在生物醫(yī)學(xué)診斷（如循環(huán)腫瘤細(xì)胞檢測）和環(huán)境監(jiān)測（如海洋微塑料分析）中，稀有粒子的富集技術(shù)具有廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)粒子富集方法，如微濾、慣性分離、離心和磁性分離，存在較大局限性，難以兼顧效率、成本和操作簡便性。相比之下，微流控技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)處理、減少設(shè)備規(guī)模、降低粒子損壞風(fēng)險，還可精準(zhǔn)操控尺寸或密度相近的目標(biāo)顆粒。其中，表面聲波（SAW）在微流控應(yīng)用中備受關(guān)注，可實現(xiàn)粒子精確聚焦與分離，但其與流體聚焦的協(xié)同作用仍缺乏深入研究。光學(xué)檢測作為粒子分選的核心步驟，主要采用自由空間檢測和光流控檢測兩種方式，其中光纖因其低成本、小體積、易集成的特點被廣泛應(yīng)用。然而，現(xiàn)有光纖改性技術(shù)仍然存在制造誤差問題。與此同時，高精度電極在液滴微尺度精準(zhǔn)分選方面至關(guān)重要，但多數(shù)電極制造成本高、工藝復(fù)雜，且電解質(zhì)材料易發(fā)生電解反應(yīng)，影響穩(wěn)定性。
基于上述挑戰(zhàn)，團(tuán)隊針對現(xiàn)有稀有微粒富集技術(shù)存在的效率低、成本高、操作復(fù)雜等問題，提出了集成聲學(xué)聚焦、光纖檢測和電學(xué)操控的新方案，以突破傳統(tǒng)方法的局限性。研究人員探討了聲學(xué)與流體對粒子聚焦的協(xié)同動力學(xué)原理，并通過優(yōu)化檢測算法提升光纖激光檢測的靈敏度。此外，該研究驗證了液滴電荷在增強(qiáng)尖端充電現(xiàn)象中的作用，實驗結(jié)果顯示，在大尺寸H22細(xì)胞富集中，檢測和分類準(zhǔn)確率分別達(dá)到99.8%和99.3%，目標(biāo)細(xì)胞濃度提升了近86倍，顯著提高了檢測靈敏度和微粒操控精度，提供了一種高效可靠的液滴生成與稀有微粒富集方案。
該研究系統(tǒng)性地設(shè)計了聲學(xué)、光學(xué)和電學(xué)單元，使各模塊相互協(xié)同，構(gòu)建了一個高效的微流控平臺。研究人員探索了聲波聚焦與流體聚焦的協(xié)同作用，并提出了優(yōu)化改良的制造工藝和檢測算法，將光纖與激光窗口集成到微流控芯片，顯著提升了光學(xué)檢測靈敏度。此外，還采用低溫相變合金材料制作偏轉(zhuǎn)電極，實現(xiàn)更精準(zhǔn)的粒子操控與富集，為稀有微粒檢測提供了全新的技術(shù)路徑。
實驗結(jié)果表明，該研究成功將聲、光、電方法整合至皮升液滴微流控技術(shù)中，大幅提高了超稀有粒子的富集能力。該創(chuàng)新設(shè)計結(jié)合了聲學(xué)與流體聚焦、光纖檢測、激光窗口及低溫相變偏轉(zhuǎn)電極，有效增強(qiáng)了檢測靈敏度和操控精度，與現(xiàn)有高通量微流控分選方法相比，該方案在純度和回收效率上均取得突破，純度提高1129.6%，為稀有微粒富集提供了一種更加全面、高效的解決方案。這項研究有望推動實時細(xì)胞分揀檢測的發(fā)展，并為生物醫(yī)學(xué)診斷與環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
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https://www.nature.com/articles/s44172-025-00427-0
