诊断技术：磁珠，充满魔力的子弹-磁珠是什么？

自20世纪90年代初以来，微流控技术被认为是最领先和最有前途的研究领域之一。在微流控系统中，具有超顺磁特性的小球状磁性颗粒，即磁珠，在创新方法和工具的设计中发挥着重要作用，特别是在生物分析和医学科学领域。

本文的目的是讨论磁珠研究领域最先进的主要方面，同时展示其广泛的应用和解决诊断和治疗领域的基本生物和医疗问题的巨大潜力。

在本文的第二部分讨论了与磁性粒子的制造和纳米大小磁体的物理特性有关的基本问题和要求，主要的兴趣是控制和调整纳米粒子的特性，以及通过其磁场进行粒子检测的适当方法。

第三部分介绍了磁珠在纳米医学中的应用概况。

在第四部分中，描述了采用磁珠进行样品处理和分离的实际问题。

最后，总结了与使用基于磁珠的微流控系统有关的好处，说明了在接近微流控时代的道路上正在进行的问题和有待解决的任务。

1990年，Manz等人提出了微整体分析系统（TAS）的概念，启动了新材料和技术的发展，以实现流体微系统。通常的术语“片上实验室”（LoC）是TAS的一个替代名称。导至开发LoC设备的愿景是提供具有信用卡尺寸的系统（称为芯片），允许在仅几平方厘米的区域内整合常见的实验室功能。

LoC设备通常被认为是一类微电子机械系统（MEMS），并与微流控技术密切相关，后者描述了少量液体的物理和操作。因此，在某些方面，LoC和微流控系统可以作为等同术语使用。

微流控操作包括样品的操作、混合、反应、分离和检测。LoC方法只需要极小的液体体积（低至纳升或甚至pL范围），同时节省试剂和样品资源，从而节省成本，同时，必须有适当的接口结构，以满足这种小体积和处理能力，并结合有足够技能的工作人员。

1998年，Sinclair发表了文章“To bead or not to bead: Applications of magnetic bead technology”，并在这篇文章中描述了多方位的磁珠应用。

应该提到的是，尽管在这一领域开展了研究活动，但商业化的LoC产品的开发仍然充满了风险，并且在行业内的发展相当犹豫。然而，在TAS宣布的二十五年后，似乎“实验室终于来到了芯片上！”

与LoC设备和微流控系统发展的热潮同时，纳米材料和纳米颗粒在科学界也引起了越来越多的关注。特别令人感兴趣的是一类磁性材料，它由直径为几十或几百纳米的铁磁性纳米粒子组成，嵌入非磁性基体中，例如由聚合物或石英制成。

这就产生了具有超顺磁性能的微小颗粒，由于其球形形状，通常被称为磁珠-珠子。这种超顺磁性颗粒显示出非磁性行为，除非暴露在一个磁化场中。恒定磁场会导至固定化，而磁场梯度会影响驱动、旋转或运输。

磁珠的独特之处在于，与磁珠结合的样品可以通过磁力独立于任何其他微流控、生物或化学过程进行操作。

磁珠的大表面与体积之比使其有了进一步的用途，即用于目标分子的化学结合。这可以通过提供配体的特定表面修饰或整体表面涂层来实现，这被称为表面功能化。

到目前为止，已经开发了各种珠子表面功能化的方法。一般来说，功能化包括对固体材料表面的物理、化学或生物特性的修改。

这种修改可以通过不同的方法完成，以改变表面的各种特性，如：粗糙度、亲水性（对水的亲和力）、表面电荷（电动势）、表面能（材料表面的过剩能量）、生物相容性（与生物系统的兼容性）或反应性（发生化学反应的倾向）。

当前，磁珠已被公认为是一种标准工具，用于检测、分析和定量的生物分子的特定附着，它们在研究机构中的广泛使用体现在大量关注磁珠应用的科学出版物上。在特定的技术期刊和会议记录中，发表的数量超过了数千篇的水平。

Gijs等人分别在2004年和2010年提供了两篇评论文章，详细介绍了当时磁珠处理的最先进技术和磁珠应用的主要领域：化学和生物分析，但也包括催化。当这些粒子暴露在外部磁场中时，所涉及的物理学和力，以及一些应用也被介绍了出来。

本文包括了具有超顺磁性能的磁性粒子被用于微流控系统时所涉及的基本观点和基础科学，同时也概述了与制造磁性纳米结构和粒子组合有关的合成和挑战，这些粒子创造了球形的微粒子，用于微流控应用。

在本文的第二部分，从超顺磁性的基础知识和微流控系统中的磁珠所受到的力开始。介绍了小磁粒和磁珠的物理特性。这方面的重点是粒子大小的调整，其中的制造限制和实际方面必须同时考虑。

一个挑战是提供合适的检测方法和工具来测量微弱的磁信号，这些信号是由具有纳米级尺寸的颗粒或磁性纳米颗粒的集合体产生。

接下来，在本文的第三部分介绍一些选定的磁珠应用。重点是在生物分析和生物医学科学领域，包括纳米医学。对磁珠在纳米医学中的应用进行了一些详细的介绍。磁珠在生物分析领域的典型应用是夹心酶联免疫分析和基于磁粉的免疫分析，其中磁珠作为载体底物或作为检测标签。

功能化磁珠的一个相当非传统的应用是操纵金属纳米颗粒进行催化剂回收。然而，Gijs等人在2010年预测，对沉积在磁性纳米粒子上的催化剂在微流控系统中的分离越来越感兴趣。关于磁珠在免疫分析中的应用以及它们在催化剂回收中的应用，将在本文第三部分进行介绍。

本文第四部分说明了采用磁力进行样品操作的实际情况，结论强调了LoC的独特卖点，特别是磁珠的使用，这可能是微流控磁珠系统进一步工业化的瓶颈。