(biāo)捕獲載體和信號(hào)載體的方法只需一步免疫反應(yīng)就可以大大縮短檢測(cè)時(shí)間。（c） 簡(jiǎn)單的程序?；诖胖榈臏y(cè)定易于操作，無(wú)需費(fèi)力的預(yù)處理和純化，因?yàn)榇蠖鄶?shù)生物和環(huán)境樣品本質(zhì)上具有低磁性背景。

盡管磁操縱系統(tǒng)已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，但在面臨工業(yè)和臨床應(yīng)用時(shí)，它仍然存在許多的挑戰(zhàn)：

1.目前的磁控管微流控芯片樣品處理量仍然較低，無(wú)法滿足大規(guī)模臨床測(cè)試的需要。因此，未來(lái)方向是增加芯片上磁控管的數(shù)量，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)樣本的同時(shí)處理，這可以在不犧牲檢測(cè)的高靈敏度和特異性的情況下有效提高樣本處理吞吐量。另一個(gè)未來(lái)方向是將新型納米技術(shù)集成到微流控芯片中，這可以開(kāi)發(fā)出更復(fù)雜、更強(qiáng)大、更高通量和靈敏度的微流控系統(tǒng)。此外，如何改進(jìn)現(xiàn)有的集成電磁線圈加工技術(shù)，制造出具有更高磁場(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，對(duì)未來(lái)的工業(yè)發(fā)展也具有重要意義。

2.     由于目前的系統(tǒng)主要依賴(lài)于開(kāi)環(huán)控制算法，并且只能通過(guò)給定的一組預(yù)定參數(shù)來(lái)執(zhí)行磁控制，因此仍然迫切需要一種全自動(dòng)的磁操縱平臺(tái)?；趫D像識(shí)別的閉環(huán)反饋可以提供一種適用于磁操縱系統(tǒng)的非接觸信號(hào)采集方法。

3.不同尺寸的磁珠會(huì)經(jīng)歷不同的磁力，這將直接影響磁系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，尤其是在磁泳系統(tǒng)中。因此，微流控系統(tǒng)中使用的磁珠的尺寸均勻性也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)尺寸均勻性的一種方法是改進(jìn)用于生產(chǎn)珠粒的制造工藝。這可能涉及開(kāi)發(fā)更精確的技術(shù)來(lái)控制珠子的大小和形狀，或者引入新的材料或技術(shù)來(lái)提高它們的一致性。另一種方法是開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的顆粒分離技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)給定尺寸的磁珠的精確分選。