注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析
对微纳米颗粒（如细胞、细菌、病毒、蛋白质或DNA等）的精准操控一直是科学家们孜孜不倦追求的目标，而利用微流道中流体高速流动下特有的动力学特性来实现颗粒空间位置的精确控制是一种简单且高效的处理方式。近日，澳大利亚昆士兰微纳米技术中心的张俊博士及其合作者通过实验测试和理论分析，阐释了微颗粒在正弦形微流道中不同流动聚焦现象的调控机理。这一成果最近发表在美国化学学会(ACS)旗下期刊Analytical Chemistry上，并选为封面文章报道，张俊博士为文章第一作者及通讯作者，澳大利亚昆士兰微纳米技术中心的主任Nguyen Nam-Trung教授为文章的共同通讯作者。
连续聚焦和分离微纳米尺度生物颗粒在生物医学领域具有广泛的应用。相对于传统宏观尺度的技术平台，微流控技术由于其特征尺寸小至数十至数百微米之间，与被操控的粒子尺寸在同一量级，其在微纳米颗粒操控方面具有独特的精度优势。在各种微流控分离技术中，利用流体动力学惯性效应聚焦和分离颗粒的技术（惯性微流控技术，Inertial Microfluidics）具有高通量、高精度、简单及可靠的特点，从而成为一种极具吸引力的方式。科学家们已经成功将该微流控技术应用于血液分离、血浆提取、细胞洗涤、细胞富集、循环肿瘤细胞分离、疟疾病原体纯化检测、微纤维制造、细胞生长周期同步、细胞封装及单细胞机械表型测试等等。由于目前惯性聚集和分离机理研究的局限以及缺乏可靠的设计指南，为了分离特定尺寸的粒子，管道结构尺寸的设计主要还是依赖于比较盲目且耗时耗力的实验测试和迭代修正。
基于此需求，澳大利亚昆士兰微纳米技术中心的张俊博士及其合作者系统地研究了正弦型流道中流体流速、颗粒尺寸以及管道形状尺寸对颗粒差异化聚焦的调控机理。基于惯性升力和迪恩拖拽力的幅值比，推导出一种包含四个无量纲参数（粒子阻塞率、曲率比、迪恩数和通道高宽比）的显式比例因子。该团队在大量实验和理论分析的基础上，把颗粒差异化聚焦模式与该比例因子的关系总结在一个二维工作图谱中。该工作图谱可以用来帮助预测特定尺寸粒子在正弦型管道中的聚焦状态，同时也可以辅助设计分离特定颗粒的管道结构尺寸，并减少实验测试的工作量。文章最后也验证设计了一种正弦微流道结构，成功应用于10微米和15微米聚乙烯颗粒的连续分离。基于此项工作，张俊博士团队正在分别与澳大利亚红十字会血液服务中心的Robert Flower教授和强生医药（Johnson& Johnson）公司合作发展该微流控技术的生化应用。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Fundamentals of Differential Particle Inertial Focusing in Symmetric Sinusoidal Microchannels
Jun Zhang, Dan Yuan, Qianbin Zhao, Adrian J. T. Teo, Sheng Yan, Chin Hong Ooi, Weihua Li and Nam-Trung Nguyen
Anal. Chem., 2019, 91, 4077, DOI: 10.1021/acs.analchem.8b05712
张俊博士简介
张俊博士，澳大利亚格里菲斯大学昆士兰微纳米技术中心的研究员；2015年于澳大利亚伍伦贡大学取得博士学位，毕业后曾分别于悉尼大学、伍伦贡大学和南京理工大学担任研究科学家、副研究员和副教授，研究领域主要为微流控芯片技术的研发及其在生物医药中的应用研究；自从2013年起在相关领域主流期刊发表SCI论文44篇，其中2篇文章选为微流控领域顶级期刊Lab on a Chip 封面，1篇文章选为分析化学领域顶级期刊Analytical Chemistry 封面；另有一篇文章为lab on a Chip热点文章以及2016最多下载文章，ESI高被引论文（前1%），同时参与撰写英文专著2篇，至今文章已经引用1082多次（google scholar），H-index为16，i10-index为23。张博士曾作为Micromachines 期刊的特邀编辑，另外也是十多个主流期刊（如Anal. Chem.、Microfluid. Nanofluid.、Sci. Rep.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Biomicrofluid.、RSC Adv.、IEEE Trans.、Mechatron.、Electrophoresis、IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst.、Biomed. Microdevices、J. Micromech. Microeng.、Appl. Phys. Lett.、Sensors）的审稿人。
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：这项研究的目的就是探索正弦形流道的结构尺寸是怎么影响颗粒惯性聚焦状态的。虽然大量研究团队发表了各自设计的不同结构尺寸流道，并测试了颗粒的聚焦特性，甚至验证了他们的流道结构在生物化学方面的应用，如上文中提到的血液分离、血浆提取、细胞洗涤、细胞富集、循环肿瘤细胞分离及细胞生长周期同步等等。但是这些管道结构尺寸的确定都是通过大量实验测试和修正迭代找到的，而且迭代初始的尺寸也基本是盲目性给出的，所以整个设计研发过程非常费时费力。所以，我们的想法就是通过系统研究正弦流道中各个特征参数来尝试建立颗粒聚集特征与流道结构尺寸、流体流动速度、颗粒尺寸等参数的直接联系。这项工作中我们就通过构建一张工作图谱来囊括了上述所有参数与粒子聚焦状态的关系。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：研究过程中最大的困难在于如何把实验测得的大量数据与理论分析联系起来。对于工作图谱的横坐标和纵坐标的选择，由于涉及的参数包括四个无量纲参数（粒子阻塞率、曲率比、迪恩数和通道高宽比），如何与颗粒的惯性聚焦状态建立直接的联系是一项非常大的挑战。我们尝试了20多种不同的横坐标和纵坐标搭配方式，剔除了大部分非常紊乱和无规律的图谱，最后找到了一种较为理想的线性结果。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：这项工作主要是探索研究惯性聚焦现象的基础调控机理，并没有涉及具体生物化学方面的应用。但是基于这项工作提出的设计原理，理论上我们可以根据目标生物颗粒（比如血液细胞或者疟疾病原体）的尺寸计算出正弦形流道的结构尺寸，由此可以作为实验测试的初始尺寸，然后通过不断的迭代优化来确定最优的管道尺寸。另外，基于这种结构类型的微流控技术主要功能是分离或者过滤水溶液中特定尺寸的细胞或者其他微纳米颗粒，它的优势在于无需生物标记、对细胞基本无损伤，并且可连续工作、高通量、可处理较大体积生物样本。潜在的应用领域可能包括污水处理、生化反应器、循环肿瘤细胞（CTCs）液体活检及血液处理等等。我们团队已经与一些企业和机构展开了技术应用方面的合作。同时，我们也欢迎更多的研究机构和企业联系我们，基于该技术展开进一步的技术开发与应用合作研究。
本文版权属于X-MOL（x-mol.com），未经许可谢绝转载！欢迎读者朋友们分享到朋友圈or微博！
长按下图识别图中二维码，轻松关注我们！
点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊
