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A Review on Deterministic Lateral Displacement for Particle Separation and Detection

Thoriq Salafi, Yi Zhang, Yong Zhang*

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 77

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0308-7

本文亮點

1 對確定性側向位移DLD（Deterministic Lateral Displacement）的基本原理和最新進展進行了全面的整理和討論。

2 回顧了用于粒子分離和檢測的DLD技術的最新設計和應用。

3 討論了目前DLD的局限性及其在臨床和商業(yè)應用中的潛在解決方案。

內(nèi)容簡介

新加坡國立大學綜合科學與工程研究生院以及生物醫(yī)學工程系Yong Zhang課題組在本綜述中詳細介紹了用于粒子分離和檢測的確定性側向位移（DLD）技術。首先，作者全面回顧了DLD的基本原理和最新進展，包括原理，設備設計和影響臨界直徑的因素。緊接著介紹了DLD用于顆粒分離和檢測的最新應用。最后，討論了微流體DLD在各種應用中面臨的挑戰(zhàn)，以及其潛在的解決方案和未來的發(fā)展方向。

懸浮顆粒的分離和檢測在醫(yī)學診斷等領域有著至關重要的應用，其中，微流體確定性側向位移（DLD）技術由于可以高分辨連續(xù)分離具有特定尺寸、形狀和電荷的顆粒的能力而具有廣泛前景。目前，DLD這種被動微流控顆粒分離技術，已廣泛應用于從血細胞到外泌體的各種生物顆粒分離。此外，最新的研究進展表明可以使用DLD陣列作為生物分子檢測平臺。本綜述基于DLD模型的基礎研究和分離檢測應用，對DLD的最新進展進行了全面的討論。

圖文導讀

DLD原理微流體DLD技術中會使用到傾斜的柱陣列，這些柱陣列會產(chǎn)生流體分叉和間隙之間獨特數(shù)量的流線。每個間隙中的總流體通量可以劃分為周期性(N)個，并且對應于每個支柱之間的流線數(shù)量。DLD陣列中的粒子流受流體力和柱體障礙物效應的影響。當粒子位于立柱間隙中時，半徑小于流線第一寬度的粒子將遵循初始流線并以Z字形移動，而大于第一流線寬度的粒子將碰撞到支柱并橫向位移至下一條流線，如圖1a所示。Z字形和位移模式之間的截止尺寸參數(shù)稱為DLD臨界直徑(Dc)。為了開發(fā)具有所需臨界直徑尺寸的DLD陣列，在DLD晶胞上要考慮多個設計參數(shù)，如圖1c所示。

圖1 (a)確定性測向位移原理：尺寸小于臨界直徑的小顆粒在Z字形方向上移動，而大顆粒在碰撞中以橫向位移模式移動。(b)平行四邊形陣列布局設計。(c)旋轉的方形陣列布局設計。每個DLD單位單元上都有設計參數(shù)。

▍影響DLD臨界直徑的因素

臨界直徑的控制和調(diào)整對于設計針對特定應用的DLD設備至關重要。有一些因素會影響DLD的臨界直徑，包括設備的幾何參數(shù)，與流體有關的力，顆粒引起的作用，表面相互作用和外部施加的力等等。一些研究已經(jīng)展示了不同形狀的立柱對立柱周圍的流體動力學及其臨界直徑的影響。比如與常規(guī)的圓形立柱相比，其他的立柱形狀，包括機翼形狀，三角形，I形，L形及其變體，如圖2a所示，由于間隙上的速度分布不對稱，他們的臨界直徑尺寸可以減小。

圖2 幾何形狀對臨界直徑的影響。(a)各種DLD柱形設計。(b)優(yōu)化后的支柱結構對流剖面速度的影響，因此改變了DLD臨界直徑。(c)對平行四邊形和旋轉的正方形陣列的各向異性滲透率值進行比較。(d)由于平行四邊形陣列的各向異性磁導率，推動區(qū)域的綠色磁珠位移軌跡出現(xiàn)偏差。

▍DLD的顆粒分離應用

基于尺寸的微粒分離

DLD分離的一項著名應用是血液學檢測工具的開發(fā)。DLD將復雜而昂貴的血細胞分離替換為便宜而高效的芯片分離。例如，便宜的塑料DLD微芯片可以直接分離白細胞，而無需任何其他人工處理，回收率達到輸入白細胞的88％，如圖3a所示。在另一項工作中，結合了菱形柱的DLD鏡像陣列用于處理單采血液制品，其細胞恢復率達到80％，血小板清除率達到87％。此外，與傳統(tǒng)方法相比，DLD分離將更多的細胞轉變?yōu)門-中心記憶表型，且變異較小，這有利于下游細胞加工和生產(chǎn)治療性細胞。除了血細胞分離外，DLD技術在癌癥研究中也做出了巨大貢獻，特別是對于循環(huán)腫瘤細胞(CTC)的分離，如圖3b所示。除顆粒分級分離外，DLD基于顆粒尺寸的分離還可用于緩沖液交換和標記，如圖3c所示。該設計大大縮短了處理時間，并減少了污染的機會。

圖3 基于尺寸的DLD分離的應用。(a)用于白細胞自動處理的微流體DLD鏡像陣列的設計。(b)基于大小和不對稱性分離循環(huán)腫瘤細胞團的雙階段DLD設計。(c)用于化學處理和洗滌的微流體DLD芯片。(d)納米DLD中的密集陣列顯示了不同納米直徑和間隙尺寸之間的碰撞模式。

基于尺寸的納米顆粒分離

DLD已經(jīng)廣泛用于分離微米級顆粒，但是僅有少數(shù)設計可用于分離納米顆粒。由于分子的納米級尺度，DNA，蛋白質和外泌體的分離目前仍具有很大挑戰(zhàn)性。另一方面，只有通過對樣品施加外力或化學處理，才能用微型陣列分離生物分子(如DNA分子)。例如，使用外加電場的DLD分離人工細菌染色體。隨著納米制造技術的進步，DLD現(xiàn)在可以根據(jù)納米粒子的大小精確而高效地對其進行分類和富集。Wunsch等人用其納米加工方法將DLD轉換為真正的納米級。他們加工出間隙尺寸為25至235nm的DLD陣列，可以對尺寸在20至110nm之間的納米顆粒和外泌體進行分選，如圖3d所示。

基于形狀的分離的應用

由于DLD柱陣列上粒子方向的動態(tài)變化，粒子的形狀或形態(tài)會影響DLD中的粒子軌跡。有研究報道了一種利用重力驅動的DLD可以進行基于形狀的顆粒分離，分離出具有不同幾何形狀的粒子，包括立方體，圓柱體，四面體，球體，金字塔。通過形態(tài)分離顆粒的能力至關重要，因為某些生物顆粒具有非球形形狀，如圖4a所示。此外，通過將幾個不同深度的DLD陣列組合成一系列裝置，可以快速且準確的檢測血液中的錐蟲，該方法利用錐蟲的不規(guī)則形狀進行分離，如圖4b所示。在最近的一項研究中，研究人員設計了一種DLD陣列，根據(jù)細菌鏈長將人類細菌性病原體，肺炎鏈球菌，分為不同的亞群(圖4c)。分離可以對細菌的不同形態(tài)和鏈長與其致病機制之間的關系進行更詳細研究。

圖4 基于形態(tài)的DLD分離的應用。(a) I型DLD中紅細胞和桿狀細菌的分離。(b)在一系列裝置中使用不同的裝置深度根據(jù)形狀將紅細胞和錐蟲分離。(c)通過不同的細菌鏈長分離細菌病原體。

▍DLD的挑戰(zhàn)和潛在解決方案

DLD技術自2004年問世以來已經(jīng)發(fā)展了十多年。盡管DLD已被證明是一種具有多種應用的高分辨率的通用顆粒分離方法，但使用DLD仍然存在一些局限性，這主要是由于低通量，支柱堵塞和過于龐大的DLD裝置等問題。然而，這些局限性正不斷得到解決，使DLD成為商業(yè)應用的理想分析工具。

低通量問題

由于DLD陣列使用許多柱狀結構，因此與其他微流體技術相比，微流體DLD的流體阻力較高，這限制了DLD在大體積樣品分離中的應用。據(jù)報道，有幾種方法可以提高生產(chǎn)率。使用僅具有幾個支柱結構的稀疏支柱陣列和基于篩子的橫向位移能夠提高DLD的吞吐率，但是需要對陣列設計進行額外的調(diào)整以平衡壓力以防止粒子分離的中斷。目前也有報道通過微流體DLD設備的堆疊和并行化以提高吞吐率。

DLD裝置簡化

盡管DLD芯片設計通常在顯微鏡載玻片的尺寸，并且可以低成本大量生產(chǎn)，但它們?nèi)匀恍枰糜诒盟土黧w的昂貴，笨重和高功耗的壓力控制，用于成像的實驗室顯微鏡和用于數(shù)據(jù)分析的計算機系統(tǒng)。這些要求阻礙了在沒有實驗室設置的偏遠地區(qū)實施DLD。因此，為了在低資源配置地區(qū)進行即時診斷，DLD的設置需要簡化，以創(chuàng)建便攜式，耗電少且低成本的解決方案。一些研究人員通過開發(fā)一種用帶有控制閥的一次性注射器作為壓力發(fā)生器的DLD解決了該問題，該閥可產(chǎn)生減壓空氣，僅通過一個入口即可將流體驅動到簡單的DLD中，以對不同的顆粒(例如白細胞，RBC和錐蟲)進行分選，如圖5a所示。據(jù)報道，另一種用于開放DLD通道上的基于紙質材料的便攜式泵可以驅動MCF-7細胞與RBC分離，如圖5b所示。通過使用緊湊且低成本的基于智能手機的檢測平臺可以進一步實現(xiàn)微流體DLD裝置的簡化如圖5c所示。

圖5 用于顆粒分離的DLD設置簡化。(a)使用簡單的基于一次性注射器的泵來驅動微流體DLD中的流體。(b)應用紙泵來驅動開放的DLD通道中的顆粒分離。(c)使用便攜式智能手機平臺檢測微流DLD中的運動珠。

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