崔嘉軒, 劉 璐, 李東浩, 樸相范

(1. 延邊大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系, 吉林 延吉 133002; 2. 延邊大學(xué)工學(xué)院電子系, 吉林 延吉 133002)

微納尺度物質(zhì)(尺寸分布為0.1～100 μm的細(xì)胞、生物大分子、合成顆粒物、膠體等)的分離分選在生命科學(xué)、材料科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域中至關(guān)重要,分離微納尺度物質(zhì)將在靶標(biāo)篩查、個(gè)體化差異、新藥開(kāi)發(fā)、個(gè)體化精準(zhǔn)治療等方面具有巨大意義[1-3]。目前,主要根據(jù)微納尺度物質(zhì)表面的物理化學(xué)性質(zhì)如尺寸、形狀、電荷、質(zhì)量等不同對(duì)其進(jìn)行分離分選[4]?，F(xiàn)有的分離微納尺度物質(zhì)方法可以分為兩大主流。一種是基于目標(biāo)物尺寸差異在通道和流體的共同作用下的路徑不同,從而實(shí)現(xiàn)分離的被動(dòng)式分離技術(shù),如確定性側(cè)向位移、慣性聚焦、超濾法、離心法等。雖然被動(dòng)式分離技術(shù)取得了一定進(jìn)展,但其普遍存在分離度低、易堵塞通道、難以實(shí)現(xiàn)在線分離檢測(cè)的問(wèn)題[5-7]。第二種分離方法是根據(jù)混合目標(biāo)物中不同目標(biāo)物所具有的物理化學(xué)性質(zhì)不同,通過(guò)添加不同的外力場(chǎng)使目標(biāo)物在分離系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)行為發(fā)生改變,從而實(shí)現(xiàn)分離的主動(dòng)式分離技術(shù),外加力場(chǎng)類型有電場(chǎng)[8]、磁場(chǎng)[9]、流場(chǎng)[10]及聲場(chǎng)[11]等,這些主動(dòng)式分離技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微納尺度物質(zhì)的在線分離和分選,并且在微顆粒、外泌體、病毒及單細(xì)胞分離工作中展現(xiàn)出重要的作用[8,12-15]。然而如何使這些分離技術(shù)小型化、集成化、易操作仍然是現(xiàn)今待解決的問(wèn)題。

微流控技術(shù)(microfluidics)也被稱為芯片實(shí)驗(yàn)室(lab chip),起源于1990年Manz等[16]提出的“微全分析系統(tǒng)”(miniaturized total chemical analysis systems, μTAS),指的是通過(guò)制作微管道(尺寸為數(shù)十到數(shù)百微米)或微流控芯片來(lái)操縱微小流體(體積為pL～μL)并對(duì)微尺度物質(zhì)樣品組分進(jìn)行分離的技術(shù),是一種主要針對(duì)微納尺度物質(zhì)分離的有效方法。微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)微納尺度物質(zhì)的精準(zhǔn)、高通量、在線分離,可以用最少的試劑、時(shí)間和成本完成分離任務(wù)且具有微型化、集成化、成本低廉、高通量等特征[17,18]。隨著微流控技術(shù)的發(fā)展,利用微納尺度物質(zhì)的不同性質(zhì),制作特殊結(jié)構(gòu)的微流控芯片裝置,以提高對(duì)微納尺度物質(zhì)的分離效率,更具有針對(duì)性,微流控芯片的生物相容性提高了其在生物細(xì)胞操作[19,20]和分析[21,22]中的應(yīng)用,同時(shí)在微流控技術(shù)方面可以使復(fù)雜分析方案合理化,顯著減少樣品體積和試劑成本,在處理微量樣品時(shí)具有降低成本、降低危害、提高分辨率等優(yōu)勢(shì)。隨著微流控技術(shù)對(duì)微納尺度物質(zhì)分離發(fā)展的不斷增長(zhǎng)與進(jìn)步,針對(duì)細(xì)胞、顆粒物等微納尺度物質(zhì)的分離在醫(yī)療領(lǐng)域[23-25]、生物化學(xué)領(lǐng)域[24,26-28]等起到了至關(guān)重要的作用。利用這些優(yōu)勢(shì)可以將基于外加場(chǎng)的分離技術(shù)與微流控技術(shù)進(jìn)行聯(lián)用,制備所需的微流控芯片[29],針對(duì)不同特性的樣品施加外部力場(chǎng),比如電場(chǎng)[30,31]、磁場(chǎng)[32,33]及聲場(chǎng)[11]等來(lái)對(duì)混合樣品組分進(jìn)行精準(zhǔn)分離。

本文主要概述了在微流控芯片上依托流動(dòng)場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)及聲場(chǎng)的主動(dòng)分離技術(shù)來(lái)提高分離效率的研究現(xiàn)狀,并探討對(duì)生物細(xì)胞的富集與混合顆粒物的有效精準(zhǔn)分離的發(fā)展與應(yīng)用。

1 流場(chǎng)場(chǎng)流分離技術(shù)

流場(chǎng)場(chǎng)流分離技術(shù)(flow field-flow fractionation, FIFFF)是各種場(chǎng)流分離技術(shù)中使用最通用的一種技術(shù),其中非對(duì)稱流場(chǎng)流分離技術(shù)(asymmetrical flow field-flow fractionation, AF4)是1987年由Wahlund和Giddings提出的一種流場(chǎng)分餾技術(shù)[34],目前被廣泛應(yīng)用。該技術(shù)將非特異性的相互作用減少到最低限度,并具有分辨率高的優(yōu)點(diǎn)[35,36],在FIFFF通道內(nèi),外加力場(chǎng)為垂直于流道方向的橫向流,樣品在橫向流的驅(qū)動(dòng)下與自身擴(kuò)散力之間達(dá)到一個(gè)平衡,各組分在通道內(nèi)壁上產(chǎn)生分布差異,其中,小尺寸樣品在積聚壁上形成的分布層要高于大尺寸顆粒,這時(shí)流動(dòng)場(chǎng)在通道內(nèi)流動(dòng)時(shí),分布層較高的小尺寸顆粒要比大尺寸顆粒更早的洗脫,從而實(shí)現(xiàn)分離[37]。FIFFF沒(méi)有固定相,對(duì)樣品施加的剪切力和機(jī)械應(yīng)力較小,使它成為一種溫和的分離技術(shù),現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于分離和表征不同尺寸和不同形狀的顆粒、細(xì)胞、蛋白質(zhì)或DNA等物質(zhì)[38,39]。

Dou等[40]利用非對(duì)稱流場(chǎng)流分離技術(shù)在線耦合紫外(ultraviolet absorption detecto, UV)、多角度光散射(multiangle light scattering, MALS)和熒光(fluorescence, FS)探測(cè)器對(duì)蛋黃血漿進(jìn)行分離和表征。利用蛋黃血漿作為AF4的載體液,評(píng)價(jià)了AF4對(duì)蛋黃血漿中的可溶性蛋白、低密度脂蛋白(low density lipoproteins, LDL)及其聚集物進(jìn)行高效快速分離和表征的實(shí)用性。同時(shí)研究了低密度脂蛋白在卵黃血漿中的聚集行為,利用程序交叉流的AF4具有提高檢測(cè)能力、降低樣品消耗和減少分析時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)果證明，AF4適用于尺寸分布范圍較大目標(biāo)物的分離和表征,如蛋黃血漿。該團(tuán)隊(duì)還利用AF4結(jié)合多角度光散射和差分折射探測(cè)器(differential refractive index, DRI)對(duì)淀粉的分離和表征進(jìn)行了深入研究[41],為今后更好地研究淀粉結(jié)構(gòu)-功能的關(guān)系提供重要信息。

Ashby等[42]利用流場(chǎng)場(chǎng)流分離技術(shù)結(jié)合離心分離技術(shù),建立了一種基于相對(duì)解離率的冠狀蛋白鑒定方法,用來(lái)篩選納米顆粒和蛋白質(zhì)之間的相互作用。該方法將超順磁氧化鐵納米顆粒(superparamagnetic iron oxide nanoparticles, SPION)和免疫球蛋白G(lgG)在人血清中進(jìn)行孵育,再利用F4和離心法分離出與SPION親和力較好的蛋白質(zhì),F4以較快的速度洗去與納米顆粒相互作用的蛋白質(zhì),解決了當(dāng)納米粒子進(jìn)入到生物基質(zhì)時(shí),基質(zhì)表面形成的蛋白冠對(duì)納米粒子在生物系統(tǒng)中的后續(xù)行為影響,有助于研究蛋白質(zhì)冠的時(shí)間分布及其在生物基質(zhì)中的演化,以及高通量分析蛋白質(zhì)冠與粒子特性相關(guān)的動(dòng)態(tài)特征。

Adkins等[43]將納米顆粒跟蹤技術(shù)(nanoparticle tracking analysis, NTA)與AF4耦合得到AF4-NTA技術(shù),彌補(bǔ)了NTA在線檢測(cè)器存在檢測(cè)范圍窄、流量小和壓力閾值低等問(wèn)題。AF4-NTA作為一項(xiàng)對(duì)混合物中不同粒子數(shù)的納米材料進(jìn)行高效精確粒子計(jì)數(shù)的技術(shù),利用合理的分流設(shè)計(jì),對(duì)尺寸為50、100和200 nm的聚苯乙烯混合物進(jìn)行分離分析,同時(shí)在線對(duì)混合物中不同納米尺寸目標(biāo)物進(jìn)行精確地顆粒計(jì)數(shù)。

目前,AF4在不斷地進(jìn)步與發(fā)展,無(wú)論在化學(xué)分離領(lǐng)域或者生命科學(xué)等其他重要領(lǐng)域都顯示出了巨大的潛力,它可以利用溫和分離且裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特性,與不同的檢測(cè)器進(jìn)行耦合,為生物治療和納米顆粒分離表征提供技術(shù)支持。在未來(lái),AF4溫和分離特性優(yōu)勢(shì)與微流控的通道小型化、節(jié)約試劑和節(jié)約樣品成本的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合,成為一種高度靈活和具備高分辨率的分離技術(shù),具有巨大的發(fā)展前景。

2 基于外加電場(chǎng)的分離技術(shù)

近年來(lái),越來(lái)越多的科學(xué)家利用電場(chǎng)對(duì)微納尺度物質(zhì)進(jìn)行分離分析。主要分離原理是根據(jù)目標(biāo)物尺寸、大小和帶電荷量等特性的不同,通過(guò)調(diào)節(jié)電參數(shù)使其在分離系統(tǒng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)行為發(fā)生變化,達(dá)到對(duì)生物細(xì)胞和顆粒物等微納尺度物質(zhì)的操縱與分離。常見(jiàn)的外加電場(chǎng)的分離方法分為4種(見(jiàn)圖1),分別為毛細(xì)管電泳[44]、介電泳(dielectrophoresis, DEP)[29,31]、電場(chǎng)場(chǎng)流分離[45-47]、電滲驅(qū)動(dòng)[48]。

圖 1 目前被廣泛使用的4種電場(chǎng)分離技術(shù)Fig. 1 Four widely used electric field separation techniques a. capillary electrophoresis (CE); b. dielectrophoresis (DEP); c. electrical field flow fractionation (EIFFF); d. induced charged electroosmosis (ICEO). EP: electrophoresis; EOF: electroosmotic flow.

2.1 毛細(xì)管電泳

根據(jù)在一定的電場(chǎng)作用下帶電粒子在介質(zhì)中定向遷移的性質(zhì),利用毛細(xì)管電泳技術(shù)在兩端施加高壓電場(chǎng)對(duì)微納尺度物質(zhì)的分離分析滿足當(dāng)今高效快速的分離需求[49-51]。毛細(xì)管內(nèi)壁與緩沖溶液的界面上形成雙電層,在高壓電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下形成定向運(yùn)動(dòng)的電滲流。如圖1a所示,帶電粒子根據(jù)自身的電泳力和電滲流力差異實(shí)現(xiàn)分離[52]。毛細(xì)管電泳具有分析快速靈敏、樣品消耗量少、分離效率高等優(yōu)點(diǎn),在藥物分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品檢測(cè)中應(yīng)用廣泛[50,52-55]。將毛細(xì)管電泳技術(shù)與微流控技術(shù)聯(lián)用,即微流控芯片電泳(microchip electrophoresis, MCE)是近年被廣泛應(yīng)用的一種新型分離技術(shù),具有低成本、分辨率高、快速等優(yōu)點(diǎn)[56,57],被廣泛用于微納尺度物質(zhì)的分離分析中。Zhang等[58]利用微流控芯片電泳技術(shù)對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和鼠傷寒沙門氏菌3種細(xì)菌進(jìn)行定量檢測(cè),有助于對(duì)人工污染的生食肉類中的致病菌進(jìn)行分析,結(jié)果顯示MCE技術(shù)具有靈敏度高、速度快、試劑消耗少和操作迅速等優(yōu)點(diǎn),是一種有效、可靠的食品安全評(píng)價(jià)方法。

Jeon等[59]開(kāi)發(fā)了一種基于壓力驅(qū)動(dòng)流誘導(dǎo)電泳的連續(xù)分離方法,如圖2a所示,在微流控裝置內(nèi),混合的微納尺度物質(zhì)受到來(lái)自流體的驅(qū)動(dòng)力、電滲流帶來(lái)的阻力和電泳力為主導(dǎo)的3種合力,根據(jù)其自身受電場(chǎng)影響下的電泳遷移率不同而進(jìn)行有效分離,分離效率可達(dá)97%。

圖 2 基于微流控芯片電泳的分離系統(tǒng)Fig. 2 Separation systems based on microchip electrophoresis a. schematic diagram of the separation device and separation process and movement of 4.8-μm particles in the separation channel as a function of the applied voltage[59]; b. diagram of cross-type microfluidic glass chip[60].

蔡綺丹等[60]為了驗(yàn)證阿霉素這一常用的蒽環(huán)類抗腫瘤藥物是否與谷胱甘肽存在結(jié)合,利用微流控芯片電泳技術(shù)微型化集成化等優(yōu)點(diǎn)。如圖2b所示,利用簡(jiǎn)化的Hummel-Dreyer芯片毛細(xì)管電泳法,考察了阿霉素與還原性、氧化型谷胱甘肽的親和作用,最終得到了谷胱甘肽自身與阿霉素?zé)o親和作用這一結(jié)論,為抗腫瘤藥物的研發(fā)提供了理論支持。綜上所述,毛細(xì)管電泳技術(shù)與微流控技術(shù)的聯(lián)用在醫(yī)療、食品和生物等各個(gè)領(lǐng)域都有很大的發(fā)展前景。

毛細(xì)管電泳技術(shù)與微流控技術(shù)的聯(lián)用同時(shí)具備毛細(xì)管電泳技術(shù)無(wú)標(biāo)記和對(duì)細(xì)胞等無(wú)損傷的優(yōu)勢(shì),聯(lián)用微流控技術(shù)的高效、微型化精準(zhǔn)分離,解決了傳統(tǒng)毛細(xì)管電泳技術(shù)裝置繁瑣等問(wèn)題,具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 介電泳

介電泳由Pohl[61]在20世紀(jì)50年代首次研究提出,指可極化粒子在非勻強(qiáng)電場(chǎng)中將會(huì)受到極化作用進(jìn)而產(chǎn)生偶極矩,偶極矩與非勻強(qiáng)電場(chǎng)之間產(chǎn)生介電泳力。粒子在該體系內(nèi)將會(huì)受到指向場(chǎng)最大的力正介電泳力(positive dielectrophoresis, pDEP),或者遠(yuǎn)離場(chǎng)的最大力負(fù)介電泳力(negative dielectrophoresis, nDEP),如圖1b所示。介電泳操縱粒子具有集成化、操作方便、成本低廉等優(yōu)勢(shì),已廣泛用于分離微顆粒和細(xì)胞[62-65]。但是介電泳如果在強(qiáng)電場(chǎng)條件下對(duì)生物樣品進(jìn)行分離,則會(huì)導(dǎo)致生物樣品在電場(chǎng)內(nèi)受焦耳熱的影響直接死亡或產(chǎn)生不可逆的損傷[65]。因此,利用微流控裝置產(chǎn)熱少、高通量和成本低等優(yōu)勢(shì),將介電泳技術(shù)與微流控技術(shù)聯(lián)用,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物樣品無(wú)損和高效的分離[31]。

為了解決多組分樣品的同時(shí)富集,Zhao等[66]研制了一種新型微流控裝置,在直流介電泳(direct current-DEP, DC-DEP)提供的非勻強(qiáng)電場(chǎng)條件下,調(diào)節(jié)外加電場(chǎng)的電參數(shù)和流動(dòng)相懸浮液的電導(dǎo)率,實(shí)現(xiàn)對(duì)大小相近但介電特性不同的微納米混合顆粒物的分離。

Zhao等[67]還制作了新型交流介電泳(alternating current-DEP, AC-DEP)微流控芯片,芯片同時(shí)將兩個(gè)電極嵌在相對(duì)側(cè)壁上的一組不對(duì)稱孔內(nèi),使產(chǎn)生不均勻的電場(chǎng)。如圖3a所示,生物細(xì)胞等樣品通過(guò)微流控裝置內(nèi)時(shí),利用液聚焦使樣品在同一水平線移動(dòng),聚焦后的樣品進(jìn)入到DEP電場(chǎng)范圍內(nèi)時(shí),樣品受pDEP和nDEP的影響分別向兩側(cè)孔內(nèi)移動(dòng)。該實(shí)驗(yàn)研究了活酵母細(xì)胞和死酵母細(xì)胞在不同離子濃度、電導(dǎo)率、交流電場(chǎng)頻率下的DEP行為。與直流介電泳不同的是,該裝置利用調(diào)節(jié)交流電頻率、電壓等參數(shù),成功分離大小相近但介電常數(shù)不同的活酵母細(xì)胞和死酵母細(xì)胞。該微流控裝置制作簡(jiǎn)單,設(shè)計(jì)可以避免焦耳熱效應(yīng),且能誘導(dǎo)非均勻電場(chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)梯度,可用于分離尺寸相近的納米顆粒。

圖 3 基于介電泳技術(shù)的微流控分離系統(tǒng)Fig. 3 Microfluidic separation systems based on dielectrophoresis technology a. schematic illustration of the microchannel for the measurement of the lateral migration of the yeast cells red color indicates the electric field strength[67]; b. diagram of ionic liquid electrode dielectrophoresis device[68]; c. schematic showing the interface of the DEP microelectrode array chip with the scanning electron microscope and microscopic images of human tissue leukemia cells intercepted at positive dielectrophoresis (pDEP) in a micromotor array chip[69]; d. schematic diagram of direct curren-dielectrophoresis (DC-DEP) microfluidic chip device with asymmetric orifice[70]; e. DEP microfluidic chip device schematic diagram[71].

Kim等[68]使用獨(dú)特的合成介電泳標(biāo)記來(lái)明確多種細(xì)胞類型,在微流控裝置的內(nèi)部通道結(jié)構(gòu)上放置兩個(gè)具有不同角度的傾斜電極,利用傾斜電極提供非均勻電場(chǎng),如圖3b所示。在非勻強(qiáng)電場(chǎng)下,混合樣品中不同尺寸的顆粒物在裝置內(nèi)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)行為不同,實(shí)現(xiàn)了高分辨率和高吞吐量的分離效果。

Khoshmanesh等[69]設(shè)計(jì)了一種非黏附的脂質(zhì)捕獲DEP系統(tǒng),如圖3c所示,利用光刻技術(shù)在玻璃基板上制備了DEP微電極陣列,避免了生物細(xì)胞的污染?；谛酒年嚵袘?yīng)用于捕獲人白血病細(xì)胞的環(huán)境掃描電子顯微鏡(environmental scanning electron microscope, ESEM)分析。這項(xiàng)工作驗(yàn)證了DEP細(xì)胞保留和捕獲技術(shù)。利用DEP芯片對(duì)人白血病細(xì)胞進(jìn)行捕獲,同時(shí)在ESEM上對(duì)單個(gè)非貼壁細(xì)胞進(jìn)行高分辨率分析,達(dá)到了造血腫瘤和干細(xì)胞的水動(dòng)力捕獲和長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)分析。

Sun等[70]開(kāi)發(fā)了一個(gè)具有自組裝液體電極的新型DEP微流控裝置,如圖3d所示。利用室溫離子液體形成的液體電極與DEP緩沖溶液耦合,再利用外部電場(chǎng)所施加的電壓,提高微流控芯片內(nèi)的電導(dǎo)率,產(chǎn)生電場(chǎng)梯度以對(duì)芯片內(nèi)的細(xì)胞與粒子進(jìn)行高效分離,利用自組裝的液體電極DEP微流控裝置成功分離聚苯乙烯珠與PC-3細(xì)胞、存活與凋亡的PC-3細(xì)胞以及人脂肪干細(xì)胞(adipose-derived stem cells, ADSCs)與MDA-MB-231癌細(xì)胞。該裝置具有成本低、分離效率高等優(yōu)點(diǎn),在細(xì)胞分離實(shí)驗(yàn)中具有巨大潛力。

Khamenehfar等[71]利用介電泳對(duì)液體介質(zhì)中懸浮的可極化粒子具有可操縱性的特點(diǎn),制作了一種利用介電泳芯片的裝置,如圖3e所示。在微流控芯片通道內(nèi)部填充藍(lán)色使用染料,從左側(cè)的入口將細(xì)胞樣品注入,中間儲(chǔ)層用來(lái)藥物輸送,在電極產(chǎn)生的介電泳力作用下對(duì)骨髓性白細(xì)胞進(jìn)行捕獲。利用介電泳芯片裝置對(duì)單細(xì)胞分析,檢測(cè)多藥耐藥(multidrug resistance, MDR)的藥物流出功能中單細(xì)胞的異質(zhì)性,并捕獲了具有MDR活性的白血病細(xì)胞和無(wú)MDR活性的白血病細(xì)胞,將其與良性白細(xì)胞區(qū)分。這對(duì)未來(lái)的醫(yī)療試驗(yàn)研究提供了一個(gè)確定單細(xì)胞水平上MDR抑制的異質(zhì)性新技術(shù)。

綜上所述，介電泳技術(shù)由于對(duì)尺寸相近且節(jié)點(diǎn)特性相差較小的微納尺度物質(zhì)分離不具有高分辨率,且傳統(tǒng)介電泳裝置存在高電壓條件下易對(duì)生物細(xì)胞造成損傷,同時(shí)有效電場(chǎng)較小,因此可將介電泳技術(shù)與微流控技術(shù)進(jìn)行聯(lián)用,利用微流控技術(shù)裝置的小型化設(shè)計(jì),在低電壓條件下產(chǎn)生較高的有效電場(chǎng),對(duì)帶有不同尺寸、不同介電特性的混合樣品進(jìn)行精準(zhǔn)分離。

2.3 電場(chǎng)流動(dòng)分離技術(shù)

場(chǎng)流分離技術(shù)最早由Giddings等[72]發(fā)明,是分析分離領(lǐng)域用來(lái)分離大分子膠體和顆粒材料的一種分離方法,隨著場(chǎng)流分離技術(shù)的不斷發(fā)展,其也逐漸成為色譜分離體系中一項(xiàng)重要的分離技術(shù)。其中電場(chǎng)場(chǎng)流分離技術(shù)被越來(lái)越多的研究學(xué)者使用,其分離原理是通過(guò)在分離通道的上下壁(電極)所施加的直流電場(chǎng)或交流電場(chǎng),對(duì)混合帶電顆粒進(jìn)行精準(zhǔn)分離[73]。該技術(shù)可以根據(jù)混合樣品的大小與帶電性質(zhì)的不同進(jìn)行分離和聚焦等處理,如圖1c所示。傳統(tǒng)的直流電場(chǎng)流分離技術(shù)是針對(duì)通道壁施加固定電壓,通道壁表面在直流電場(chǎng)條件下形成雙電層,降低通道內(nèi)有效電場(chǎng),導(dǎo)致電場(chǎng)場(chǎng)流分離技術(shù)的分離效率大大降低。在交流電場(chǎng)流分離技術(shù)中,施加的交流電場(chǎng)根據(jù)頻率調(diào)節(jié)電場(chǎng)方向,減緩內(nèi)電極表面形成的雙電層,提高通道內(nèi)有效電場(chǎng),起到提高分離效率的作用。目前電場(chǎng)場(chǎng)流分離技術(shù)可以對(duì)顆粒物、生物細(xì)胞和外泌體等進(jìn)行有效分離,被廣泛應(yīng)用于微納米顆粒和細(xì)胞分離等領(lǐng)域。Tasci等[74]為了改善納米顆粒在交流電場(chǎng)場(chǎng)流分離中存在的小尺寸微納尺度物質(zhì)的擴(kuò)散現(xiàn)象,對(duì)電參數(shù)中的偏置電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。該團(tuán)隊(duì)使用高于50%的偏置電壓對(duì)50 nm以下顆粒物進(jìn)行有效分離,結(jié)果證明通過(guò)調(diào)節(jié)偏置電壓可以減小擴(kuò)散現(xiàn)象對(duì)分離納米顆粒的影響,提高分離效率。Petersen等[75]利用交流電場(chǎng)場(chǎng)流分離技術(shù)對(duì)外泌體的分離進(jìn)行研究,以交流電壓為常量,流動(dòng)相為變量的條件下對(duì)外泌體進(jìn)行了分離,證實(shí)交流電場(chǎng)流分離技術(shù)可以對(duì)外泌體進(jìn)行有效分離。

在電場(chǎng)場(chǎng)流分離技術(shù)中,電極容易產(chǎn)生電極極化的現(xiàn)象,限制了電場(chǎng)場(chǎng)流分離技術(shù)在微流控芯片中的應(yīng)用。對(duì)此,本課題組[45]提出了微顆粒分離“靶式分布”新概念毛細(xì)管靶式電場(chǎng)流分離技術(shù),如圖4所示。利用離子液體及介孔硅材料界面修飾技術(shù)解決了電極極化的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了在環(huán)形通道中對(duì)微納尺度物質(zhì)的在線分離。通過(guò)微流控芯片模擬該體系下顆粒物的運(yùn)動(dòng)情況,成功分離不同尺寸的聚苯乙烯顆粒物。該技術(shù)解決了傳統(tǒng)電場(chǎng)流分離領(lǐng)域中電極極化的問(wèn)題,并提出了顆粒物的靶式分布和錐形排列新理念,在單細(xì)胞分離分析、外泌體分離等具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖 4 開(kāi)管式毛細(xì)管電場(chǎng)流微分離技術(shù)原理示意圖[45]Fig. 4 Schematic diagram of open-tubular radially cyclical electric field-flow fractionation (OTR-CyEIFFF)[45]

2.4 電滲分離

感應(yīng)電荷電滲(induced-charge electroosmosis, ICEO)是導(dǎo)體表面與電場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的雙電層的擴(kuò)散層在切向電場(chǎng)作用下產(chǎn)生微旋渦的一種電化學(xué)效應(yīng)。在電場(chǎng)條件下電極表面發(fā)生極化現(xiàn)象形成雙電層,雙電層分為致密層與擴(kuò)散層,其中擴(kuò)散層在電場(chǎng)作用下發(fā)生移動(dòng),致密層中離子不動(dòng),進(jìn)而在電場(chǎng)內(nèi)形成渦旋,混合樣品中不同帶電特性的樣品將會(huì)隨著渦旋逐漸向懸浮電極中心移動(dòng),根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)行為,達(dá)到分離作用[64,76,77],如圖1d所示?；贗CEO的顆粒分離方法具有可調(diào)節(jié)流型、操作方便、無(wú)接觸等優(yōu)點(diǎn)[78]。

Chen等[79]提出了一種利用誘導(dǎo)電荷電滲透在連續(xù)流體中分離顆粒的微流控芯片裝置,如圖5所示。利用ICEO產(chǎn)生渦旋成功對(duì)聚苯乙烯顆粒(polystyrene particle, PS)與二氧化硅微粒顆粒物進(jìn)行分離,分離效率在99%以上。ICEO對(duì)酵母細(xì)胞的純化回收率超過(guò)96%。感應(yīng)電荷電滲透技術(shù)在與微流控技術(shù)聯(lián)用后,可以針對(duì)不同樣品進(jìn)行聚焦、分離和純化等實(shí)驗(yàn),為今后生物、醫(yī)療和化學(xué)領(lǐng)域的微納尺度物質(zhì)分離提供一種有效技術(shù)支撐。

圖 5 基于誘導(dǎo)電荷電滲透的微流控分離系統(tǒng)Fig. 5 Microfluidic separation systems based on induced charge electroosmosis a. schematic diagrams and image of ICEO particle separation device[79]; b. Schematic diagram of trajectories and separation of 5 μm polystyrene particle (PS) and silicon microbeads[79].

綜上描述,電場(chǎng)分離技術(shù)的無(wú)標(biāo)記分離、高選擇性以及高效分離等特點(diǎn)和微流控裝置樣品量少、金屬污染少、樣品制備簡(jiǎn)單等特性的結(jié)合大大提高了對(duì)生物細(xì)胞和微納米顆粒的精準(zhǔn)分離、捕獲及聚焦等效果。在微納尺度物質(zhì)分離領(lǐng)域中具有良好的應(yīng)用前景。

3 基于外加磁場(chǎng)的分離技術(shù)

近年來(lái),利用外加磁場(chǎng)的作用操縱微顆粒、細(xì)胞等微納米尺度物質(zhì)分離分析逐漸被重視起來(lái)。磁場(chǎng)分離技術(shù)中磁性納米顆粒與目標(biāo)物可以簡(jiǎn)單有效的結(jié)合,磁場(chǎng)條件下可以對(duì)包裹磁性納米顆粒的樣品實(shí)現(xiàn)溫和、無(wú)損和高通量的快速分離[9,80-82],因此在分離微納尺度物質(zhì)研究中成為最佳選擇之一。同時(shí),在微流控體系下采用磁珠分離方法對(duì)微納尺度物質(zhì)進(jìn)行分離也已非常普遍[83,84]。越來(lái)越多的研究學(xué)者將磁場(chǎng)分離技術(shù)與微流控技術(shù)進(jìn)行聯(lián)用,在微流控體系下的磁場(chǎng)分離技術(shù)利用磁性顆粒修飾的抗體或官能團(tuán),與所需的細(xì)胞或蛋白質(zhì)進(jìn)行特異性結(jié)合,在不同磁場(chǎng)條件下微流控連續(xù)分離裝置可以分離不同類型的微尺度混合物[85,86],利用磁場(chǎng)與微流控技術(shù)的耦合裝置可以分離磁性顆粒與非磁性顆粒,以及帶有不同性質(zhì)的磁性顆粒物[87]。所以利用磁場(chǎng)分離技術(shù)與微流控裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)用受到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。Kumar等[88]開(kāi)發(fā)了一種新型的微流控裝置,該裝置采用永磁體,在0.5～5 mL/h流速范圍內(nèi)研究了11個(gè)聚氰胺微粒子對(duì)薄微通道壁的無(wú)鞘液磁性聚焦。將順磁性粒子的混合物注入該裝置以演示其分選原理。兩種不同尺寸的混合磁粒子均沿通道壁排列,在設(shè)備前半段達(dá)到聚焦,不同尺寸大小目標(biāo)物位于不同的流線上,在進(jìn)入膨脹區(qū)域時(shí),被分割成明顯的流線以達(dá)到分離的效果。通過(guò)磁場(chǎng)場(chǎng)流分離與微流控裝置的聯(lián)用,達(dá)到了高通量(10 000 cells/s)和高純度(98%)的效果。該方法克服了傳統(tǒng)磁泳法操作復(fù)雜、準(zhǔn)備和操作時(shí)間長(zhǎng)等局限性,將磁場(chǎng)分離技術(shù)與微流控技術(shù)進(jìn)行聯(lián)用,從而對(duì)不同尺寸、不同磁性的微納米顆粒和生物細(xì)胞進(jìn)行分離分析。

Pamme等[89]利用特定的微流控裝置對(duì)磁性納米顆粒和非磁性納米顆粒進(jìn)行連續(xù)流動(dòng)分離,如圖6a所示。通過(guò)將混合樣品注入裝置內(nèi)的分離室,顆粒物在受到垂直向上的磁力作用下,根據(jù)顆粒物自身磁化率和大小等性質(zhì)不同,在不同的層流方向上產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)達(dá)到分離的效果。利用微流控分離通道設(shè)計(jì)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),可以根據(jù)混合樣品的磁性不同來(lái)調(diào)節(jié)磁鐵的具體位置,達(dá)到精確分離的效果,分離后的目標(biāo)物在微流控裝置的不同出口處流出,進(jìn)入到不同的緩沖層,在下游對(duì)其進(jìn)行多步生化處理,為后續(xù)實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。

Malica等[90]以食源性病原體引起的人體感染疾病問(wèn)題作為出發(fā)點(diǎn),針對(duì)單核細(xì)胞增生李斯特菌引起的感染對(duì)衛(wèi)生安全構(gòu)成威脅等問(wèn)題進(jìn)行研究,提出了利用磁性納米粒子(magnetic nanoparticles, MNPs)對(duì)其進(jìn)行免疫磁分離。根據(jù)它可以有效對(duì)目標(biāo)細(xì)胞進(jìn)行捕獲的優(yōu)點(diǎn),與微流控技術(shù)耦合制作了一個(gè)磁場(chǎng)-微流控芯片裝置,如圖6b所示,該裝置的磁捕獲區(qū)由多個(gè)涂覆了軟鐵磁鎳的圓柱組成,可以產(chǎn)生強(qiáng)大可切換的三維磁陷阱,并利用數(shù)值和相關(guān)理論分析預(yù)測(cè)磁陷阱周圍的磁場(chǎng)分布,對(duì)磁標(biāo)記的細(xì)菌進(jìn)行高效磁捕獲和釋放,具有靈活、可定制、低成本等特點(diǎn),還可以針對(duì)各種微米以及亞微米級(jí)別目標(biāo)物分離捕獲,對(duì)MNPs的最大回收率為91%,活菌的最大捕獲效率為30%。該微流控裝置可以對(duì)食品安全細(xì)菌檢測(cè)提供技術(shù)支持。

Moser等[91]提出了一種在芯片上捕獲蛋白質(zhì)的磁珠免疫凝集方法,如圖6c所示,該方法利用垂直在流動(dòng)方向上的磁力,使磁性顆粒固定凝集在通道壁上,而磁場(chǎng)梯度的周期性翻轉(zhuǎn)和力場(chǎng)的變化使磁珠在通道內(nèi)不停地做循環(huán)運(yùn)動(dòng),形成更大的磁粒子動(dòng)態(tài)塞,用來(lái)捕獲流動(dòng)相中的目標(biāo)物,并用簡(jiǎn)單的光學(xué)檢測(cè)方法確定免疫凝集的磁珠量以及濃度,為芯片上蛋白質(zhì)捕獲領(lǐng)域提供了一個(gè)更加有效的技術(shù)支持。

Ungerbock等[92]對(duì)磁光傳感器粒子(magneto-optic sensor particles, MOSePs)在微流控裝置中的實(shí)用性進(jìn)行了評(píng)價(jià),如圖6d所示。MOSePs可以用于任何帶有光學(xué)透明微流控芯片的微觀氧氣成像、多重分析物的并行監(jiān)測(cè)和作為靈活的傳感器點(diǎn)監(jiān)測(cè)酶活性,當(dāng)無(wú)法集成傳感器層時(shí),也可以在微流控結(jié)構(gòu)中形成固定傳感器點(diǎn)。以氧傳感器為例,Ungerbock等[92]研究了不同直徑的MOSePs的積累特性以及在不同流速下原位傳感器的穩(wěn)定性,利用馬高列斯熒光黃色染料(MFY)和路瑪近紅色染料(LR)對(duì)磁光傳感粒子進(jìn)行染色,再?gòu)耐獠渴褂么盆F裝置對(duì)其進(jìn)行分離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，MoSePs作為微流控器件中的一部分,促進(jìn)發(fā)光傳感器領(lǐng)域的進(jìn)一步集成。

圖 6 基于磁場(chǎng)的微流控分離系統(tǒng)Fig. 6 Microfluidic separation systems based on magnetic field a. concept of free-flow magnetophoresis[89]; b. schematic of 3D magnetic trap integrated in polymerization microfluidic device[90]; c. schematic view of the microfluidic chip and 3D schematic view of the particles moving across the microchannel (100 mm wide) in between the magnetic poles[91]; d. Schematic diagram of magneto-optic sensor particles (MOSePs) in microfluidic device[92].

綜上所述,磁場(chǎng)的無(wú)標(biāo)記特性與微流控技術(shù)的聯(lián)用,在微流控芯片裝置內(nèi)部將微納尺度物質(zhì)根據(jù)自身性質(zhì)(大小、磁化率)的不同,實(shí)現(xiàn)對(duì)微納米顆粒的在線連續(xù)分離,達(dá)到對(duì)目標(biāo)樣品的快速、無(wú)損和高效分離和捕獲。

4 基于外加聲場(chǎng)的分離技術(shù)

在微納米尺度下如何實(shí)現(xiàn)微顆粒的精準(zhǔn)操縱一直是研究的熱門。研究發(fā)現(xiàn),施加外場(chǎng)的方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微顆粒的操縱,其中運(yùn)用聲場(chǎng)的方式相較于其他外場(chǎng)來(lái)說(shuō)所需能量更小,不會(huì)損壞細(xì)胞等微納尺度物質(zhì)活性和對(duì)樣品電性和磁性等無(wú)特殊要求,因此適用面更為廣泛。聲場(chǎng)分離技術(shù)是指在微流體系統(tǒng)中利用聲輻射力(acoustic radiation force, ARF)操縱懸浮液中的微納尺度物質(zhì)分離的一種技術(shù)[93]。ARF的表現(xiàn)形式可以分為體聲波(bulk acoustic wave, BAW)或表面聲波(surface acoustic wave, SAW)。SAW更容易通過(guò)增加頻率來(lái)調(diào)節(jié)粒子運(yùn)動(dòng)速度,從而操縱粒子的運(yùn)動(dòng),甚至可以驅(qū)動(dòng)流動(dòng)相。另外,在1988年,Semyonov等[94]首次提出聲場(chǎng)場(chǎng)流分離技術(shù)(acoustic field-flow fractionation, AcFFF)。它可以將液體內(nèi)部的膠體顆粒、蛋白質(zhì)和細(xì)胞等物質(zhì)進(jìn)行聚焦分離處理,利用聲輻射力作為驅(qū)動(dòng)流動(dòng)相中混合顆粒物的外力,根據(jù)混合樣品中各個(gè)微粒的大小、尺寸和密度等性質(zhì)所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)行為在微流控芯片裝置中起到分離作用,以及利用小尺寸顆粒物在流動(dòng)相中的擴(kuò)散起到抑制的作用[95],達(dá)到精準(zhǔn)分離和聚焦的效果,目前廣泛應(yīng)用于細(xì)胞篩選、細(xì)胞捕獲和生物聚合物分離等[96,97]。體聲波微流控芯片可以利用駐波的聲泳力來(lái)提高吞吐量,也可以對(duì)顆粒物進(jìn)行聚焦。這兩種方法具有細(xì)胞損害小、保持細(xì)胞完整性和裝置便捷的優(yōu)點(diǎn)。Hwang等[98]研制了一種聲場(chǎng)場(chǎng)流分離裝置,在特定的微流控裝置的通道中，沿重力方向上釋放超聲波駐波并在通道底部形成一個(gè)壓力節(jié)點(diǎn)。同一方向的聲場(chǎng)力和重力對(duì)小尺寸混合顆粒物起到抑制擴(kuò)散的作用。通過(guò)熒光顯微鏡的檢測(cè)觀察，該微流控裝置成功對(duì)1.0、3.5和10 μm的混合熒光顆粒物進(jìn)行了有效分離。

Jakobsson等[99]提出了一種利用超聲波駐波在微流控通道內(nèi)部對(duì)紅細(xì)胞進(jìn)行聚焦和控制的方法,如圖7a所示。紅細(xì)胞可以用來(lái)檢測(cè)生物細(xì)胞的生理狀態(tài),但是細(xì)胞在流動(dòng)相中面向激光光源的橫截面位置不同,因此相同細(xì)胞所處不同的橫截面時(shí)可能檢測(cè)出不同的光散射測(cè)量值,所以控制紅細(xì)胞的定向能力對(duì)生物醫(yī)療分離是有必要的。該團(tuán)隊(duì)利用聲波對(duì)細(xì)胞無(wú)損害、靈敏性強(qiáng)的特點(diǎn)在微流控芯片中利用駐波聲場(chǎng)將紅細(xì)胞的橫截面最小的尺寸方向與聲場(chǎng)方向平行。結(jié)果表明,有87.8%±3.8%的紅細(xì)胞可以水平定向,有98.7%±0.3%的紅細(xì)胞可以垂直定向。該技術(shù)對(duì)快速發(fā)展的流式細(xì)胞計(jì)數(shù)和圖像細(xì)胞計(jì)數(shù)都有潛在貢獻(xiàn)。

Li等[100]發(fā)現(xiàn)從癌癥患者的臨床樣品中篩選循環(huán)腫瘤細(xì)胞(circulating tumor cell, CTC)存在技術(shù)限制、吞吐量不足和缺乏設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定性等問(wèn)題,選擇利用聲場(chǎng)力無(wú)標(biāo)簽和無(wú)接觸分選的優(yōu)點(diǎn)并結(jié)合微流控裝置高吞吐量的優(yōu)勢(shì)制作了一種傾斜角站立表面聲波(standing surface acoustic waves, SSAW)微流控裝置,如圖7b所示。該裝置可以在流速為20 μL/min的條件下將循環(huán)腫瘤細(xì)胞從白細(xì)胞(white blood cells, WBC)中進(jìn)行有效分離,并且針對(duì)癌細(xì)胞的回收率可以達(dá)到83%～96%,白細(xì)胞的去除率達(dá)到99%。這種方法適用于分離和白細(xì)胞有顯著大小和密度差異的癌細(xì)胞,利用傾斜角度的駐表面聲波(tilted-angle standing surface acoustic waves, taSSAW)裝置對(duì)臨床樣本進(jìn)行高通量分離,從白細(xì)胞中分離罕見(jiàn)癌細(xì)胞的效率比以往技術(shù)具有更高的分離性能,并適用于細(xì)胞清洗、細(xì)胞同步、血液成分分離和細(xì)菌分離等。

Ahmed等[101]制作了一種傾斜角度的表面聲波(travelling surface acoustic wave, taTSAW)的無(wú)鞘液聚焦和連續(xù)流中的粒子分離裝置,如圖7c所示,利用兩個(gè)互相交叉?zhèn)鞲衅?interdigitated transducers, IDT)產(chǎn)生與流動(dòng)方向呈30°的高頻傾斜角度表面聲波,在不使用鞘液的條件下直接對(duì)粒子施加聲輻力,分別在194 MHz和136 MHz頻率下通過(guò)IDTs的激發(fā),粒子被連續(xù)聚焦在微通道壁面的一側(cè),在流速為83.3 mm/s下,taTSAW微流控裝置對(duì)4.8 μm和3.2 μm顆粒的樣品混合物聚焦并分離,分離純度高達(dá)99%。在兩個(gè)微流控通道出口處顆粒分離率分別為93%和100%。這種方法較其他分離技術(shù)相比,不需要額外的鞘層流來(lái)進(jìn)行聚焦處理,在生物和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

圖 7 基于聲場(chǎng)的微流控分離系統(tǒng)Fig. 7 Microfluidic separation systems based on acoustic field a. application of microfluidic chip to red blood cell in experiments[99]; b. schematic illustration and image of the high-throughput tilted-angle standing surface acoustic waves (taSSAW) device for cancer cell separation[100]; c. schematic diagram showing the travelling surface acoustic wave (taTSAW) based sheathless particle focusing and integrated particle separation[101]; d. schematic of the acoustofluidic multi-well plate[102]; e. schematic of the SSAW focusing device[103].

聲場(chǎng)也可以對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行聚焦處理,例如Liu等[102]利用簡(jiǎn)單低成本的環(huán)形壓電傳感器制作了一種有壓電環(huán)陣列組成的聲流控多孔板微流控裝置,用于在每個(gè)板中心快速富集微納尺度物質(zhì),如圖7d所示,在玻璃基板上的圓形駐波產(chǎn)生向內(nèi)的徑向聲流,誘使微納尺度物質(zhì)在聲場(chǎng)力的帶動(dòng)下將每個(gè)孔中的微納尺度物質(zhì)進(jìn)行富集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí),在0.4～30 μm范圍內(nèi)均可進(jìn)行操縱且具有良好富集效果。具有低成本、低功耗、簡(jiǎn)單和可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可以在生物和醫(yī)療等領(lǐng)域成為強(qiáng)大的工具。

Shi等[103]利用駐波表面聲波聚焦技術(shù)在軟光刻法制備的聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)通道上進(jìn)行聚焦實(shí)驗(yàn)。如圖7e所示,樣品在壓力驅(qū)動(dòng)力作用下注入微流控通道內(nèi),受到兩組在懸浮液中相同且延相反方向傳播的表面聲波形成駐聲表面波(SSAWs),通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)IDT釋放的波長(zhǎng)控制SSAWs的壓力節(jié)點(diǎn)和反壓力節(jié)點(diǎn)位置,進(jìn)而控制其在流體中的周期性壓力節(jié)點(diǎn)(最小壓力)和反正壓力節(jié)點(diǎn)(最大壓力),當(dāng)通道僅覆蓋一個(gè)壓力節(jié)點(diǎn)時(shí),樣品受聲場(chǎng)影響在中心線處聚焦,由于不同尺寸顆粒物在通道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)距離不同,較大尺寸顆粒物比較小尺寸顆粒物有更大的橫向位移,該裝置對(duì)0.87 μm和4.17 μm的乳膠粒子在360 ms內(nèi)進(jìn)行了分離。該方法具有操作簡(jiǎn)單、快速便捷等優(yōu)勢(shì),幾乎可用于任何微粒的聚焦。

綜上所述,聲泳分離技術(shù)作為與生物樣品非接觸的分離方式,在分離生物細(xì)胞時(shí)具有不破壞生物樣品性的優(yōu)勢(shì)。將聲泳分離技術(shù)與微流控技術(shù)進(jìn)行聯(lián)用可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)聲泳技術(shù)裝置龐大、操作復(fù)雜和對(duì)尺寸差異較小的顆粒分辨率低等缺點(diǎn),從而達(dá)到高通量、無(wú)損害和操作簡(jiǎn)單的分離效果,為單細(xì)胞分離和捕獲等領(lǐng)域提供重要的技術(shù)支持。

5 總結(jié)與展望

利用流動(dòng)場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)和聲場(chǎng)等主動(dòng)場(chǎng)分離技術(shù)與微流控技術(shù)的聯(lián)用,可以提高在不同條件下對(duì)微納尺度物質(zhì)的分離與富集能力。本文綜述了4種外加場(chǎng)在微流控技術(shù)中的研究進(jìn)展以及在未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),流場(chǎng)場(chǎng)流分離技術(shù)利用溫和分離的特性,成功對(duì)蛋白質(zhì)和DNA等物質(zhì)進(jìn)行分離,并與其他檢測(cè)器耦合,對(duì)不同樣品表征精細(xì)化和對(duì)生物細(xì)胞的分離具有重要意義。在基于電場(chǎng)分離的微流控技術(shù)中因物質(zhì)本身或外部環(huán)境影響使其具有帶電特性,所以基于電場(chǎng)的微流控技術(shù)應(yīng)用比較廣泛,且可實(shí)現(xiàn)對(duì)微納尺度物質(zhì)的無(wú)標(biāo)簽、高選擇性和高效分離;基于磁場(chǎng)的微流控技術(shù)對(duì)物質(zhì)本身磁性要求更為嚴(yán)格,且部分需要對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行標(biāo)記,難以實(shí)現(xiàn)無(wú)損分離,因此對(duì)分離分析較為脆弱的生物細(xì)胞存在限制;將聲場(chǎng)和微流控技術(shù)聯(lián)用的裝置可以利用聲場(chǎng)力對(duì)細(xì)胞進(jìn)行精準(zhǔn)操控,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物無(wú)損傷、高通量、快速的分離。利用主動(dòng)場(chǎng)分離技術(shù)選擇性好、分離度高等優(yōu)點(diǎn),結(jié)合微流控技術(shù)的具有微型化、集成化、成本低廉等優(yōu)勢(shì),達(dá)到使復(fù)雜分析方案合理化,顯著減少樣品體積和試劑成本,在處理微量樣品時(shí)具有快速化學(xué)分析、高吞吐量和高分辨率的效果,對(duì)生物樣品的富集濃縮都有較大的研究前景和價(jià)值。從應(yīng)用方面來(lái)看,利用微流控芯片實(shí)現(xiàn)微納尺度物質(zhì)的分離是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì),但由于外加場(chǎng)裝置普遍都需要復(fù)雜龐大的驅(qū)動(dòng)裝置,所以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的微型化、便捷化仍是迫切的應(yīng)用需求。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步,未來(lái)將會(huì)真正實(shí)現(xiàn)微型化、集成化的微流控主動(dòng)場(chǎng)分離技術(shù)應(yīng)用于癌細(xì)胞的篩選、癌癥的早期檢測(cè)、微尺度物質(zhì)的精準(zhǔn)分離等各個(gè)方面。