磁控微流控芯片的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

洪少力，龐代文，張志凌

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，生物醫(yī)學(xué)分析化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430072)

1 前言

微型化和集成化是現(xiàn)代分析儀器發(fā)展的重要方向之一，而微流控芯片即具有微型化、集成化的特點(diǎn)，分析化學(xué)是微流控芯片最早最直接的應(yīng)用領(lǐng)域之一[1]。相對(duì)于宏觀尺度來說，微流控芯片中的微通道比表面積顯著增大，這使得微流控芯片在分析領(lǐng)域具有一系列的特殊效應(yīng)，如層流效應(yīng)、毛細(xì)效應(yīng)和分析體積減小導(dǎo)致的熱傳導(dǎo)效應(yīng)和擴(kuò)散效應(yīng)顯著[2]。盡管在微通道中有大的比表面積，然而在微通道中使用微珠形狀的材料能夠得到更好的結(jié)果[3]。磁性材料作為微珠形狀的一種，因其比表面積大、良好的磁導(dǎo)向性和操作性強(qiáng)等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于生物分離、靶向載藥和核磁共振成像等領(lǐng)域[4 - 9]，同時(shí)磁場的調(diào)控具有非直接接觸，不受環(huán)境(表面電荷、pH、離子強(qiáng)度、溫度)影響等優(yōu)勢。目前，把磁性材料應(yīng)用于微流控芯片的研究成為關(guān)注的熱點(diǎn)。從目前磁場與微流控芯片結(jié)合的相關(guān)報(bào)道來看，兩者呈現(xiàn)出多樣化的結(jié)合方式，磁控微流控芯片已經(jīng)應(yīng)用于微流控芯片中液體的混合和運(yùn)輸，芯片的開關(guān)和閥門，對(duì)磁性物體的運(yùn)輸、分離和捕獲[10]。本文重點(diǎn)介紹磁控微流控芯片在微全分析系統(tǒng)(μ-TAS)中對(duì)樣品的混合、分離、檢測及泵、閥控制中的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用。

2 磁性材料及磁場的調(diào)控方式

在磁控微流控芯片的研究體系中，磁性材料和磁場是兩個(gè)不可缺少的研究對(duì)象，共同構(gòu)成磁控微流控芯片研究的主體。下面分別對(duì)磁性材料及磁場的調(diào)控方式進(jìn)行介紹。

芯片中使用的磁性材料的尺寸從幾個(gè)納米到幾十個(gè)微米不等，這些材料大部分是超順磁性的，即其沒有磁記憶。生物分子(DNA或者抗體)能夠通過與磁性材料表面修飾的氨基或者羧基基團(tuán)化學(xué)反應(yīng)而連接在磁性材料表面[10]。根據(jù)磁性材料在芯片中的運(yùn)動(dòng)方式，磁性材料在芯片中的調(diào)控方式分為四種(圖1)：分離、傳遞、捕獲、混合。在沒有外加磁場存在的條件下，磁性材料在微流通道中跟隨液體進(jìn)行層流運(yùn)動(dòng)，當(dāng)遇到外加磁場的作用時(shí)，在磁場力和流體力的雙重作用下磁性材料的運(yùn)行路徑會(huì)發(fā)生偏移，從而出現(xiàn)與原運(yùn)動(dòng)路徑分離的運(yùn)動(dòng)方式(圖1a)。相對(duì)于磁性材料分離的運(yùn)動(dòng)方式，在相鄰磁場的作用之下，磁性材料位置發(fā)生轉(zhuǎn)移，從一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置實(shí)現(xiàn)磁珠的傳遞(圖1b),相較于前一種運(yùn)動(dòng)方式所需磁場的磁場梯度要求更高。磁性材料在芯片中的運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)所遇的外加磁場施加在磁性材料上的力大于流體施加在磁性材料上的流體力時(shí)，磁性材料停止跟隨流體運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁性材料的捕獲(圖1c)。此外，當(dāng)磁性材料受到流體通道兩側(cè)交替變化的磁場強(qiáng)度時(shí)，磁性材料在通道兩側(cè)來回運(yùn)動(dòng)，磁性材料在通道中的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)混合的效果(圖1d)。

目前微流控芯片中磁場產(chǎn)生的方式主要有三種：集成電磁體、集成軟磁鐵、外置磁體。集成電磁體是通過微加工的方法，在芯片內(nèi)集成微小的線圈，施加電流后產(chǎn)生磁場，通過調(diào)節(jié)電流的大小可以靈活調(diào)控磁場強(qiáng)度，同時(shí)通過控制電流的開關(guān)可以方便的控制磁場的有無，集成度高，但增大電流也會(huì)產(chǎn)生焦耳熱問題[11,12]。集成軟磁體是基于微加工技術(shù)，在芯片微通道中集成易磁化的微小的軟磁體(如鎳、鎳鐵合金等)，在外加磁場的磁化下，局部磁場梯度顯著增加，從而明顯提高了磁性材料受到的磁場力，能夠在較高的流速下控制磁性材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的快速、高通量分離和捕獲[13,14]。外置磁體，是在微流控芯片的外部直接放置常規(guī)永磁鐵或電磁鐵，通常使用的釹鐵硼固定磁鐵的磁極表面的磁通密度高達(dá)500 mT，即使把外置磁體放置在距離通道幾個(gè)毫米的范圍內(nèi)也能利用其磁場強(qiáng)度控制磁性粒子。該方法加工工藝簡單，成功率高，成本低且微流通道的設(shè)計(jì)不受限制[15 - 19]。在研究中，各種磁場調(diào)控方式相互配合，一般來說，外置磁鐵放置在芯片的外部，集成的磁體能夠合并在芯片中，在研究中根據(jù)不同的研究目的采用不同的磁場調(diào)控方式，實(shí)現(xiàn)各自的研究目的。

3 磁控微流控芯片的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

微流控芯片從μ-TAS發(fā)展而來，雖然目前微流控芯片的發(fā)展已經(jīng)超出了早期Manz等人提出μ-TAS的概念，但仍然指導(dǎo)著微流控芯片在分析化學(xué)中的發(fā)展。一個(gè)完整的μ-TAS，通常由采樣、稀釋、混合、反應(yīng)、分離和檢測等基本操作單元組成。

3.1 磁控微流控芯片在樣品混合中的研究

在微流控芯片中，當(dāng)通道的尺寸在100 μm的范圍之內(nèi)時(shí)，流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)通常是層流，典型的擴(kuò)散時(shí)間通常在分鐘到小時(shí)，混合對(duì)于微流控系統(tǒng)就顯得重要。通過提高混合效率能夠加速反應(yīng)，提高反應(yīng)效率[20]。受傳統(tǒng)磁力攪拌裝置的啟發(fā)，Muller等[21]結(jié)合兩個(gè)大的攪拌棒組成了一個(gè)非常簡單和有效的攪拌裝置，在芯片微室中放置兩個(gè)相對(duì)的5 mm磁攪拌棒，芯片放在傳統(tǒng)的磁攪拌裝置上，磁棒旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)液體的混合，使DNA的雜化反應(yīng)效率提升了2～5倍。區(qū)別于磁棒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)液體的混合，Arai等[22]利用光刻技術(shù)制造出尺寸更加微小的攪拌裝置，首先利用光刻技術(shù)光刻出不同的圖案，然后在光刻的圖案中填充上PDMS和磁性納米材料的混合物質(zhì)，經(jīng)過固化之后對(duì)其進(jìn)行剝離，就得到了磁性材料填充的不同聚合物圖案。在外加步動(dòng)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下，填充了不同磁性材料的聚合物圖案便跟隨外加磁場發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)液體混合的作用，同時(shí)由于PDMS的包覆使得聚合物圖案柔軟，使其能夠用于混合對(duì)柔軟性要求較高的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中。除了對(duì)磁攪拌棒和大量磁性材料的操控進(jìn)行液體的混合，操控磁珠的本身運(yùn)動(dòng)進(jìn)行液體的混合也受到關(guān)注，Gijs等[23]通過微加工技術(shù)，在微流控芯片通道的兩側(cè)形成一個(gè)高磁場梯度區(qū)域，在此高磁場梯度區(qū)域中進(jìn)行鐵磁性微米球控制，通過控制這些鐵磁性球在變化的磁場中的動(dòng)態(tài)移動(dòng)帶動(dòng)流體的強(qiáng)烈混合，其混合效率達(dá)到95%。為了改進(jìn)Gijs等工作中電磁鐵和磁性材料直接接觸的設(shè)計(jì)，Hansen等[24]在微流控芯片通道的兩側(cè)通過深反應(yīng)離子刻蝕系統(tǒng)(DRIE)和電鍍軟磁元素，使通道的兩側(cè)填充上軟磁材料。當(dāng)有外加磁場時(shí)，軟磁材料會(huì)被磁化，將通入通道中的磁珠捕獲并形成一個(gè)塞子。當(dāng)外加磁場減弱時(shí)，磁珠就會(huì)被釋放而沿著通道的流體流動(dòng)。一旦施加一個(gè)交變的磁場，在流體力和交變磁場力的共同作用下這些磁珠便沿著一個(gè)圓形的路徑移動(dòng)，從而帶動(dòng)通道中的流體混合。

3.2 磁控微流控芯片在樣品分離中的研究

利用磁場誘導(dǎo)粒子進(jìn)行分離具有簡單、成本低的特點(diǎn)，并且相對(duì)于電分離、聲波分離和光學(xué)分離的方法，該方法不會(huì)產(chǎn)生流體加熱的問題。同時(shí)，與過濾、離心、色譜或者電泳的間隔分離方法相比，在微流控芯片中能很方便的進(jìn)行連續(xù)流分離操作，與間隔分離方法相比，在微流控芯片中進(jìn)行的連續(xù)流分離操作具有連續(xù)加入樣品、連續(xù)讀出分離效率、不同成分的同時(shí)收集和潛在的集成化等優(yōu)勢[25]。結(jié)合磁性材料良好的磁導(dǎo)向性和可操作性，結(jié)合微流控連續(xù)流的特點(diǎn)，該方法目前被廣泛應(yīng)用于從溶液中分離磁性材料標(biāo)記的生物分子或者細(xì)胞等[13,14]。通過簡單的外置磁鐵使磁性粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)的制作方法具有簡單、易分離的優(yōu)勢。Ulrik等[26]將固定磁鐵放置在通道的一側(cè)，同時(shí)設(shè)計(jì)兩個(gè)出口通道，在流體力和磁場力的共同作用下，磁性粒子從靠近磁鐵的一側(cè)通道中流出，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了從溶液中分離結(jié)合有磁性粒子的細(xì)胞。相對(duì)于兩個(gè)出口的通道設(shè)計(jì)，Pamme等[27]在流體通道的出口設(shè)計(jì)了更多的出口，通過在通道中垂直放置一個(gè)外加磁鐵的設(shè)計(jì)考察了磁性材料與非磁性材料，以及不同粒徑磁性微米球在磁場中的偏轉(zhuǎn)效果，同時(shí)在不同的通道出口收集到不同偏轉(zhuǎn)效果的粒子。相對(duì)于單個(gè)外置磁鐵的分離，Chalmers等[28]設(shè)計(jì)了一個(gè)薄環(huán)形通道中磁場梯度垂直于流體方向的四極磁場(四個(gè)相對(duì)外置磁鐵)?；旌蠘悠愤M(jìn)入這個(gè)系統(tǒng)靠近管壁，溶液中的成分在磁場梯度強(qiáng)烈作用下，具有磁性的部分橫向穿過內(nèi)層通道的厚度發(fā)生裂分，在管道的出口利用一個(gè)液體分流器(一個(gè)進(jìn)液口兩個(gè)出液口的耐壓容器)將溶液分離成兩部分。除了通過外置磁鐵直接對(duì)磁性材料進(jìn)行分離，也有在微流控芯片液滴中包覆磁性材料，形成磁性液滴用于生物分離的報(bào)道，相對(duì)于常規(guī)微流控芯片連續(xù)流的分離方法，使用液滴進(jìn)行分離具有體積更小、高通量并且有利于避免交叉污染等特點(diǎn)[29]。Lammertyn等[30]通過外置磁鐵同時(shí)結(jié)合一個(gè)非對(duì)稱裂分區(qū)，在磁性液滴中對(duì)目標(biāo)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)捕獲之后，母液滴運(yùn)輸?shù)椒菍?duì)稱裂分區(qū)進(jìn)行裂分成兩個(gè)大小不等的子液滴，在外置磁鐵的作用下含有磁性粒子的子液滴只包含母液滴中10%的體積并被順利的進(jìn)行分離出來。

相較于大尺寸的外置磁鐵，把微區(qū)的軟磁材料引入到芯片中能夠使外置磁鐵產(chǎn)生一個(gè)局部更高的磁場梯度。由于磁性材料高的磁化率，由磁鐵產(chǎn)生的磁通密度能夠聚焦到磁性微結(jié)構(gòu)中，并且在一定的磁界面產(chǎn)生強(qiáng)烈的磁梯度，從而更加有效地提高分離效率[31]。Soh等[32 - 34]在微流控芯片中電鍍上Ni帶，利用Ni帶產(chǎn)生高磁場梯度，實(shí)現(xiàn)磁性粒子的高效分離，進(jìn)而進(jìn)行核酸適配體的高效篩選和多種細(xì)胞分選。在進(jìn)行核酸適配體篩選中96%左右的磁性粒子能夠得到分離。在進(jìn)行多種細(xì)胞分選中，利用不用角度Ni帶產(chǎn)生磁場梯度的差異，導(dǎo)致不同磁場強(qiáng)度的磁性粒子上捕獲的不同細(xì)胞的偏轉(zhuǎn)差異，從而實(shí)現(xiàn)不同細(xì)胞的分離，分離的細(xì)胞純度在90%以上，富集倍數(shù)可達(dá)5 000倍以上。由于微區(qū)軟磁材料的高磁場梯度不僅可以用來實(shí)現(xiàn)磁性粒子分離而且可以實(shí)現(xiàn)磁性材料的運(yùn)輸，Hansen等[35]利用微加工技術(shù)，在芯片上制作Ni-Fe合金微條帶，在芯片上實(shí)現(xiàn)了幾個(gè)毫米距離的磁性材料的運(yùn)輸，同時(shí)根據(jù)不同磁性材料的遷移速率不同，在運(yùn)輸?shù)倪^程中實(shí)現(xiàn)了兩種磁性粒子的分離。鑒于磁性材料的分離連接著分析系統(tǒng)中的上游樣品反應(yīng)和下游的樣品分析，本課題組郭佩琳等[36]結(jié)合Ni帶和Ni陣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)磁性納米球的動(dòng)態(tài)磁泳分離和靜態(tài)磁珠捕獲，從而實(shí)現(xiàn)樣品的分離和檢測的結(jié)合，最終在復(fù)雜基質(zhì)中實(shí)現(xiàn)高靈敏檢測沙門氏菌。相對(duì)于單一的磁珠捕獲設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)對(duì)復(fù)雜樣品的檢測能力更強(qiáng)，其檢測過程也更加自動(dòng)化。為了利用在芯片通道中引入的微型軟磁材料產(chǎn)生更高的磁場梯度，Ingber等[37]通過微加工技術(shù)，在通道的一側(cè)制造出梳子形狀的Ni-Fe磁性材料，在外置磁體的磁化下形成高梯度磁場集中器(HGMS)，通過此結(jié)構(gòu)對(duì)活細(xì)胞實(shí)現(xiàn)了有效分離。

此外，在微流控芯片中利用集成微電磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行樣品分離也有相關(guān)的報(bào)道。Hansen等[38]利用微加工技術(shù)和電子束蒸發(fā)技術(shù)，在微流控芯片上鍍上一層25 μm高度的Cu線，從而制造出微區(qū)電磁鐵結(jié)構(gòu)，用來進(jìn)行磁性納米粒子的分離。相對(duì)于電鍍線圈產(chǎn)生電磁場的結(jié)構(gòu)需要更多的微加工技術(shù)的儲(chǔ)備，Lehmann等[39]利用印刷電路板(PCB)制作一個(gè)電磁場，控制磁性液滴的移動(dòng)，以此完成細(xì)胞裂解中的DNA分離純化。由于固定磁鐵能夠很容易的產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.5～1T的磁場，相比較之下，簡單的平面線圈產(chǎn)生的磁場感應(yīng)強(qiáng)度則在mT范圍內(nèi)。為了彌補(bǔ)電磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度不足的問題，在研究中把線圈和軟磁磁軛結(jié)合能夠增強(qiáng)大約2倍的磁力，Ahn等[40]利用螺旋電磁鐵半包覆鎳鐵合金，利用增強(qiáng)的電磁鐵強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)磁分離細(xì)胞的目的。

3.3 磁控微流控芯片在樣品捕獲和檢測中的研究

磁性粒子高的比表面積和易于生物修飾的特點(diǎn)，使其非常適合從生物樣品中捕獲分析物質(zhì)，對(duì)分析物質(zhì)捕獲之后，進(jìn)一步的處理過程需要準(zhǔn)確和特異性的檢測[41]。在磁控微流控芯片上，可以方便地對(duì)磁珠進(jìn)行捕獲實(shí)現(xiàn)對(duì)分析物的富集和檢測，同時(shí)能夠方便地集成多種檢測手段。目前磁控微流控芯片已經(jīng)大量應(yīng)用于核酸檢測、氨基酸及蛋白質(zhì)分析、病原體檢測以及細(xì)胞捕獲等方面。本課題組在這方面也進(jìn)行了大量的研究工作。

核酸是生命遺傳信息的物質(zhì)基礎(chǔ)，核酸分子中堿基序列的突變與人類許多遺傳疾病有關(guān)，對(duì)特定核酸序列及變異基因的檢測在生物化學(xué)、分子生物學(xué)、微生物學(xué)、遺傳學(xué)及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都具有十分重要的意義[42,43]。在微流控芯片上進(jìn)行核酸分析，具有快速、簡便、樣品和試劑消耗低、多功能部件集成、易于實(shí)現(xiàn)微型化與自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。Shaw等[44]利用磁控微流控芯片結(jié)合非混相過濾的技術(shù)進(jìn)行核酸檢測，非混相過濾利用在水相和油相交界面的表面張力形成了一個(gè)“虛擬”的墻，磁性粒子在外加磁場的作用下在兩相之間快速移動(dòng)，對(duì)樣品溶液中核酸進(jìn)行提取，提取的核酸在磁場作用下捕獲在小室中進(jìn)行檢測，利用該設(shè)計(jì)完成幽門螺旋桿菌的糞便大體積核酸樣本的快速捕獲和分析。為了集成核酸分析功能單元，Lien等[45]在芯片上集成了泵閥、微磁鐵、微加熱器、微傳感器來控制整個(gè)實(shí)驗(yàn)，在芯片上結(jié)合RT-PCR技術(shù)檢測登革熱病毒和腸病毒，檢測限可達(dá)到102pfu/mL。相對(duì)于芯片上集成RT-PCR需要集成加熱的功能單元，對(duì)微加工技術(shù)提出了一定的要求，Wang等[46]在磁控微流控芯片中，利用磁性納米材料對(duì)耐甲氧西林葡萄球菌核酸進(jìn)行萃取，結(jié)合環(huán)介導(dǎo)等溫?cái)U(kuò)增技術(shù)(LAMP)，實(shí)現(xiàn)對(duì)耐甲氧西林葡萄球菌高靈敏檢測，檢測的條件更加溫和。同時(shí)，為了最大化的檢測低濃度的核酸，除了結(jié)合PCR技術(shù)之外，Soh等[47]在磁控微流控芯片集成電化學(xué)檢測單元進(jìn)行了一系列病原體核酸的檢測工作，由于其不需要光學(xué)設(shè)備并且電路技術(shù)和微流控技術(shù)能夠很好的集成，這使磁控微流控芯片集成電化學(xué)傳感成為了一個(gè)特別有前途的檢測方法。除了在磁控微流控芯片上開展關(guān)于病原體核酸檢測的研究，也有利用磁控微流控芯片進(jìn)行核酸簡單重復(fù)序列(SSR)的研究。SSR被廣泛應(yīng)用于基因組繪圖,遺傳多樣性表征和醫(yī)療診斷，李立家與本課題組余旭等[48]合作，結(jié)合氣閥技術(shù)在Ni陣結(jié)構(gòu)的磁控微流控芯片對(duì)妊娠有關(guān)的簡單重復(fù)序列(FIASCO)進(jìn)行了捕獲檢測。在磁控微流控芯片上對(duì)核酸的研究除了對(duì)核酸檢測的研究外，利用磁控微流控芯片也可開展DNA分子機(jī)械性質(zhì)的研究。DNA分子的機(jī)械性質(zhì)對(duì)分子生物功能起著重要的作用，DNA分子能夠視為一個(gè)長的、柔性的和納米范圍的薄的彈性聚合物，Lee等[49]利用微電磁結(jié)構(gòu)組成一個(gè)環(huán)狀捕獲結(jié)構(gòu)，對(duì)單個(gè)DNA分子進(jìn)行捕獲，用來研究DNA分子的機(jī)械性質(zhì)。

相對(duì)于核酸的檢測，與疾病相關(guān)的標(biāo)志蛋白的檢測更加直接，同時(shí)也是進(jìn)行早期診斷最有效的手段之一。目前對(duì)于癌癥的早期發(fā)現(xiàn)，最有效的辦法是通過驗(yàn)血來篩查血清中是否有過量表達(dá)的腫瘤標(biāo)志物。結(jié)合微流控芯片微型化的特點(diǎn)，對(duì)與疾病有關(guān)蛋白的檢測對(duì)于發(fā)展個(gè)性化的早期診斷具有很大的潛力。Garcia等[50]在微通道的上側(cè)放置固定磁鐵，對(duì)1～2 μm磁性粒子進(jìn)行捕獲，實(shí)現(xiàn)了高靈敏檢測甲狀旁腺素和白細(xì)胞介素。同樣利用固定磁鐵，Taverna等[51]在微通道兩側(cè)放置兩個(gè)相互排斥的永磁鐵，形成一個(gè)平行于微通道分布的磁場，在磁珠上修飾朊蛋白消化酶，捕獲之后形成平行于通道的磁鏈結(jié)構(gòu)，用于腦漿組織中朊病毒蛋白的消化研究，整個(gè)分析過程僅需3 min。由于直接使用外置磁鐵，不太容易對(duì)磁珠進(jìn)行精確控制，本課題組發(fā)展了制作相對(duì)簡單并且能形成高磁場梯度的磁控微流控結(jié)構(gòu)，劉妍君等[52]利用微型電磁線圈包覆導(dǎo)磁棍垂直放置通道兩側(cè)形成一個(gè)微區(qū)磁場對(duì)磁珠進(jìn)行捕獲，通過電流的開關(guān)能夠控制磁珠的捕獲與釋放，流體通過氣閥進(jìn)行操控，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)山羊免疫球蛋白的檢測；余旭等[53,54]利用微加工技術(shù)，在芯片底部形成高磁場梯度的Ni陣列，這種陣列結(jié)構(gòu)能夠?qū)Ω吡魉傧碌拇胖檫M(jìn)行捕獲，其捕獲的磁珠結(jié)構(gòu)即使液體的流速在50 μL/min也能夠保持穩(wěn)定，利用該陣列結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了多種癌癥靶標(biāo)物質(zhì)癌胚抗原(CEA)和甲胎蛋白的同時(shí)檢測，其檢測限分別達(dá)到3.5 ng/mL和3.9 ng/mL。除了蛋白的檢測之外，了解磁珠表面動(dòng)力學(xué)行為對(duì)于磁免疫分析技術(shù)的改進(jìn)與提高具有重要意義，本課題組韓雪等[55]利用微區(qū)陣列磁控微流控芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了小鼠IgG和溶液中Cy3標(biāo)記的羊抗小鼠IgG反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究，并獲得其相應(yīng)的結(jié)合和解離速率常數(shù)分別為7.9×104L/(mol·s)和1.7×10-4/s。

利用磁控微流控芯片發(fā)展出直接針對(duì)病毒樣品的免疫分析方法，其檢測過程更加簡單、快速、高效，對(duì)于現(xiàn)場的疾病防控以及食品生物安全的監(jiān)控等具有非常重要的意義。Lee等[56]通過微電磁場對(duì)登革熱病毒進(jìn)行富集和捕獲，整個(gè)過程在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的微泵和相應(yīng)的微閥作用下自動(dòng)化完成，登革熱病毒的檢測限達(dá)到102pfu/ml。同時(shí)，Lee等[57]在磁控微流控芯片中結(jié)合微流式細(xì)胞術(shù)對(duì)登革熱病毒進(jìn)行檢測，利用磁珠上修飾的登革熱病毒一抗對(duì)病毒進(jìn)行捕獲，二抗修飾上染料對(duì)捕獲的病毒復(fù)合進(jìn)行標(biāo)記形成磁球-病毒-染料的復(fù)合物，標(biāo)記的復(fù)合物在磁場的作用下被捕獲，然后對(duì)捕獲的復(fù)合物進(jìn)行依次釋放通過流式結(jié)構(gòu)的通道，對(duì)復(fù)合物上的熒光信號(hào)進(jìn)行檢測。在磁球上結(jié)合熒光信號(hào)對(duì)病毒進(jìn)行檢測，量子點(diǎn)無疑是一種優(yōu)異的熒光材料，具有寬激發(fā)窄發(fā)射、發(fā)射波長可調(diào)以及耐光漂和熒光性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，使其對(duì)提高熒光檢測方法的靈敏度非常有利。本課題組李安珺等[58]早期通過在芯片中嵌入兩個(gè)固定磁鐵，形成一個(gè)局部勻強(qiáng)磁場對(duì)磁珠進(jìn)行捕獲，結(jié)合量子點(diǎn)優(yōu)異的熒光特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)新城疫病毒的靈敏檢測；張瑞巧等[59]利用導(dǎo)磁棍上放置一個(gè)微型固定磁鐵，在微流控芯片通道中形成一個(gè)微區(qū)磁場捕獲磁珠，捕獲的磁珠形成了一個(gè)微反應(yīng)區(qū)，通過磁免疫反應(yīng)捕獲富集病原體，捕獲的病原體通過二抗體上修飾的生物素進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記的二抗與量子點(diǎn)上的鏈霉親和素的相互作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)病原體的免疫熒光定量分析，對(duì)病原體進(jìn)行免疫熒光定量分析的同時(shí)結(jié)合光纖光譜儀搭建出一套可便攜檢測禽流感病毒的裝置。

由于微流控芯片的通道尺寸(10～200 μm)和細(xì)胞的大小相當(dāng)，且PDMS芯片透光性和生物相容性好，還具有一定的透氣性，能夠很好的應(yīng)用于細(xì)胞研究，目前已經(jīng)被用于細(xì)胞篩選、細(xì)胞的培養(yǎng)與生長監(jiān)測、細(xì)胞間相互作用和胞內(nèi)成分分析、生物模型構(gòu)建等方面[60,61]。本課題組劉妍君等[62]利用微加工技術(shù)在芯片中加工出Ni微柱、微閥和微通道，通過微加工技術(shù)形成的微通道填滿整個(gè)通道所需體積僅375 nL，在通道中形成的微柱產(chǎn)生的高磁場梯度，實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤細(xì)胞A549細(xì)胞的捕獲與分選，其捕獲效率在62%～74%；余旭等[53]利用Ni陣列結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁珠的圖案化排布(圖2)，并以此進(jìn)行細(xì)胞圖案化的處理，細(xì)胞圖案或陣列能夠用來作為基于細(xì)胞的傳感器，用來研究一些被檢測物對(duì)細(xì)胞的作用。在研究有害物質(zhì)對(duì)細(xì)胞的毒害作用中，胡斌等[63,64]利用磁控微流控芯片對(duì)金屬離子進(jìn)行微萃取，結(jié)合電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)對(duì)重金屬離子與細(xì)胞的作用進(jìn)行了研究。此外，本課題組余旭等[65]還首次利用Ni粉填充的方式調(diào)控磁場，Ni粉填充-PDMS微柱能夠獲得高的磁場梯度，在高磁場梯度中能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)酵母細(xì)胞的捕獲。采用Ni粉填充的磁場調(diào)節(jié)方式既操作簡單同時(shí)又能形成高的磁場梯度，使其在生物、生物醫(yī)療和組織工程研究中存在潛力。在細(xì)胞的研究中，循環(huán)腫瘤細(xì)胞(CTCs)受到研究者的極大關(guān)注。CTCs是原發(fā)腫瘤組織脫落進(jìn)入外周血的腫瘤細(xì)胞，CTCs的捕獲對(duì)于癌癥的早期檢測、診斷以及監(jiān)控癌癥愈后復(fù)發(fā)的情況，都有極其重要的意義[66]。但是CTCs在外周血中的含量極少，一般1×109個(gè)細(xì)胞中才含有1個(gè)CTC。從大量的細(xì)胞中分選極少量的CTCs，對(duì)于臨床醫(yī)生來說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。Jung等[67]通過在微流控芯片放置陣列化的微小固定磁鐵，實(shí)現(xiàn)了對(duì)CTCs的捕獲，其效率為10.19%～22.91%。相對(duì)于在芯片中放置固定磁鐵陣列，在芯片中電鍍Ni陣結(jié)構(gòu)形成微區(qū)磁場的方法更加方便，本課題組湯曼等[68]利用微區(qū)Ni陣列的磁控微流控芯片，在微流控芯片中實(shí)現(xiàn)CTCs的高效捕獲，在全血中的捕獲效率高達(dá)94%，捕獲的細(xì)胞能夠在倒置熒光顯微鏡下進(jìn)行原位免疫細(xì)胞化學(xué)(ICC)識(shí)別。

3.4 微流控芯片中磁場調(diào)控的泵和閥

磁控微流控芯片除了具有混合、分離和捕獲檢測的功能之外，要通過磁場調(diào)控實(shí)現(xiàn)建立一個(gè)μ-TAS的最終目標(biāo)，泵和閥的集成也是關(guān)鍵組成部分。在微流控芯片中基于磁流體動(dòng)力學(xué)的原理可以用來設(shè)計(jì)制作泵，Lee等[69]利用磁流體動(dòng)力學(xué)理論設(shè)計(jì)了磁泵，其原理為在電場和磁場同時(shí)存在的條件下，微流控芯片中的導(dǎo)電液受到一個(gè)洛倫茲力，這個(gè)力充當(dāng)著泵的動(dòng)力帶動(dòng)液體流動(dòng)。根據(jù)相同的原理，同時(shí)為了解決直流電在芯片通道中電解產(chǎn)生氣泡的問題，Lee等[70]利用一個(gè)電磁鐵提供一個(gè)磁場，同時(shí)引入交流電代替直流電以解決直流電在通道中電解產(chǎn)生氣泡的問題。Berney等[71]利用磁流體動(dòng)力學(xué)的原理設(shè)計(jì)的泵為在微流控芯片中進(jìn)行的周期性化學(xué)反應(yīng)提供了一個(gè)驅(qū)動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)在微流控芯片中進(jìn)行PCR反應(yīng)。除了利用磁流體動(dòng)力學(xué)原理之外，利用鐵磁流體設(shè)計(jì)泵的研究也受到研究者的注意。在外加磁場的驅(qū)動(dòng)下，鐵磁流體驅(qū)動(dòng)著液體流動(dòng)，這種泵易于操作且成本低，但其前提條件是鐵磁流體和被驅(qū)動(dòng)的液體不能混合。Bohringer等[72]基于鐵磁流體設(shè)計(jì)了一個(gè)環(huán)形的泵，泵的流速能通過環(huán)形芯片的尺寸和外加磁鐵的移動(dòng)速度來控制，其最大流速可以達(dá)到48.5 μL/min。

基于磁流體動(dòng)力學(xué)原理與鐵磁流體的設(shè)計(jì)不僅能夠在微流控芯片中充當(dāng)泵的作用，也能夠充當(dāng)閥的功能。Lee等[73]利用鐵磁流體，制作成一個(gè)活塞，兩個(gè)閥，通過鐵磁流體在微流控芯片中填充，阻隔流體的流動(dòng)[73]。在磁流體動(dòng)力學(xué)原理指導(dǎo)下，Abraham等[74]設(shè)計(jì)了一個(gè)Y型流體通道，通過電流的交替變化，改變流體的運(yùn)動(dòng)方向從而起到閥的作用。此外，也有直接利用磁性材料的填充設(shè)計(jì)閥的結(jié)構(gòu)。Lopez等[75]利用磁性材料修飾的彈性材料，磁性材料既可以填充在彈性材料中，也可以包覆在彈性材料上，在外加電磁場的控制下，填充有磁性材料的彈性材料發(fā)生形變，可以實(shí)現(xiàn)在微流控芯片中開關(guān)的作用，這種方法簡單、快速，不需要昂貴的制造設(shè)備。

4 磁控微流控芯片發(fā)展的問題及展望

隨著我國人口老齡化的到來，慢性病發(fā)生率將提高，這給現(xiàn)有醫(yī)療體系帶來很大的壓力，因此，急需發(fā)展容易使用并且經(jīng)濟(jì)的醫(yī)療檢測技術(shù)。微流控芯片微型化、集成化和低成本的特點(diǎn)，使其有可能成為“改變世界”的技術(shù)，其在疾病的檢測中已經(jīng)展現(xiàn)出很大的潛力。同時(shí)，要發(fā)展出從樣品進(jìn)到結(jié)果出能夠?qū)崿F(xiàn)即時(shí)檢測的微流控芯片，也存在不小的挑戰(zhàn)，需要微流控芯片具有快速、靈敏、集成和微型化的能力。磁控微流控芯片利用磁場的非接觸性、豐富的操作手段和便于集成的特點(diǎn)，在微流控芯片的發(fā)展中形成了不可或缺的一部分，經(jīng)過多年的發(fā)展，磁控微流控芯片在分析功能單元上已經(jīng)有了充足的積累，目前已經(jīng)貫穿在分析的泵閥、混合、分離到捕獲檢測的各個(gè)單元，這些單元的實(shí)現(xiàn)為即時(shí)分析提供了技術(shù)基礎(chǔ)，使磁控微流控芯片發(fā)展出方便經(jīng)濟(jì)的檢測手段具有很大的潛力。盡管如此，目前磁控微流控芯片的發(fā)展存在著功能單元集成單一的問題，研究者一般聚焦于磁控微流控芯片的一部分分析功能。對(duì)于未來的磁控微流控芯片的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)功能單元的集成化，將是其重要的研究方向之一。