纳米材料:连续分离中的主动和被动微流控分离

财富   2024-09-25 17:04   北京  
纳米粒子已广泛应用于医疗保健和纳米科学工业应用。因此,高效的纳米颗粒分离方法对这些领域的发展至关重要。
目前的分离技术,如超离心、电泳、过滤、色谱和选择性沉淀,但不是连续的,需要多个制备步骤和最小的样本量。传统的纳米颗粒分选方法,如色谱和电泳,需要数小时的时间和大量的样品进行分离。一些方法,如选择性沉淀和超离心,在分离过程中不可避免地会有样品损失,而一些筛分分选技术,如SSP、色谱和纳滤,会诱导样品聚集。
微流体技术提供了一种相对简单、低成本和连续的颗粒分离方法,并已在微米级颗粒分选中得到了很好的应用。如用于分离微小颗粒,如血细胞、孢子、寄生虫、循环肿瘤细胞、细菌等领域。
微流体为多种样品尺寸提供连续分离,并允许在分离过程中最小的聚集和样品损失。微流体技术在分离过程之外还具有优势,因为它能够通过调节实验参数(如缓冲溶液和外场)来进行实时控制,例如尺寸控制。此外,微流体还为纳米颗粒和生物分子分离提供了一种低成本的解决方案,它可以很容易地与其他技术相结合,如混合、计数、检测和分析。

表1总结了利用微流体技术分离纳米颗粒的最新研究。

相对于传统方法,在合成纳米颗粒与生物分子(特别是DNA、蛋白质、病毒和外泌体)等领域,基于微流体的主动和被动微流控分离策略,专门用于流动中纳米材料的连续分离有很多优势。

生物分子分离微流体分离纳米颗粒的能力也可以应用于生物分子的分离,如DNA、蛋白质、病毒和外泌体,这在医疗诊断和治疗等医疗保健领域具有重要意义。这些分子和颗粒比合成纳米颗粒更复杂,因为它们容易在不合适或恶劣的环境中降解,并且没有刚性形式。由于这类分子的分离难度较大,目前的生物分子分离方法仍主要依赖于外场或免疫技术,因为它们的分离效率最高。


DNA

DNA的分离对于检测疾病生物标志物(如基因突变)非常重要。此外,DNA的分离也有助于在研究环境中从DNA重组中纯化DNA片段。

DNA的大小从纳米级到微米级不等,可以形成多种复杂的拓扑结构和二级结构。凝胶电泳是DNA分离中常用的一种技术,具有较高的重现性和效率。然而,凝胶电泳是一个耗时的过程,因为它需要约2小时,以批处理模式进行,并且在分离过程后需要额外的样品处理来检索DNA。微流体技术已经发展成为分离DNA的一种优越的替代方法。主动和被动微流控技术已被应用于DNA分离平台活性微流控技术包括电泳和介电电泳。

蛋白质

蛋白质分离对于医学诊断和疾病检测也是必不可少的。不同的蛋白质有不同的大小和可用于分离过程的等电点。纯化蛋白质的传统技术包括SDS-PAGE和2D电泳。其他常用的分离蛋白质的方法是层析和免疫捕获,使用基于珠的技术或蛋白质固定化。利用微流控技术分离蛋白质已经得到了发展,特别是因为需要低样本量,而常见的微流控蛋白质分离是基于等电点和电迁移率实现的。


病毒

病毒颗粒的检测对医学诊断具有重要意义。然而,由于病毒大小的多样性,从20纳米到400纳米的小尺寸,不同的形状,表面电荷,基因组类型和蛋白质含量,分离病毒是困难的此外,病毒样本是从复杂的体液中提取的,如血液、尿液和唾液,需要从大细胞或污染物中纯化,才能准确检测疾病,正如艾滋病毒和登革热病毒检测所报告的那样。尽管带电荷膜的超滤对病毒颗粒分离是有效的,但这种技术相对昂贵,需要额外的洗脱步骤,同时仍然需要使用适合不同类型病毒的合适的电荷、缓冲液和pH被动微流控分离和主动微流控分离均可用于浓缩病毒和去除样品中的污染物。


外泌体Exosome

外泌体是一种具有脂质膜双分子层的细胞外囊泡,在细胞通讯中起重要作用,因为它将信号和miRNA从一个细胞传递到另一个细胞,特别是在癌症发展中此外,它在细胞外液、血液和尿液中的存在为液体活检诊断癌症提供了一个平台与DNA和蛋白质不同,外泌体的分离尚未得到广泛的研究。外泌体的分离是具有挑战性的,因为在外泌体的大小范围内,除了它的小尺寸在50 nm到150 nm之间之外,还有其他的微囊泡或碎片。常规上,超离心用于外泌体分离;但该方法耗时长,操作规程复杂,分离效率低在微流体中,目前已经开发了被动和主动的外泌体分离方法。

图1:ExoChip展示了将抗cd63固定在微流体表面以从血清中捕获外泌体。在微流体装置上捕获纤毛柱结构的外体。比纤毛孔大的颗粒不被纤毛捕获,而比纤毛孔小得多的颗粒通过纤毛结构。纤毛捕获颗粒的大小与柱阵列上纤毛结构的外泌体和扫描电镜相匹配。


图1描述了三种用于分离外泌体的被动微流控技术,即免疫分离、筛分和捕获以及DLD。另一方面,已有报道利用声阻抗技术分离外泌体。尽管无标记方法可以根据大小分离小的微泡,但外泌体必须使用抗体标记,因为有许多类型的细胞外囊泡,如凋亡和膜囊泡,其大小与样品中的外泌体重叠采用免疫分离方法,在微流控免疫亲和系统中使用膜结合蛋白从血清和细胞外细胞培养基中分离外泌体。
结论
纳米颗粒分离在单分散纳米颗粒生产、水净化、生物分子分离等诸多领域发挥着重要作用。然而,传统的分离纳米颗粒的方法有一些限制,例如不连续,需要多个步骤,最小样本量,特定的缓冲液和额外的样品处理。
尽管仍处于发展阶段,但主动和被动微流控分离技术已经开始应用于纳米颗粒和纳米生物分子的分离,因为它们可以克服这些局限性。这为生物分子的简单、连续、快速分离带来了更多的机会,特别是在医学诊断领域。
然而,还需要探索更多的可能性和更多的原型来证明微流体中纳米颗粒分离的概念。用于纳米颗粒分离的微流体更有可能向无标记被动分离发展,因为这是一种更简单的技术,不需要外部场或表面标记进行分离。
为了提高分离效率,需要进一步研究如何克服纳米颗粒在微通道中的布朗运动。微流体在大型工业纳米颗粒分离中的应用也面临着挑战,因为处理大样本量需要提高通量。
后,对于纳米颗粒的分离,每种微流控技术都有各自的优点和缺点,没有一种技术可以满足所有样品的需求。
参考文献
Salafi T, Zeming K, Zhang Y. 2016. Advancements in microfluidics for nanoparticle separation. Lab Chip 17:111–33


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