微米级和纳米级材料的分离和分选对于精准医学、材料科学和单细胞分析等研究至关重要。 准确、高效、快速分离微纳尺度物质可为癌症早期诊断、生物样本检测和细胞筛选提供重要帮助。 其中，基于外场分离技术的微纳米级物质分离可以高效在线分离微纳米级物质。 和分选，广泛应用于微纳米颗粒、外泌体和生物细胞的分离。 然而，目前大多数外场分离技术都存在设备繁琐、样品消耗量大等问题。
微流控技术微流控芯片专家——苏州文浩微流控科技有限公司是通过制作微通道和微流控芯片来操纵微小流体分离微纳米级样品成分的技术。 由于其快速检测、高通量、在线分离、集成度高、成本低等优点，现已应用于微纳尺度材料分离分析。 它是微纳米级材料分离的有效方法。 通过设计不同的微流控芯片、通道和外部附件，提高微纳米级物质的主动场分离效率。 外场分离技术与微流控技术相结合，可实现微米级、纳米级物质的无损、高效、在线分离。 本文主要综述了近年来微流控芯片上依靠流场、电场、磁场、声场等外场分离技术提高微纳米材料分离效率的研究现状。 对颗粒等微米级、纳米级物质的分离进行了分类介绍，总结了各自的优缺点及发展应用。 最后对外场分离技术和微流控技术在癌细胞早期筛查和微尺度物质精准分离中的应用进行了展望。 讨论了该领域未来的发展前景，并提出了联合技术的优势和未来应用。
微米级和纳米级物质的分离和分选在生命科学、材料科学和环境科学领域至关重要。 微纳尺度物质的分离将对靶点筛选、个体化差异化、新药研发、个体化精准治疗产生巨大影响。 意义。 目前力和机械，对微米级和纳米级物质的分离和分选主要是根据其表面物理化学性质的不同，如尺寸、形状、电荷、质量等。现有的分离微米级和纳米级材料的方法可分为两个主流。 一是被动分离技术，在通道和流体的共同作用下，根据目标尺寸差异的不同路径实现分离，如确定性横向位移、惯性聚焦、超滤、离心等。虽然被动分离技术已经取得了一些进展其普遍存在分离度低、通道易堵塞、难以实现在线分离检测等问题。 第二种分离方法是主动分离技术，根据混合目标中不同目标的不同物理化学性质，通过添加不同的外力场来改变目标在分离系统内的运动行为来实现分离。 外力场的类型包括电场、磁场、流场和声场。 这些主动分离技术可以实现微纳米尺度材料的在线分离和分选，应用于微粒、外泌体、病毒、单细胞的分离。 展现出重要的作用。 然而，如何使这些分离技术小型化、集成化、易于操作仍然是当今需要解决的问题。
微流控技术又称芯片实验室，起源于Manz等人提出的“微全分析系统”。 1990年，它是指通过制作微通道或微流控芯片来操纵微小流体和分析微型材料样品。 分离分离技术是主要针对微纳尺度物质分离的有效方法。 微流控技术实现了微米级、纳米级物质的精确、高通量、在线分离。 它可以用最少的试剂、时间和成本完成分离任务，具有小型化、集成化、低成本、高通量的特点。 随着微流控技术的发展，利用微纳米尺度物质的不同性质，制作特殊结构的微流控芯片器件，以提高微纳米尺度物质的分离效率，并且更有针对性。 微流控芯片的生物功能兼容性提高了其在生物细胞操作和分析中的应用。 同时，在微流控技术方面，可以合理化复杂的分析方案，显着减少样品量和试剂成本，在处理微量样品时具有降低成本、减少危害、降低风险的优势。 提高分辨率等优点。 随着微流控技术在微纳米尺度物质分离方面的不断成长和进步，细胞、颗粒等微纳米尺度物质的分离在医学领域和生物化学领域发挥着至关重要的作用。 利用这些优点，可以将基于外场的分离技术与微流控技术相结合，制备出所需的微流控芯片，并对不同特性的样品施加电场、磁场、声场等外力场来混合样品。 组件被精确分离。
本文主要概述了微流控芯片上依靠流场、电场、磁场、声场主动分离技术提高分离效率的研究现状，探讨了生物细胞富集、混合等有效精准分离的发展与应用。颗粒物。 。
1 流场流动分离技术
流场流动分离技术是各种场流分离技术中最常用的技术。 其中，非对称流场流动分离技术是1987年提出的流场分馏技术，目前得到广泛应用。 该技术将非特异性相互作用减少到最低限度，并具有高分辨率的优点。 在FIFFF通道中，外力场是垂直于流道方向的横向流动。 在横流的驱动下，样品与其自身的扩散力相互作用，二者之间达到平衡，各成分在通道内壁上产生分布差异。 其中，小尺寸样品在堆积壁上形成的分布层高于大尺寸颗粒。 此时，流场在通道内流动时，分布层较小。 小尺寸的颗粒比较大尺寸的颗粒更早洗脱，从而实现分离。 FIFFF 没有固定相，对样品施加的剪切力和机械应力较小，使其成为一种温和的分离技术。 它已被广泛用于分离和表征不同大小和形状的颗粒、细胞、蛋白质或 DNA。 物质。
窦等人。 采用非对称流场流分离技术，在线耦合紫外、多角度光散射和荧光检测器，对蛋黄血浆进行分离和表征。 以蛋黄血浆作为AF4的载液，评价了AF4高效快速分离和表征蛋黄血浆中可溶性蛋白、低密度脂蛋白及其聚集体的实用性。 同时研究了低密度脂蛋白在卵黄血浆中的聚集行为。 使用程控错流AF4具有提高检测能力、减少样品消耗、缩短分析时间的优点。 结果证明AF4适合于蛋黄血浆等粒径分布范围较大的目标物的分离和表征。 该团队还利用AF4结合多角度光散射和差示折射探测器对淀粉的分离和表征进行了深入研究，为今后更好地研究淀粉的结构功能关系提供了重要信息。
阿什比等人。 利用流场流动分离技术结合离心分离技术，建立了基于相对解离速率的电晕蛋白鉴定方法，筛选纳米粒子与蛋白质之间的相互作用。 该方法在人血清中孵育超顺磁性氧化铁纳米颗粒和免疫球蛋白G (IgG)，然后使用F4和离心分离对SPION具有更好亲和力的蛋白质。 F4以更快的速度洗掉与SPION具有更好亲和力的蛋白质。 蛋白质与纳米颗粒相互作用解决了纳米颗粒进入生物基质时，基质表面形成的蛋白电晕对纳米颗粒在生物系统中后续行为的影响，有助于研究蛋白电晕的时间分布和它在生物基质中的运动。 与颗粒特性相关的蛋白质电晕动态特征的进化和高通量分析。
等人。 将纳米粒子跟踪技术与AF4耦合，得到AF4-NTA技术，弥补了NTA在线检测器检测范围窄、流量小、压力阈值低等问题。 AF4-NTA作为一种对混合物中不同颗粒数的纳米材料进行高效、准确的颗粒计数技术，采用合理的分流设计，对粒径为50、100、200 nm的聚苯乙烯混合物进行分离分析，同时进行在线精确颗粒计数不同纳米尺寸目标的混合物。
目前，AF4正在不断进步和发展，在化学分离领域或生命科学等其他重要领域展现出巨大的潜力。 利用分离温和、装置结构简单的特点，可以与不同的检测器耦合。 为生物治疗和纳米颗粒分离表征提供技术支持。 未来，AF4温和的分离特性优势将与微流通道小型化、节省试剂、节省样品成本的优势相结合，成为一种高度灵活、高分辨率的分离技术，具有巨大的发展前景。
2 基于外电场的分离技术
近年来，越来越多的科学家利用电场来分离和分析微米级和纳米级材料。 主要分离原理是根据目标物体的大小、大小、颗粒物等不同特性，通过调节电参数改变分离系统中的运动行为来控制和分离生物细胞、颗粒物等微纳米级物质。收费。 。 常见的施加电场的分离方法分为四种（见图1），即毛细管电泳、介电泳、电场流分离和电渗驱动。
图1 目前广泛应用的4种电场分离技术
2.1 毛细管电泳
根据介质中带电粒子在一定电场作用下定向迁移的性质，采用毛细管电泳技术，在两端施加高压电场，对微纳尺度物质进行分离分析，以满足当今的要求。高效、快速的分离需求。 毛细管内壁与缓冲溶液的界面处形成双电层，并在高压电场驱动下形成定向电渗流。 如图1a所示，带电粒子根据其自身的电泳力和电渗流力之间的差异进行分离。 毛细管电泳具有分析快速灵敏、样品消耗少、分离效率高等优点。 广泛应用于药物分析、环境监测、食品检测等领域。 毛细管电泳技术与微流控技术的结合，即微流控芯片电泳，是近年来得到广泛应用的一种新型分离技术。 它具有成本低、分辨率高、速度快等优点，广泛应用于微米级、纳米级物质的检测。 在分离分析中。 张等人。 利用微流控芯片电泳技术对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、鼠伤寒沙门氏菌三类细菌进行定量检测，有助于人工污染生肉中致病菌的分析。 结果表明，MCE技术具有灵敏度高、速度快、试剂消耗低、操作快速等优点。 是一种有效、可靠的食品安全评价方法。
全杰恩等人。 开发了一种基于压力驱动流诱导电泳的连续分离方法。 如图2a所示，在微流控装置中，混合的微纳米级物质在来自流体的驱动力、电渗流带来的阻力以及以电泳力为主的三种合力的作用下，按照各自的作用有效地分离。在电场的影响下具有电泳迁移率，分离效率可达97%。
为了验证常用的蒽环类抗肿瘤药物阿霉素是否与谷胱甘肽结合，蔡启丹等人利用了微流控芯片电泳技术的小型化、集成化等优势。 如图2b所示，采用简化芯片毛细管电泳法考察阿霉素与还原型谷胱甘肽和氧化型谷胱甘肽的亲和力，最终得出谷胱甘肽本身对阿霉素没有亲和力。 该结论为抗肿瘤药物的研发提供了理论支持。 综上所述，毛细管电泳技术与微流控技术的结合在医疗、食品、生物等各个领域都具有巨大的发展前景。
图2 基于微流控芯片电泳的分离系统
毛细管电泳技术与微流控技术的结合，具有毛细管电泳技术免标记、对细胞无损伤的优点。 微流控技术的结合实现了高效、小型化、精密分离，解决了传统毛细管电泳技术设备繁琐的问题。 问题，具有广阔的应用前景。
2.2 介电泳
介电电泳最早由 Pohl 在 20 世纪 50 年代提出。 这意味着可极化粒子在非均匀电场中会被极化，产生偶极矩。 偶极矩和非均匀电场之间产生介电泳力。 。 该系统中的粒子将受到正介电泳力（指向场的最大力）或负介电泳力（远离场的最大力），如图 1b 所示。 介电泳操作颗粒具有集成化、操作简便、成本低等优点，已广泛应用于微粒和细胞的分离。 然而，如果在强电场条件下用介电泳分离生物样品，生物样品会因电场中焦耳热的影响而被直接杀死或不可逆地破坏。 因此，利用微流控器件低发热、高通量、低成本等优势，将介电泳技术与微流控技术相结合，实现生物样品的无损高效分离。
为了解决多组分样品同时富集的问题，Zhao等人。 开发了一种新型微流控装置，可在直流介电泳提供的非均匀电场条件下调节外部电场的电参数和流动相悬浮液的电导率。 ，实现尺寸相似但介电性能不同的微纳混合颗粒的分离。
赵等人。 还生产了新型AC介电泳微流控芯片。 该芯片同时将两个电极嵌入相对侧壁上的一组不对称孔中，以产生不均匀的电场。 如图3a所示，当生物细胞和其他样品通过微流控装置时，利用液体聚焦使样品在同一水平线上移动。 当聚焦的样品进入DEP电场范围时，样品在两个方向上受到pDEP和nDEP的影响。 移动到侧孔内。 本实验研究了活酵母细胞和死酵母细胞在不同离子浓度、电导率和交流电场频率下的 DEP 行为。 与直流介电电泳不同，该装置利用交流频率和电压等参数，成功分离大小相似但介电常数不同的活酵母细胞和死酵母细胞。 该微流控装置制造简单力和机械，旨在避免焦耳热效应，并且可以诱导非均匀电场产生强梯度，可用于分离相似尺寸的纳米颗粒。
图3 基于介电泳技术的微流控分离系统
金等人。 使用独特的合成介电泳标记来识别多种细胞类型，在微流控装置的内部通道结构上放置两个不同角度的倾斜电极，并利用倾斜电极提供非均匀电场，如图3b所示。 在非均匀电场下，混合样品中不同尺寸的颗粒在装置中产生不同的运动行为，实现高分辨率和高通量的分离效果。
设计了一种非粘附性脂质捕获DEP系统，如图3c所示，利用光刻技术在玻璃基板上制备DEP微电极阵列，以避免生物细胞的污染。 基于芯片的阵列用于捕获人类白血病细胞的环境扫描电子显微镜分析。 这项工作验证了 DEP 细胞保留和捕获技术。 利用DEP芯片捕获人白血病细胞，并在ESEM上对单个非贴壁细胞进行高分辨率分析，实现造血肿瘤和干细胞的流体动力学捕获和长期动态分析。
孙等人。 开发了一种具有自组装液体电极的新型DEP微流控装置，如图3d所示。 由室温离子液体形成的液体电极与DEP缓冲溶液耦合，然后利用外部电场施加的电压来增加微流控芯片内的电导率并产生电场梯度，以有效分离细胞和颗粒。芯片。 组装的液体电极DEP微流控装置成功分离了聚苯乙烯珠和PC-3细胞、存活和凋亡的PC-3细胞、人类脂肪干细胞和MDA-MB-231癌细胞。 该装置具有成本低、分离效率高等优点，在细胞分离实验中具有巨大潜力。
使用介电泳来操纵悬浮在液体介质中的可极化粒子，并使用介电泳芯片制作了一个装置，如图3e所示。 微流控芯片通道内部充满蓝色染料，细胞样本从左侧入口注入。 中间的储液器用于药物输送，在电极产生的介电泳力的作用下捕获骨髓白细胞。 采用介电泳芯片装置对单细胞进行分析，检测单细胞在多药耐药的药物流出功能中的异质性，捕获具有MDR活性的白血病细胞和不具有MDR活性的白血病细胞，将其与良性白细胞区分开来。 。 这为未来的医学试验研究提供了一种新技术，可以在单细胞水平上确定 MDR 抑制的异质性。
综上所述，介电泳技术对于尺寸相似、节点特性差异较小的微纳米级物质的分离不具备高分辨率，且传统介电泳装置在高电压条件下容易对生物细胞造成损伤。 同时，有效电场较小，因此介电泳技术可以与微流控技术相结合。 微流控技术装置的小型化设计可在低电压条件下产生更高的有效电场。 精确分离具有独特特性的混合样品。