微米級和納米級材料的分離和分選對于精準醫學、材料科學和單細胞分析等研究至關重要。 準確、高效、快速分離微納尺度物質可為癌癥早期診斷、生物樣本檢測和細胞篩選提供重要幫助。 其中，基于外場分離技術的微納米級物質分離可以高效在線分離微納米級物質。 和分選，廣泛應用于微納米顆粒、外泌體和生物細胞的分離。 然而，目前大多數外場分離技術都存在設備繁瑣、樣品消耗量大等問題。
微流控技術微流控芯片專家——蘇州文浩微流控科技有限公司是通過制作微通道和微流控芯片來操縱微小流體分離微納米級樣品成分的技術。 由于其快速檢測、高通量、在線分離、集成度高、成本低等優點，現已應用于微納尺度材料分離分析。 它是微納米級材料分離的有效方法。 通過設計不同的微流控芯片、通道和外部附件，提高微納米級物質的主動場分離效率。 外場分離技術與微流控技術相結合，可實現微米級、納米級物質的無損、高效、在線分離。 本文主要綜述了近年來微流控芯片上依靠流場、電場、磁場、聲場等外場分離技術提高微納米材料分離效率的研究現狀。 對顆粒等微米級、納米級物質的分離進行了分類介紹，總結了各自的優缺點及發展應用。 最后對外場分離技術和微流控技術在癌細胞早期篩查和微尺度物質精準分離中的應用進行了展望。 討論了該領域未來的發展前景，并提出了聯合技術的優勢和未來應用。
微米級和納米級物質的分離和分選在生命科學、材料科學和環境科學領域至關重要。 微納尺度物質的分離將對靶點篩選、個體化差異化、新藥研發、個體化精準治療產生巨大影響。 意義。 目前力和機械，對微米級和納米級物質的分離和分選主要是根據其表面物理化學性質的不同，如尺寸、形狀、電荷、質量等。現有的分離微米級和納米級材料的方法可分為兩個主流。 一是被動分離技術，在通道和流體的共同作用下，根據目標尺寸差異的不同路徑實現分離，如確定性橫向位移、慣性聚焦、超濾、離心等。雖然被動分離技術已經取得了一些進展其普遍存在分離度低、通道易堵塞、難以實現在線分離檢測等問題。 第二種分離方法是主動分離技術，根據混合目標中不同目標的不同物理化學性質，通過添加不同的外力場來改變目標在分離系統內的運動行為來實現分離。 外力場的類型包括電場、磁場、流場和聲場。 這些主動分離技術可以實現微納米尺度材料的在線分離和分選，應用于微粒、外泌體、病毒、單細胞的分離。 展現出重要的作用。 然而，如何使這些分離技術小型化、集成化、易于操作仍然是當今需要解決的問題。
微流控技術又稱芯片實驗室，起源于Manz等人提出的“微全分析系統”。 1990年，它是指通過制作微通道或微流控芯片來操縱微小流體和分析微型材料樣品。 分離分離技術是主要針對微納尺度物質分離的有效方法。 微流控技術實現了微米級、納米級物質的精確、高通量、在線分離。 它可以用最少的試劑、時間和成本完成分離任務，具有小型化、集成化、低成本、高通量的特點。 隨著微流控技術的發展，利用微納米尺度物質的不同性質，制作特殊結構的微流控芯片器件，以提高微納米尺度物質的分離效率，并且更有針對性。 微流控芯片的生物功能兼容性提高了其在生物細胞操作和分析中的應用。 同時，在微流控技術方面，可以合理化復雜的分析方案，顯著減少樣品量和試劑成本，在處理微量樣品時具有降低成本、減少危害、降低風險的優勢。 提高分辨率等優點。 隨著微流控技術在微納米尺度物質分離方面的不斷成長和進步，細胞、顆粒等微納米尺度物質的分離在醫學領域和生物化學領域發揮著至關重要的作用。 利用這些優點，可以將基于外場的分離技術與微流控技術相結合，制備出所需的微流控芯片，并對不同特性的樣品施加電場、磁場、聲場等外力場來混合樣品。 組件被精確分離。
本文主要概述了微流控芯片上依靠流場、電場、磁場、聲場主動分離技術提高分離效率的研究現狀，探討了生物細胞富集、混合等有效精準分離的發展與應用。顆粒物。 。
1 流場流動分離技術
流場流動分離技術是各種場流分離技術中最常用的技術。 其中，非對稱流場流動分離技術是1987年提出的流場分餾技術，目前得到廣泛應用。 該技術將非特異性相互作用減少到最低限度，并具有高分辨率的優點。 在FIFFF通道中，外力場是垂直于流道方向的橫向流動。 在橫流的驅動下，樣品與其自身的擴散力相互作用，二者之間達到平衡，各成分在通道內壁上產生分布差異。 其中，小尺寸樣品在堆積壁上形成的分布層高于大尺寸顆粒。 此時，流場在通道內流動時，分布層較小。 小尺寸的顆粒比較大尺寸的顆粒更早洗脫，從而實現分離。 FIFFF 沒有固定相，對樣品施加的剪切力和機械應力較小，使其成為一種溫和的分離技術。 它已被廣泛用于分離和表征不同大小和形狀的顆粒、細胞、蛋白質或 DNA。 物質。
竇等人。 采用非對稱流場流分離技術，在線耦合紫外、多角度光散射和熒光檢測器，對蛋黃血漿進行分離和表征。 以蛋黃血漿作為AF4的載液，評價了AF4高效快速分離和表征蛋黃血漿中可溶性蛋白、低密度脂蛋白及其聚集體的實用性。 同時研究了低密度脂蛋白在卵黃血漿中的聚集行為。 使用程控錯流AF4具有提高檢測能力、減少樣品消耗、縮短分析時間的優點。 結果證明AF4適合于蛋黃血漿等粒徑分布范圍較大的目標物的分離和表征。 該團隊還利用AF4結合多角度光散射和差示折射探測器對淀粉的分離和表征進行了深入研究，為今后更好地研究淀粉的結構功能關系提供了重要信息。
阿什比等人。 利用流場流動分離技術結合離心分離技術，建立了基于相對解離速率的電暈蛋白鑒定方法，篩選納米粒子與蛋白質之間的相互作用。 該方法在人血清中孵育超順磁性氧化鐵納米顆粒和免疫球蛋白G (IgG)，然后使用F4和離心分離對SPION具有更好親和力的蛋白質。 F4以更快的速度洗掉與SPION具有更好親和力的蛋白質。 蛋白質與納米顆粒相互作用解決了納米顆粒進入生物基質時，基質表面形成的蛋白電暈對納米顆粒在生物系統中后續行為的影響，有助于研究蛋白電暈的時間分布和它在生物基質中的運動。 與顆粒特性相關的蛋白質電暈動態特征的進化和高通量分析。
等人。 將納米粒子跟蹤技術與AF4耦合，得到AF4-NTA技術，彌補了NTA在線檢測器檢測范圍窄、流量小、壓力閾值低等問題。 AF4-NTA作為一種對混合物中不同顆粒數的納米材料進行高效、準確的顆粒計數技術，采用合理的分流設計，對粒徑為50、100、200 nm的聚苯乙烯混合物進行分離分析，同時進行在線精確顆粒計數不同納米尺寸目標的混合物。
目前，AF4正在不斷進步和發展，在化學分離領域或生命科學等其他重要領域展現出巨大的潛力。 利用分離溫和、裝置結構簡單的特點，可以與不同的檢測器耦合。 為生物治療和納米顆粒分離表征提供技術支持。 未來，AF4溫和的分離特性優勢將與微流通道小型化、節省試劑、節省樣品成本的優勢相結合，成為一種高度靈活、高分辨率的分離技術，具有巨大的發展前景。
2 基于外電場的分離技術
近年來，越來越多的科學家利用電場來分離和分析微米級和納米級材料。 主要分離原理是根據目標物體的大小、大小、顆粒物等不同特性，通過調節電參數改變分離系統中的運動行為來控制和分離生物細胞、顆粒物等微納米級物質。收費。 。 常見的施加電場的分離方法分為四種（見圖1），即毛細管電泳、介電泳、電場流分離和電滲驅動。
圖1 目前廣泛應用的4種電場分離技術
2.1 毛細管電泳
根據介質中帶電粒子在一定電場作用下定向遷移的性質，采用毛細管電泳技術，在兩端施加高壓電場，對微納尺度物質進行分離分析，以滿足當今的要求。高效、快速的分離需求。 毛細管內壁與緩沖溶液的界面處形成雙電層，并在高壓電場驅動下形成定向電滲流。 如圖1a所示，帶電粒子根據其自身的電泳力和電滲流力之間的差異進行分離。 毛細管電泳具有分析快速靈敏、樣品消耗少、分離效率高等優點。 廣泛應用于藥物分析、環境監測、食品檢測等領域。 毛細管電泳技術與微流控技術的結合，即微流控芯片電泳，是近年來得到廣泛應用的一種新型分離技術。 它具有成本低、分辨率高、速度快等優點，廣泛應用于微米級、納米級物質的檢測。 在分離分析中。 張等人。 利用微流控芯片電泳技術對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、鼠傷寒沙門氏菌三類細菌進行定量檢測，有助于人工污染生肉中致病菌的分析。 結果表明，MCE技術具有靈敏度高、速度快、試劑消耗低、操作快速等優點。 是一種有效、可靠的食品安全評價方法。
全杰恩等人。 開發了一種基于壓力驅動流誘導電泳的連續分離方法。 如圖2a所示，在微流控裝置中，混合的微納米級物質在來自流體的驅動力、電滲流帶來的阻力以及以電泳力為主的三種合力的作用下，按照各自的作用有效地分離。在電場的影響下具有電泳遷移率，分離效率可達97%。
為了驗證常用的蒽環類抗腫瘤藥物阿霉素是否與谷胱甘肽結合，蔡啟丹等人利用了微流控芯片電泳技術的小型化、集成化等優勢。 如圖2b所示，采用簡化芯片毛細管電泳法考察阿霉素與還原型谷胱甘肽和氧化型谷胱甘肽的親和力，最終得出谷胱甘肽本身對阿霉素沒有親和力。 該結論為抗腫瘤藥物的研發提供了理論支持。 綜上所述，毛細管電泳技術與微流控技術的結合在醫療、食品、生物等各個領域都具有巨大的發展前景。
圖2 基于微流控芯片電泳的分離系統
毛細管電泳技術與微流控技術的結合，具有毛細管電泳技術免標記、對細胞無損傷的優點。 微流控技術的結合實現了高效、小型化、精密分離，解決了傳統毛細管電泳技術設備繁瑣的問題。 問題，具有廣闊的應用前景。
2.2 介電泳
介電電泳最早由 Pohl 在 20 世紀 50 年代提出。 這意味著可極化粒子在非均勻電場中會被極化，產生偶極矩。 偶極矩和非均勻電場之間產生介電泳力。 。 該系統中的粒子將受到正介電泳力（指向場的最大力）或負介電泳力（遠離場的最大力），如圖 1b 所示。 介電泳操作顆粒具有集成化、操作簡便、成本低等優點，已廣泛應用于微粒和細胞的分離。 然而，如果在強電場條件下用介電泳分離生物樣品，生物樣品會因電場中焦耳熱的影響而被直接殺死或不可逆地破壞。 因此，利用微流控器件低發熱、高通量、低成本等優勢，將介電泳技術與微流控技術相結合，實現生物樣品的無損高效分離。
為了解決多組分樣品同時富集的問題，Zhao等人。 開發了一種新型微流控裝置，可在直流介電泳提供的非均勻電場條件下調節外部電場的電參數和流動相懸浮液的電導率。 ，實現尺寸相似但介電性能不同的微納混合顆粒的分離。
趙等人。 還生產了新型AC介電泳微流控芯片。 該芯片同時將兩個電極嵌入相對側壁上的一組不對稱孔中，以產生不均勻的電場。 如圖3a所示，當生物細胞和其他樣品通過微流控裝置時，利用液體聚焦使樣品在同一水平線上移動。 當聚焦的樣品進入DEP電場范圍時，樣品在兩個方向上受到pDEP和nDEP的影響。 移動到側孔內。 本實驗研究了活酵母細胞和死酵母細胞在不同離子濃度、電導率和交流電場頻率下的 DEP 行為。 與直流介電電泳不同，該裝置利用交流頻率和電壓等參數，成功分離大小相似但介電常數不同的活酵母細胞和死酵母細胞。 該微流控裝置制造簡單力和機械，旨在避免焦耳熱效應，并且可以誘導非均勻電場產生強梯度，可用于分離相似尺寸的納米顆粒。
圖3 基于介電泳技術的微流控分離系統
金等人。 使用獨特的合成介電泳標記來識別多種細胞類型，在微流控裝置的內部通道結構上放置兩個不同角度的傾斜電極，并利用傾斜電極提供非均勻電場，如圖3b所示。 在非均勻電場下，混合樣品中不同尺寸的顆粒在裝置中產生不同的運動行為，實現高分辨率和高通量的分離效果。
設計了一種非粘附性脂質捕獲DEP系統，如圖3c所示，利用光刻技術在玻璃基板上制備DEP微電極陣列，以避免生物細胞的污染。 基于芯片的陣列用于捕獲人類白血病細胞的環境掃描電子顯微鏡分析。 這項工作驗證了 DEP 細胞保留和捕獲技術。 利用DEP芯片捕獲人白血病細胞，并在ESEM上對單個非貼壁細胞進行高分辨率分析，實現造血腫瘤和干細胞的流體動力學捕獲和長期動態分析。
孫等人。 開發了一種具有自組裝液體電極的新型DEP微流控裝置，如圖3d所示。 由室溫離子液體形成的液體電極與DEP緩沖溶液耦合，然后利用外部電場施加的電壓來增加微流控芯片內的電導率并產生電場梯度，以有效分離細胞和顆粒。芯片。 組裝的液體電極DEP微流控裝置成功分離了聚苯乙烯珠和PC-3細胞、存活和凋亡的PC-3細胞、人類脂肪干細胞和MDA-MB-231癌細胞。 該裝置具有成本低、分離效率高等優點，在細胞分離實驗中具有巨大潛力。
使用介電泳來操縱懸浮在液體介質中的可極化粒子，并使用介電泳芯片制作了一個裝置，如圖3e所示。 微流控芯片通道內部充滿藍色染料，細胞樣本從左側入口注入。 中間的儲液器用于藥物輸送，在電極產生的介電泳力的作用下捕獲骨髓白細胞。 采用介電泳芯片裝置對單細胞進行分析，檢測單細胞在多藥耐藥的藥物流出功能中的異質性，捕獲具有MDR活性的白血病細胞和不具有MDR活性的白血病細胞，將其與良性白細胞區分開來。 。 這為未來的醫學試驗研究提供了一種新技術，可以在單細胞水平上確定 MDR 抑制的異質性。
綜上所述，介電泳技術對于尺寸相似、節點特性差異較小的微納米級物質的分離不具備高分辨率，且傳統介電泳裝置在高電壓條件下容易對生物細胞造成損傷。 同時，有效電場較小，因此介電泳技術可以與微流控技術相結合。 微流控技術裝置的小型化設計可在低電壓條件下產生更高的有效電場。 精確分離具有獨特特性的混合樣品。