基于側(cè)向磁泳的微流控芯片對(duì)兩種磁性納米球的同時(shí)分選

張作然, 張 利, 張志凌

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院, 武漢 430072)

磁分選與微流控芯片技術(shù)相結(jié)合在生化分析中應(yīng)用廣泛, 目前已被用于細(xì)胞[1～10]、 細(xì)菌[11～13]、 核酸[14,15]及外泌體[16,17]等的分選. 增強(qiáng)被分選目標(biāo)物受到的磁場(chǎng)力可縮短分選時(shí)間并提高分析通量. 借助微流控芯片平臺(tái), 目標(biāo)物受到的磁場(chǎng)力可通過以下方式來增強(qiáng): 使用電磁鐵替代常規(guī)永磁體, 可提供更強(qiáng)且可控的磁場(chǎng)[18,19], 但由于線圈會(huì)產(chǎn)生大量焦耳熱, 散熱問題較難解決; 另一種策略是在微通道附近整合鐵磁性微結(jié)構(gòu)[8,20]. 由于磁性物質(zhì)與緩沖相之間的相對(duì)磁導(dǎo)率相差很大[μr(Ni)≈200,μr(buffer)≈1], 施加外加磁場(chǎng)后, 鐵磁性微結(jié)構(gòu)局部可形成很高的磁場(chǎng)梯度. 其中, Ni帶微結(jié)構(gòu)已成功用于分選細(xì)胞[4,7,21]、 細(xì)菌[11]與RNA[14].

近年來, 隨著微流控技術(shù)的發(fā)展, 多種目標(biāo)物的磁分選受到廣泛關(guān)注. 目前, 已逐步實(shí)現(xiàn)多種靶細(xì)胞分選, 如Adams等[21]通過精細(xì)設(shè)計(jì)芯片, 實(shí)現(xiàn)了2種靶細(xì)胞的磁分選. Kang等[22]通過摻雜Mn, Fe及Co元素優(yōu)化磁性探針的磁響應(yīng)性, 并將其分別特異性修飾在不同細(xì)胞上, 實(shí)現(xiàn)了芯片上不同類別靶細(xì)胞的同時(shí)磁分選.

由于單個(gè)細(xì)胞可結(jié)合大量磁性探針, 不同靶細(xì)胞間的磁響應(yīng)性差異因磁性探針的增多而放大. 對(duì)于納米尺度的目標(biāo)物, 如蛋白質(zhì)、 核酸及外泌體等, 單個(gè)目標(biāo)物最多僅能結(jié)合一個(gè)磁性探針. 因此, 實(shí)現(xiàn)多種納米尺度目標(biāo)物分選的關(guān)鍵是在單顆粒水平上分選不同磁性的探針. 由于單個(gè)磁性探針之間的磁響應(yīng)性差異較小, 對(duì)不同磁響應(yīng)性探針的分選是研究的難點(diǎn). 此外, 為實(shí)現(xiàn)多種磁性探針的磁分選, 需要更深入地探討不同磁性探針在微通道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)差異. 然而, 目前關(guān)于芯片上磁分選的理論分析仍停留在單個(gè)磁球的受力分析上[11,21]. 多種磁性探針的磁分選仍然面臨挑戰(zhàn).

本文提出了一種利用微流控芯片上側(cè)向磁泳的策略, 成功分選了2種不同磁響應(yīng)性的磁性納米球. 首先提出了分析磁球側(cè)向位移的理論(包括聚集與偏移), 可以更直觀地分析磁球在芯片上的運(yùn)動(dòng). 結(jié)合運(yùn)動(dòng)分析與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象, 獲得磁響應(yīng)性不同的磁性納米球的側(cè)向位移差異. 基于此, 設(shè)計(jì)微流控芯片系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了樣品中2種磁球的依次分選, 二者的分選效果均可接受, 且實(shí)驗(yàn)操作簡單. 該芯片系統(tǒng)被成功應(yīng)用于乙型肝炎病毒(HBV)DNA與丙型肝炎病毒(HCV)反轉(zhuǎn)錄DNA的同時(shí)分選.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

光刻膠AZ 9260與SU-8 2015購自美國Electronic Materials公司; 聚二甲基硅氧烷(PDMS, RTV615)購自美國Momentive公司; 磁流體MF01購于中國華達(dá)臻遠(yuǎn)有限公司; 氧化銦錫(ITO)玻璃購自中國昱虹光電有限公司; 牛血清蛋白(BSA)購自中國瀚文生物公司; 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽(EDC)、 正硅酸乙酯(TEOS)和3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)均購自Sigma-Aldrich公司; 鏈霉親和素(SA)購于美國VWR公司; 以上試劑均為分析純. 分散于正己烷中的量子點(diǎn)(QDs)及鏈霉親和素修飾的量子點(diǎn)(SA-QDs)購于中國武漢珈源量子點(diǎn)公司. 實(shí)驗(yàn)所用DNA購自中國生工公司, 其DNA序列見表1.

Table 1 Sequences of DNA

G-17型光刻機(jī)(Lithography), 中國成都鑫南光公司; TE2000-U型倒置熒光顯微鏡, 日本尼康公司; 鐵銣硼(FeRbB)永磁體(60 mm×9 mm×2 mm, 60 mm×20 mm×4 mm), 中國宏昌磁電有限公司; BST200型高精度磁強(qiáng)計(jì), 中國科力華電子有限公司; LSP02型微量恒流注射泵, 中國蘭格有限公司; FL-3型熒光分光光度計(jì), 法國Horiba公司.

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

利用組裝法合成磁性納米球[23]. 磁響應(yīng)性強(qiáng)的磁球通過組裝5層磁性納米顆粒獲得, 根據(jù)組裝磁性納米顆粒的層數(shù)命名為5-MNs. 磁響應(yīng)性弱的磁球通過組裝1層磁性納米顆粒獲得, 命名為1-MNs(圖S1, 見本文支持信息). 為了借助熒光信號(hào)考察磁球的分離效果, 同時(shí)制備了熒光磁性納米球. 分別將紅色熒光和綠色熒光量子點(diǎn)(QDs)通過組裝法組裝至磁球外層, 得到具有紅色熒光的磁球5-RMNs與1-RMNs, 以及具有綠色熒光的1-GMNs. 然后, 用TEOS與APTES對(duì)這些磁球進(jìn)行硅烷化處理. 最后, 將磁球分散于N,N′-二甲基甲酰胺(DMF)中, 并與琥珀酸酐反應(yīng)2.5 h, 得到表面富含羧基的磁球. 用無水乙醇洗滌除去剩余的DMF后, 將磁球分散在超純水中保存. 磁球的濃度約為 25 mg/mL.

將捕獲DNA(Capture-DNA)通過鏈霉親和素與生物素的特異性結(jié)合作用修飾在磁球上. 首先, 在磁球上修飾鏈霉親和素. 取1-MNs與5-MNs各40 μL, 經(jīng)磁分選后分散于400 μL 0.01 mol/L PBS緩沖液(pH=7.2)中. 向體系中加入4 mg EDC和10 μg的鏈霉親和素(圖S2, 見本文支持信息), 在37 ℃搖床(150 r/min)中反應(yīng)4 h. 反應(yīng)結(jié)束后, 用0.01 mol/L PBS緩沖液(pH=7.2)清洗磁球3次, 分散于PBS緩沖液中, 磁球表面即修飾上鏈霉親和素. 表面修飾完成后, 在5-MNs體系中加入5 μL capture-HBV(100 mmol/L)制得capture-HBV-5-MNs體系; 在1-MNs體系中加入5 μL capture-HCV(100 mmol/L)制得capture-HCV-1-MNs體系(圖S2). 置于37 ℃搖床(150 r/min)中反應(yīng)40 min. 最后, 用0.01 mol/L Tris-HCV緩沖液(pH=8.0)重懸磁球3次, 除去過量的capture-DNA. 所得產(chǎn)物于4 ℃保存?zhèn)溆?

實(shí)驗(yàn)所用微流控芯片為PDMS芯片, 分為Ni帶層與流體通道層. Ni帶層的制作步驟如下: 在ITO玻璃的導(dǎo)電一側(cè)旋涂一層12 μm厚的AZ9260光刻膠, 通過光刻與顯影暴露出Ni帶圖案處的ITO玻璃導(dǎo)電層; 經(jīng)電鍍得到約12 μm高的Ni帶微結(jié)構(gòu); 最后用無水乙醇洗去光刻膠層. 采用軟光刻法制作流體通道層[24]. 旋涂一層極薄的PDMS層(4500 r/min, 30 s)封裝Ni帶結(jié)構(gòu); 置于75 ℃烘箱中3 h固化表面的PDMS, 然后與流體通道層鍵合.

借助熒光光譜技術(shù)考察了磁球的分離效果. 實(shí)驗(yàn)前, 將MNs用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的BSA蛋白溶液封閉30 min以避免非特異性吸附. 將含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的BSA蛋白的Tris緩沖液(0.01 mol/L, pH=8.0)由緩沖入口(Buffer inlet)通入芯片系統(tǒng)(Scheme 1); 將1-GMNs與5-RMNs混合后從樣品入口(Sample inlet)通入芯片系統(tǒng)40 min. 樣品相、 緩沖相1與緩沖相2的流速分別為5, 30和5 μL/min. 實(shí)驗(yàn)條件下, 微通道中可形成穩(wěn)定的層流, 當(dāng)施加外加磁場(chǎng)時(shí)Ni帶微結(jié)構(gòu)會(huì)被磁化, Ni帶的局部會(huì)形成很高的磁場(chǎng)梯度. 樣品相中的5-MNs與1-MNs依次在芯片1(Chip 1)與芯片2(Chip 2)上磁偏移至緩沖相中. 經(jīng)磁分離后, 在芯片系統(tǒng)的出口1(Outlet 1)與出口2(Outlet 2)處分別收集5-MNs與1-MNs. 將出口處收集物重懸成100 μL溶液, 分別用熒光分光光度計(jì)測(cè)定其熒光光譜.

Scheme 1 Schematic of microfluidic chip system

作為方法展示, 將該芯片系統(tǒng)用于分選2種目標(biāo)DNA. 用1% BSA溶液封閉capture-HBV-5-MNs與capture-HCV-1-MNs, 而后將2種捕獲DNA修飾的磁球加入到混有HBV與HCV的樣品中, 最終體系為30 μg/mL 5-MNs+60 μg/mL 1-MNs+200 mmol/L Tris緩沖液+300 mmol/L NaCl+5 mmol/L MgSO4+0.05%吐溫20. 將該體系置于搖床中反應(yīng)40 min后, 從芯片的樣品入口通入40 min, 實(shí)驗(yàn)條件與上步相同. 從出口1, 出口2與廢棄物出口流出的反應(yīng)體系首先收集在一組試管中, 記為組1, 而后收集另一批, 記為組2. 將過量的probe-HBV加入組1中, 過量的probe-HCV加入組2中, 分別置于搖床中反應(yīng)40 min. 去除過量probe-DNA后, 分別加入SA-QDs, 反應(yīng)40 min. 最后測(cè)定組1和組2的熒光光譜, 以分析target-HBV與target-HCV在芯片各出口的分布.

2 結(jié)果與討論

2.1 磁納米球的表征

TEM照片表明, 2種磁球在樣品中分散均勻, 且粒徑均一[圖1(A)和(D)]; 1-MNs與5-MNs的粒徑均約為350 nm[圖1(B)和(E)], 2種磁球的尺寸及體積基本一致. 由磁滯回線[圖1(C)]可知, 1-MNs與5-MNs的飽和磁化強(qiáng)度分別為6.8與34.1 A·m2·kg-1, 二者的磁響應(yīng)性差異較大, 并且在室溫下均表現(xiàn)出超順磁性. 由磁性納米球的熒光光譜[圖1(F)]可見, 1-GMNs與5-RMNs的熒光光譜峰形對(duì)稱, 且熒光峰不重疊.

Fig.1 Characterization of beads with strong magnetic responsiveness(5-MNs) andweak magnetic responsiveness(1-MNs)(A, D) TEM images; (B, E) particle size statistics of 1-MNs(A, B) and 5-MNS(D, E); (C) magnetic hysteresis loops for 5-MNs(a) and 1-MNs(b); (F) fluorescence spectra of 1-GMNs(a) and 5-RMNs(b).

2.2 磁球在芯片上運(yùn)動(dòng)的理論分析

實(shí)驗(yàn)所用磁場(chǎng)通過芯片下方水平對(duì)置的2個(gè)尺寸相同的永磁體提供, 因此微通道內(nèi)的磁場(chǎng)可近似為勻強(qiáng)磁場(chǎng). 使用磁強(qiáng)計(jì)測(cè)得磁感應(yīng)強(qiáng)度B約為0.48 T. 通過COMSOL Multiphysics 6.4軟件模擬芯片中的磁場(chǎng)梯度(B)分布. 當(dāng)施加外加磁場(chǎng)時(shí), Ni帶與緩沖液之間會(huì)形成很高的磁場(chǎng)梯度(圖2).

Fig.2 Simulation result of the magnetic fieldgradient(B) around Ni stripsEach Ni strips was 50 μm in width and 11 μm in height. The interval between Ni strips was 100 μm. The thickness of ITO glass under the Ni strips was 1.1 mm. Ni strips were covered by an extremely thin PDMS layer. The fluid channel was above the Ni strips.

微通道內(nèi)的磁性顆粒分別受到磁場(chǎng)力Fm與流體黏滯力Fd的作用.Fm作用方向[25]與Ni帶垂直, 計(jì)算公式如下:

式中: Δχ為磁性顆粒與介質(zhì)之間的磁化率差異;Vm(m3)為磁球體積;B(T)為磁感應(yīng)強(qiáng)度;B(T/m)為磁場(chǎng)梯度;μ0(4π×10-7H/m)為真空磁導(dǎo)率. 流體黏滯力Fd可由斯托克斯力計(jì)算:

Fd=6πrηΔv=6πrη(v0-v) (2)

式中:r(m)為磁性顆粒的半徑; Δv(m/s)為磁性顆粒與流體之間的速度差;v0(m/s)為流體的速度;ν(m/s)為磁性顆粒的速度;η(kg·m-1·s-1)為流體的表觀黏度.

通過磁場(chǎng)力與流體黏滯力的共同作用, 磁球從樣品相被推入緩沖相中. 當(dāng)磁場(chǎng)力足夠大時(shí), 磁球會(huì)沿Ni帶運(yùn)動(dòng). 如圖3(A)所示, 設(shè)Ni帶與x方向夾角為β, 磁球與x方向夾角為α, 則0<α≤β.

微通道內(nèi)的磁球會(huì)很快達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng), 于是Fdy=Fmy. 磁場(chǎng)力在y方向的分速度為Fmy=Fmcosβ, 因此磁球在y方向和x方向上的速度分別為

假定在一個(gè)極短的橫向位移dx內(nèi), 磁球的速度不變, 于是:

在對(duì)大量磁球進(jìn)行磁分選時(shí), 磁球磁化后會(huì)相互吸引而形成團(tuán)簇[圖3(B)]. 磁化形成的團(tuán)簇與單個(gè)磁球的磁偏移性質(zhì)差異非常大[26]. 下面通過一個(gè)簡單的模型分析磁化形成團(tuán)簇前后的性質(zhì)差異.

Fig.3 Motion analysis of MNs(A) Velocity analysis of a single MNs; (B) the motion of magnetic composited particles.

假設(shè)一個(gè)團(tuán)簇由n個(gè)MNs組成, 那么:

式中:R(m)是將團(tuán)簇顆粒近似為球的半徑;V(m3)是團(tuán)簇顆粒近似為球的體積.

團(tuán)簇顆粒的x與y方向速度計(jì)算方式與單個(gè)磁球類似, 即

團(tuán)簇顆粒與單顆粒側(cè)向瞬時(shí)位移的差距為

由式(7)可知, 磁化后團(tuán)簇顆粒的偏移角度會(huì)隨著n增大而迅速增加, 直至α=β. 越大的團(tuán)簇顆粒越容易沿著Ni帶偏移. 由式(8)可知, 聚集的MNs與單個(gè)MNs側(cè)向位移差異非常大. 流體黏滯力的改變導(dǎo)致聚集前后MNs的側(cè)向磁偏移存在差異. 相對(duì)于磁化前分散的磁球群體, 團(tuán)簇所受的磁場(chǎng)力為各磁球所受磁場(chǎng)力的矢量和, 而流體黏滯力對(duì)磁球的作用則因聚集而降低. 磁球與流體之間會(huì)產(chǎn)生更大的速度差來維持流體黏滯力與磁場(chǎng)力的平衡, 于是團(tuán)簇在x方向上的速度更慢, 在y方向上的速度更快, 磁球團(tuán)簇與x方向的運(yùn)動(dòng)夾角也會(huì)增大, 從而更易沿著Ni帶發(fā)生側(cè)向磁偏移. 因此, 磁球的磁化聚集是磁分選中一個(gè)非常關(guān)鍵的因素.

利用側(cè)向磁泳分離5-MNs與1-MNs, 需分析磁球在分選中的側(cè)向磁偏移差異. 后續(xù)實(shí)驗(yàn)考察了2種磁球的側(cè)向磁偏移. 施加外加磁場(chǎng)后, 磁球會(huì)相互磁化并形成微米級(jí)顆粒[圖4(B)和(C)], 這些顆粒沿Ni帶運(yùn)動(dòng), 這與式(7)結(jié)論相同. 磁球磁化的聚集程度隨流速增大而逐漸減小[圖4(D)～(F)]. 但是, 1-GMNs與5-RMNs的聚集程度隨著流速增大而減小的趨勢(shì)卻不同[圖4(G)～(I)]. 當(dāng)流速較低時(shí), 1-GMNs與5-RMNs均聚集成微米顆粒沿著Ni帶偏移, 而樣品相流速升高至5 μL/min, 緩沖相流速升高至30 μL/min時(shí), 5-RMNs仍然沿著Ni帶偏移, 1-GMNs卻未形成可見的微米級(jí)顆粒. 由圖4(I)所示熒光圖可知, 5-RMNs幾乎完全偏移至出口1(Outlet 1)處, 而很少有1-GMNs出現(xiàn)在出口1處. 因此可以認(rèn)為, 1個(gè)磁化顆粒中5-MNs的數(shù)量(n5)大于1-MNs的數(shù)量(n1).

Fig.4 On-chip movement of 5-RMNs and 1-GMN at different flow rates(A) Structure of the chip; (B)—(F) images were taken in a bright field; (B) without magnetic field, MNs did not move along the Ni strips; (C) when an external magnetic field was added, the MNs became magnetized and clumped into visible micro-sized particles; (D)—(F) images of the motion of MNs at different flow rates; (G)—(I) fluorescence field images and fluorescence spectra of the fluorescent MNs collected at each outlet.

結(jié)合上述討論與結(jié)果分析了磁化對(duì)1-MNs與5-MNs側(cè)向磁偏移的影響. 為簡化分析, 理論上僅考慮5-MNs之間的磁化及1-MNs之間的磁化.

當(dāng)流速約為35 μL/min時(shí),n5>n1. 5-MNs與1-MNs磁響應(yīng)性差異很大, 由式(3)可知,v5y>v1y, 由支持信息中的推導(dǎo)證明存在如下不等式:

由式(8)與式(9)可得

由式(10)可知, 在特定流速下5-MNs與1-MNs的側(cè)向位移差異會(huì)因?yàn)榇呕缶奂潭鹊牟煌@著放大. 理論上5-MNs與1-MNs可以在含有Ni帶結(jié)構(gòu)的芯片上分離. 當(dāng)流速更低時(shí), 1-MNs會(huì)更加集中并沿著Ni帶偏移[圖4(G)和(H)]. 將5-MNs從樣品相與1-MNs中分選后, 1-MNs可在更低流速下從樣品相中分選出來.

2.3 芯片設(shè)計(jì)

基于以上分析結(jié)果設(shè)計(jì)了一個(gè)芯片系統(tǒng)用于分選5-MNs與1-MNs. 該芯片系統(tǒng)由3塊芯片組成(見Scheme 1), 芯片1與芯片2含有Ni帶結(jié)構(gòu), 分別用于5-MNs與1-MNs的分選, 芯片3用于平衡整個(gè)芯片系統(tǒng)的流體阻力.

芯片1與芯片2采用通用的連續(xù)磁分選芯片結(jié)構(gòu)[8,11,14], 二者的Ni帶結(jié)構(gòu)相同(圖S3, 見本文支持信息). 流體通道的高度均約為40 μm. 為了達(dá)到更好的分選效果, 芯片1寬度為1000 μm, 而芯片2設(shè)計(jì)在更低的流速下工作, 寬度為1500 μm.

2.4 不同磁響應(yīng)性磁球的分選效果

將5-RMNs與1-GMNs混合作為樣品通入芯片系統(tǒng), 通過測(cè)定芯片出口處收集溶液的熒光光譜分析磁球的分離效果.

實(shí)驗(yàn)考察了1-MNs與5-MNs之間的相互磁化對(duì)分選的影響. 首先將1-RMNs作為樣品通入芯片1并分選, 然后將5-MNs與1-RMNs按照質(zhì)量濃度比1∶1混合后以相同流速通入芯片. 樣品的熒光強(qiáng)度經(jīng)熒光峰扣除背景后得到, 分離效率通過對(duì)應(yīng)出口處樣品的熒光強(qiáng)度與所有出口處樣品的熒光強(qiáng)度之和的百分比進(jìn)行估算. 由于磁球間的相互磁化, 約17%的1-RMNs被偏移至出口1[圖5(B)]. 相互磁化對(duì)分選的影響可通過調(diào)控5-MNs與1-MNs的質(zhì)量濃度比來降低[圖5(B)～(D)]. 當(dāng)5-MNs與1-RMNs的質(zhì)量濃度比為1∶2 時(shí), 僅有較少的1-RMNs偏移至出口1, 因此采用該條件進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn).

Fig.5 Fluorescence spectra of samplesThe flow rate of the sample was 5 μL/min and of the buffer was 30 μL/min. (A) Sample with only 1-RMNs; (B)—(D) samples with 5-MNs/1-RMNs mass ratios of 1∶1, 2∶1, 1∶2, respectively. a. Outlet 1; b. outlet 2.

采用芯片1分離5-RMNs與1-GMNs, 由圖6(A)和(B)所示熒光光譜圖可知, 5-RMNs與1-GMNs可被有效分離. 當(dāng)樣品流速為5 μL/min, 緩沖相流速為30 μL/min時(shí), 會(huì)有約14%的1-GMNs偏移至出口1[圖6(A)]. 隨著緩沖相流速逐漸增加, 偏移至出口1的1-GMNs更少, 同時(shí)5-RMNs的分選效果下降. 其原因是隨著流速升高, 磁球通過Ni帶結(jié)構(gòu)的時(shí)間減少, 并且磁化聚集程度減弱. 因此, 緩沖相流速為35 μL/min時(shí), 5-MNs可在芯片1上得到有效分離[圖6(C)]. 為了進(jìn)一步將1-MNs從樣品中分離, 設(shè)計(jì)了芯片2并考察1-GMNs在其上的分離效果. 圖6(D)結(jié)果表明, 當(dāng)樣品流速為5 μL/min, 緩沖相流速為5 μL/min時(shí), 1-GMNs可以得到有效分離.

Fig.6 Separation efficiency of 5-RMNs and 1-GMNsOutlet 1 collected 5-MNs and outlet 2 collected 1-MNs. (A), (B) Separation efficiency of 5-RMNs and 1-GMNs by chip 1. (A) Flow rates: sample 5 μL/min, buffer 30 μL/min; (B) flow rates: sample 5 μL/min, buffer 32 μL/min; (C) relative separation percentages of 1-GMNs and 5-RMNs with flow rates by chip 1. Standard deviation was calculated from three experimental runs; (D), (E) separation efficiency of 1-GMNs by chip 2; (D) flow rates: sample 5 μL/min, buffer 5 μL/min; (E) flow rates: sample 5 μL/min, buffer 10 μL/min; (F) separation efficiency of 5-RMNs and 1-GMNs for the chip system. a. Outlet 1; b. outlet 2; c. waste.

為了將5-RMNs與1-GMNs同時(shí)從樣品中分離, 連接芯片1與芯片2構(gòu)成芯片系統(tǒng), 考察了該系統(tǒng)對(duì)磁球的分離效果. 如圖6(F)所示, 當(dāng)樣品流速為5 μL/min, 緩沖相1流速為30 μL/min, 緩沖相2的流速為5 μL/min時(shí), 5-RMNs完全偏移至出口1處, 同時(shí)有18%的1-GMNs偏移至出口1, 出口2處基本為1-GMNs. 圖6(F)所示熒光光譜中500～550 nm處的熒光峰表明, 有少量的1-GMNs未偏移至出口2而分布于廢棄物出口.

總的來說, 所構(gòu)建的基于微流控芯片的磁分選系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)5-MNs與1-MNs的高效分選. 5-MNs可在出口1處收集, 1-MNs可在出口2處收集. 2種磁球的分選效果均可接受. 其中, 樣品中的5-MNs可被完全分選, 從而減少珍貴樣品在分選過程中的損失.

2.5 樣品中HBV與HCV目標(biāo)DNA的同時(shí)分選

將該磁分選系統(tǒng)用于乙型肝炎病毒(HBV)的DNA與丙型肝炎病毒(HCV)的反轉(zhuǎn)錄DNA的同時(shí)分選. 用2種磁響應(yīng)性不同的磁球分別特異性捕獲HBV的DNA與HCV的反轉(zhuǎn)錄DNA后, 通入芯片系統(tǒng)進(jìn)行分選. 分選后, 收集各出口處的溶液并分別依次加入生物素修飾的探針DNA(Probe-DNA)和SA-QDs, 反應(yīng)后測(cè)定溶液的熒光光譜, 可得到各出口處HBV與HCV目標(biāo)DNA的熒光分布圖. 如圖7所示, HBV的目標(biāo)DNA被分選于出口1處, HCV的目標(biāo)DNA多數(shù)被分選于出口2, 少量的HCV出現(xiàn)在出口1, 2種目標(biāo)DNA的分離效果均較好.

Fig.7 Separation of target DNA of HBV and HCV from the sampleDistributions of HBV DNA(A) and HCV complementary DNA(B) at outlet 1(a), outlet 2(b) and the waste outlet(c).

3 結(jié) 論

利用側(cè)向磁泳實(shí)現(xiàn)了在微流控芯片上分選強(qiáng)磁響應(yīng)性(5-MNs)與弱磁響應(yīng)性(1-MNs)的磁性納米球. 提出基于磁球側(cè)向位移差異的理論用以解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象. 分選實(shí)驗(yàn)操作簡易, 且2種磁球的分選效果均可接受, 其中強(qiáng)磁響應(yīng)性的球可被完全分選, 能減小分選中珍貴樣品的損失. 將該芯片分選系統(tǒng)成功用于分選HBV與HCV的目標(biāo)DNA. 這個(gè)多種目標(biāo)物分選芯片系統(tǒng)在蛋白組學(xué)、 基因組學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景.

支持信息見http://www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20200080.