基于微流控平台的电磁驱动技术分析

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2021-10-15 08:30 热度：

摘 要：摘要：提出一种微流控磁制动平台，通过四对组合线圈磁场将细菌与免疫磁珠混合与分离，该磁场可以将顺磁微珠操纵至检测区域，从而实现对细菌的分离与检测。 关键词：微流控，磁

　　摘要：提出一种微流控磁制动平台，通过四对组合线圈磁场将细菌与免疫磁珠混合与分离，该磁场可以将顺磁微珠操纵至检测区域，从而实现对细菌的分离与检测。

　　关键词：微流控，磁场控制，食品检测，免疫磁珠。

　　0引言

　　常规的食源性细菌检测方法包括以下步骤：预先富集确定重量或体积的样品，选择性富集步骤，铺在选择性琼脂上以及对可疑菌落进行生化和血清学确认[1]。这些方法既费力又费时。市场上有几种快速的细菌检测方法，包括基于免疫学的检测，DNA探针杂交检测和生物传感器。但是，当前的细菌检测方法对于紧急情况响应者来说不够快速或不够可靠，部分原因是分离和浓缩性能差。而且，这些方法不能区分活细菌和死细菌。在食品污染的情况下，不良微生物的数量非常低，但足以对食品安全造成严重威胁。因此，需要事先进行特定而有效的富集步骤。免疫磁性分离(IMS)基于微流控技术，可以实现高灵敏度、低试剂消耗量、快速检测。所以将IMS与微流控技术相结合以产生用于细菌检测的芯片实验室平台，是获得更方便的快速响应和原位检测的途径。在这项工作中，我们提出了一种方法，该方法通过应用交替磁场来控制磁珠混合效率以提高细菌(此处为沙门氏菌)的捕获效率。优化了微流体通道的几何形状和流速，以实现接近70%的最大捕获效率。

　　在微管道内,液体由进样口至出样口连续流动，磁珠在通道内会受到流体黏度引起的粘拽力Fd，磁珠受到的磁场力为Fm。外磁场对磁珠的作用力与磁场强度成正比，即与线圈驱动电流成正比。

　　磁珠-细菌复合物的分离是通过引入垂直于流动方向的不均匀磁场来实现的。配有CCD摄像机的显微镜放在微流控顶部，微流控免疫磁分离检测系统如图2所示，待测样品注入混合区，再将免疫磁珠注入，通过控制免疫磁珠运动完成混合过程，反应一段时间后，被输送到检测区，由倒置荧光显微镜识别检测光信号，最后上传到计算机处理。在检测的前置步骤中，必须对样品进行分离才能获得准确、灵敏和可靠的检测结果。

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　　微米大小的顺磁珠用特异性抗体修饰，然后可以沙门氏菌发生特异性结合。系统的微流体部分由PDMS芯片组成，该芯片包含一个微流通道，具有三个输入口和两个输出口。芯片包含的通道宽度为200µm，高度为200µm，混合区为600µm×800µm的长方形区域，检测区800×800µm的正方形区域。通过标准的SU-8光刻胶母模成型工艺制成的，并用载玻片密封。使用注射泵进行流体处理。流速在0.25～10µL/min之间变化，微珠浓度为108个微珠/mL，而细菌浓度为105个细胞/mL。磁性装置包括两个由外部电源控制的电磁铁，磁场通过磁头集中在微通道上。

　　2　实验结果与讨论

　　使用设计的磁性平台控制器，可以移动多个免疫磁珠，它们成群地聚集。该实验中的免疫磁珠直径大约为1μm。在实验中，图3中显示了免疫磁珠与待测样品混合后在微流通道运输的过程。免疫磁珠被来自电磁铁的磁场吸引。但是，由于与电磁铁的距离较长，免疫磁珠的吸引力较小。因此，开始的运动速度会比较慢。运动一段时间过后，免疫磁珠开始靠近电磁铁，磁场增大，免疫磁珠的速度慢慢提升，会越来越快地靠近电磁铁。结果，根据控制不同位置的电磁铁通断，达到控制免疫磁珠向不同方向位移。为了提高IMS芯片的性能，已对流量参数，磁场控制频率和芯片几何形状进行了调整和优化。通过将实验数据与对照数据进行比较来确定捕获效率。不同电磁铁交替控制的频率是要调整以获取最大捕获效率的重要参数。频率应足够高，才能提高系统的响应，以使珠子在通道宽度上保持恒定流动，以使珠子有时间完成相对通道壁之间的运动。通过改变频率和流速并测量捕获效率，实验确定了最佳频率。如图4所示，如果控制频率较低(0.1Hz)，则捕获效率约为20%，并且大致与流速无关。这意味着，珠子在特定位置上的浓度降低了它们与细菌结合的可能性。另一方面，如果频率约为1Hz，则捕获效率在很大程度上取决于流速。如果流速为1µL/min，则磁力对胎圈运动的影响要强于流体流动力。这将导致合力产生更大的垂直于通道长度的分量，从而导致磁珠沿垂直方向快速移动，从边缘到达确定的距离，直到磁场以该较高频率再次恢复。当流速增加时，所产生的力将具有与通道长度平行的较大分量，并且垂直运动很慢，从而阻碍了磁珠在恢复场方向之前沿垂直方向显著变宽。为了使垂直于通道长度的合力最大化，发现最佳的交流频率为0.5Hz(低流速)。但是，如果流速太低，则系统会发生磁珠团聚，这也会降低效率。这些实验是在1000µm的微流体通道上进行的，在2µL/min的流速下，获得的最大效率约为45%。在更窄的信道上进行的实验得出了最佳频率的相似趋势。

　　3结语

　　本文使用大小为1µm的免疫磁珠，开发了一种新型的磁控微流系统富集细菌。在最佳条件下，捕获效率达到68%。单个芯片用于执行混合/分析物捕获和分离过程。磁性部分由四对市场销售的电磁铁组成，这些电磁铁由单片机控制控制芯片中的磁珠运动。将微流控系统与磁珠的磁驱动结合起来，可以提高抗体与抗原之间相互作用的机会。在下一步中，应将开发的设备与微流控平台集成，以进行流式细胞检测。这项工作的另一个前景是开发具有多个微通道的检测芯片，这些微通道可将大量样品分配到较小的部分以减少反应时间。而且，包含具有不同抗体的免疫磁珠的多个通道将允许同时检测不同的细菌菌株。——论文作者：唐袁袁，李康康，洪辉武

文章名称：基于微流控平台的电磁驱动技术分析

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