中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等科研單位的研究人員開發(fā)出一款微型磁驅(qū)動旋轉(zhuǎn)過濾器，以過濾芯片實驗室微流控器件內(nèi)的微粒。

用于微流控通道的微型磁驅(qū)動旋轉(zhuǎn)過濾器，這款過濾器寬僅70微米，高只有60微米，兩個側(cè)翼布有很多6.5微米的方形開口（圖片來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，比例尺：10微米）

據(jù)麥姆斯咨詢報道，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)和日本理化學(xué)研究所光量子工學(xué)研究中心（RIKEN Center for Advanced Photonics，RAP）的研究人員組成的一支國際研究團(tuán)隊制造了一款微型磁驅(qū)動旋轉(zhuǎn)過濾器，可用于過濾芯片實驗室（lab-on-a-chip）器件內(nèi)的微粒。他們通過開發(fā)一種可用于高精度3D打印（雙光子聚合技術(shù)）的磁性材料，制作了該款微型旋轉(zhuǎn)過濾器。

據(jù)研究人員介紹，微流控芯片，或稱為芯片實驗室器件，可在僅幾平方厘米或更小的芯片上執(zhí)行多種實驗室功能。該類器件可用于眾多生物醫(yī)療領(lǐng)域，例如篩選具有治療潛力的藥物分子、通過血液檢測來發(fā)現(xiàn)疾病等。

“通過改變外部磁場的方向，我們制造的微型磁驅(qū)動旋轉(zhuǎn)過濾器可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，按需過濾特定大小的微粒?！敝袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)的研究人員吳東介紹說，“該功能可用于芯片實驗室器件在化學(xué)和生物方面的多種研究工作，重要的是，該濾波器可以被重復(fù)使用?！?/p>

該研究團(tuán)隊表示，這款微型磁驅(qū)動旋轉(zhuǎn)過濾器可以在芯片實驗室器件中對微粒進(jìn)行高效分選。

“這款微型過濾器可用于分類不同大小的細(xì)胞，例如分離循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTC）并進(jìn)行分析，或檢測預(yù)示可能患病的異常細(xì)胞。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究人員王朝煒說道，“隨著進(jìn)一步研究，該微型過濾器甚至可以作為癌癥檢測的器件植入人體內(nèi)。”

帶有微米級孔徑的過濾器常用于微流控芯片，作為一種根據(jù)孔徑大小對微?；蚣?xì)胞進(jìn)行分選的方法。然而，由于微型過濾器中孔的數(shù)量和形狀不能動態(tài)改變，現(xiàn)有器件對不同類型的微?；蚣?xì)胞缺乏按需分類的靈活性。為了擴大微流控芯片的用途，該研究團(tuán)隊開發(fā)了一款可以在選擇性過濾和“通過”等模式之間自由切換的微型過濾器。

該研究團(tuán)隊利用雙光子聚合（Two-photon polymerization，TPP）技術(shù)制造了該款微型過濾器。雙光子聚合是一種基于光敏材料（光刻膠）同時吸收兩個光子的非線性光學(xué)過程，該項技術(shù)可以高于光衍射極限的精度制造任意3D結(jié)構(gòu)。最終結(jié)構(gòu)材料不僅限于聚合物，例如通過二次化學(xué)轉(zhuǎn)化過程可將材料轉(zhuǎn)化為硅。

雙光子吸收需要高光強——這是由高度聚焦的飛秒激光束來實現(xiàn)的。由于雙光子吸收強度與光強的平方成正比，雙光子吸收僅僅在光束聚焦處發(fā)生，從而提供很高的空間分辨率。同樣地，光刻膠僅僅在光束的橢圓焦點處發(fā)生聚合，被稱為“體素”（Voxel）。通過利用激光在三維空間內(nèi)掃描光刻膠可以逐個體素“寫出”目標(biāo)結(jié)構(gòu)。在雙光子聚合過程中，材料周圍的氧氣在某種程度上淬滅自由基，使得最小特征尺寸可達(dá)100nm左右。雙光子聚合的另一個優(yōu)點是，許多聚合物在近紅外波段線性吸收幾乎為零，這使得該波段激光可深入滲透到材料內(nèi)部。這兩個優(yōu)點使得其余方法無法實現(xiàn)的納米結(jié)構(gòu)得以生成。

為了制造這款微型過濾器，研究人員合成了磁性納米粒子，并將其與光刻膠混合，并且還需要優(yōu)化用于雙光子聚合的激光功率密度、脈沖數(shù)和掃描間隔。在載玻片上測試其磁驅(qū)動特性之后，研究人員將微型過濾器集成到芯片實驗室器件中。

為了過濾較大的微粒，研究人員先采用垂直于微通道的磁場，利用過濾器“滯留”大微粒。過濾過程完成之后，可以通過施加一個平行于微通道的磁場，將過濾器旋轉(zhuǎn)90度，以清除大微粒，從而可以根據(jù)需要再進(jìn)行下一次過濾操作。

研究人員利用直徑為8.0微米和2.5微米的聚苯乙烯微粒，混合在酒精溶液中，驗證了微型過濾器的過濾性能。

“很明顯，小于孔徑的微粒很容易通過這款微型過濾器，而較大的微粒則被濾出。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究人員張晨初說道，“當(dāng)切換到‘通過’模式，過濾器捕獲的大微粒都會被流體沖走，這防止了過濾器被堵塞，并實現(xiàn)了過濾器的重復(fù)使用?！?/p>

該研究成果已發(fā)表在Optics Letters期刊上。

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