诊断技术：磁珠，充满魔力的子弹——磁珠应用的实践和总结

在早期阶段，生化样品混合物是通过批处理进行分离的，包括过滤、离心、色谱和电泳。然而，当微流控技术出现在舞台上并在世界各地的研究小组中获得越来越多的关注时，微流控设备中的连续流动分离方法被开发出来，作为批处理过程的替代。

已有大量的分离方法被报道，包括大规模方法的微型化模型以及只适用于微流控系统的方法。Pamme对通过外部场产生的力进行的微流控分离过程进行了描述和比较。

在实际使用中，最好是将样品从连续的流动中分离出来，而不是从静止的状态中分离。这样，可以实现更高的产量，并且样品和废物可以实时分离。已经提出了各种用于连续流动分离的方法。

例如，磁性颗粒可以通过垂直于流动方向的磁场从片上的连续流体中偏转。在这种情况下，偏转的程度不仅取决于磁场强度，而且还取决于样品中颗粒的磁感应强度。这种基于磁泳的分离方法可以应用于制造后的磁性微粒子和纳米粒子的分拣，或者是装有磁性标签的细胞。

图7直观地展示了在微流控系统中通过垂直于水流布置的磁场引起的偏转而从连续的水流中进行磁分离的原理。

图7. 从连续的流动中进行磁分离：施加垂直于流体流动方向的磁场，导至磁性颗粒或磁性标记的分子发生偏转。(a)通过两个出口将非磁性颗粒与磁性颗粒分离；(b)有多个出口的系统。

微流控分离方法的特点是连续注入、实时监测和连续收集。连续流动分离方法的一个基本特征是使样品成分偏离主要流动方向。这可以通过外部电场、磁场、声场或光场提供的力来实现，或者通过在层流中安排障碍物使某些样品成分在空间上偏转。

在大多数情况下，需要附着像磁珠这样的磁性成分，因为特别是生物大分子不容易受到磁性操作的影响，只有极少数例外（如具有一定铁含量的红细胞和趋磁细菌）。

当应用磁力进行颗粒分离时，离子或表面电荷以及pH值都不可能对操纵的敏感性产生影响。此外，磁操作大多不会修改或损坏样品，因此很适合生物大分子。因此，磁分离在微流控领域呈现出一种通用的工具。

微型整体分析系统（TAS）的提出，也被称为片上实验室（LoC）系统，启动了研究活动的爆炸性增长，以开发小型化系统，允许在单个芯片上进行多重操作。宏观实验室的所有功能都将被集成在一个信用卡大小的设备上。

LoC方法为研究低至细胞水平和分子尺度的生物相互作用提供了工具，并为生命科学和相关研究领域的应用提供了巨大潜力。芯片上的实验室的主要进展是微型化和可运输性，这使其适合在发展中国家或在医疗紧急情况下使用。

此外，样品量和试剂的消耗也被减少到最低限度。因此，成本也大大降低。快速的反应时间和接近于零的废物量为标准的实验室分析方法提供了一种有竞争力的方法。在实际应用中，处理低液体体积的系统可以实现复用、自动化和高通量筛选。

迄今为止，广泛发现的磁珠的应用领域包括从免疫分析到细胞操作、DNA提取、磁共振成像、热疗到胶体纳米晶体中的整合。特别是在微型化微流控系统领域，磁性颗粒和纳米材料发挥着主导作用。

这种超顺磁性颗粒无可比拟的优势在于，只需去除外部磁场，就可以关闭样品内部或样品与外部磁场之间的磁互动。此外，磁性操作方法不会损害或改变样品，这在生物医学应用中尤其重要。此外，离子或表面电荷或pH值都不会使操纵的敏感性恶化。

还有一个问题是是否有足够的检测和量化工具，对于像磁珠这样磁性含量和物理尺寸都很小的磁性材料来说，这是一个持久的挑战。其次，在微流控界仍然没有关于配件、接口或基础设施的一致标准，即插即用的组件或工具箱。

在大多数情况下，都是采用自己的解决方案。由英国剑桥商业创新中心组织的微流控联盟打算确定和推广标准的前体（如连接器和芯片支架）。最近，一个在线讨论被发布，提出了微流控连接器的ISO标准。

从开发水平到工业使用和接受的时间尺度是相当长的。

也许，一个瓶颈是微流控技术的高度多学科性，特别是与磁珠的使用相结合，交叉了工程、物理、生物化学、纳米技术和生物技术。例如，无机化学（磁珠制备所需）、生物化学以及医学科学（为磁珠配备与样品需求相匹配的适当功能化）都需要高水平的科学和实践知识。

更重要的是，应该熟悉纳米磁和磁性材料的基本物理原理。这不仅需要训练有素的工作人员，至少在开发阶段，还需要一个多学科的团队。

另一个障碍可能与微流控芯片的制造有关：虽然LoC设备的制造非常简单，但母模的制造通常需要一个洁净室设施。这可能是另一个障碍，特别是对于中小型企业来说，要进入微流控技术领域。

然而，一般来说，微流控系统的持续使用和繁荣的未来是可以预测的，特别是对于磁珠这类材料来说，它可以被认为是各种医疗任务的神奇疗法，或者在一个形象的意义上，是神奇的子弹。

这里使用的“魔法”一词是由于它们独特的甚至是混合的特性与它们的多功能用途相结合，而“子弹”则是根据它们的球形外观。在对生物分析和生物医学进行广泛调查后，现在是发现新市场的时候了，因为磁珠的使用不限于生物大分子。

一个有前途的领域是催化剂回收。到目前为止，在磁性催化剂回收领域只进行了很少的研究，但这些研究都取得了很好的结果。催化剂回收或更普遍的绿色微流控，化学品和反应物使用后的回收和循环，以及准备重新使用，可能是磁珠的一个有利的市场缺口。