纳米颗粒操控在生物医学工程、药物递送、材料合成等多个领域具有关键作用，尤其对尺寸30–150 nm的外泌体（一种由细胞主动分泌的纳米颗粒）的富集与分析，是血液疾病筛查及各类生物医学应用的核心需求。

然而，传统分离技术存在效率低、需大量样品、易损伤颗粒等缺陷，现有微流控方法中，被动方法对小尺寸（<300 nm）纳米颗粒的操控力不足，主动方法则面临通量有限、焦耳热干扰等问题，难以兼顾小颗粒精准操控与高通量连续运行的需求，因此开发高效的纳米颗粒聚焦与富集技术成为当前研究的重要挑战。

近期，浙江大学胡国庆教授团队提出一种基于微流控技术的纳米颗粒操控新方法。该方法巧妙结合电场作用与非牛顿流体的粘弹性特性，成功实现了纳米颗粒的高通量精准聚焦与富集。通过系统优化电场强度、流体流速及聚合物浓度等关键参数，有效突破了传统技术的瓶颈；同时借助温度控制手段，妥善解决了高电场环境下易产生的焦耳热问题。相关研究以“High-throughput nanoparticle manipulation via controlled electro-elasticity and Joule heating in microchannels”为题目，发表于期刊《Lab on a Chip》。

本文要点：

1、本研究提出了一种结合电场、压力驱动非牛顿流体流动和焦耳热温度控制的纳米颗粒操控方法，旨在实现高通量、精准的纳米颗粒富集与聚焦。

2、利用直流电场与粘弹性微流控的耦合作用，通过电场诱导纳米颗粒产生滑移速度，在非均匀剪切速率场中形成不对称弹性升力，驱动颗粒横向迁移；同时采用干冰冷却系统抑制高电场下的焦耳热影响。

3、制作了矩形直通道微流控芯片，以聚氧化乙烯（PEO）溶液为非牛顿流体，测试了100nm和20nm聚苯乙烯颗粒的聚焦效果，探究了电场强度、流速、PEO浓度等关键参数的影响。

4、成功实现100nm颗粒在大通道内的高通量聚焦，流速最高达720μL/h；通过优化电场和温度控制，首次在直通道中实现20nm颗粒的有效聚焦；通过改变电场方向可控制颗粒向通道中心或壁面迁移。

5、该方法克服了传统方法效率低、通量有限的缺陷，兼具实时调控性和操作温和性，适用于生物医学检测、药物递送、材料合成等领域，尤其对温度敏感型纳米颗粒的操控具有优势。

该研究实现纳米颗粒高效聚焦的核心机制是电场诱导的滑移速度与非均匀剪切速率场的耦合作用——直流电场使带电纳米颗粒产生滑移速度，该速度与粘弹性流体的非均匀剪切场相互作用，导致颗粒周围聚合物链不对称变形，产生不对称弹性升力（F_sl），驱动颗粒侧向迁移聚焦。

其与传统粘弹性微流控方法的关键区别在于：传统粘弹性微流控依赖纯压力驱动产生的弹性升力（F_eL），该力随颗粒尺寸减小急剧减弱，无法操控< 300nm的颗粒；而本研究通过电场引入额外滑移速度，强化了小颗粒与流体的相互作用，使20-100nm颗粒也能获得足够升力，同时可通过电场方向调控聚焦位置（通道中心或壁面）。

图1： 展示了微通道尺寸、微流控芯片设计以及用于纳米粒子（NP）操控的多物理场（电-弹性）控制系统示意图。(a) 微通道尺寸和NP聚焦示意图；(b) 集成外部直流电场的微流控芯片设计；(c) 在粘弹性流体和直流电场共同作用下，颗粒周围形成电双层（EDL）的示意图；(d) 不同浓度PEO溶液的实测剪切粘度；(e) 实验中使用的颗粒尺寸和类型。

图2： 展示了在宽高均为50μm的直矩形微通道中，使用1.2% PEO溶液实现100纳米颗粒高通量聚焦的实验结果。包括在不同位置（入口、下游0.5cm、1cm、1.5cm及出口）的聚焦过程荧光轨迹，以及在低电场、低流速下的有效聚焦。对比了电场方向与流速同向和反向时颗粒的不同分布（聚集在侧壁或聚焦于中心），并量化了不同高流速下的聚焦效果（通过半高全宽FWHM衡量）。

图3： 为理论分析部分，通过实验阐明了电-弹性聚焦的机制。比较了纯压力驱动流、纯电动流以及电-弹性耦合流中，5μm和100纳米颗粒的不同行为。使用PEG修饰的近电中性颗粒证明了滑移速度的关键作用。示意图解释了在非均匀剪切场中，滑移速度如何导致颗粒表面聚合物应力的不对称分布，从而产生侧向升力。

图4： 研究了电场强度、流速和PEO溶液浓度对100纳米颗粒聚焦性能的影响。通过FWHM和荧光强度分布曲线定量分析了这三个关键参数的影响。结果表明，在一定范围内，增加反向电场强度可改善聚焦；而流速过高或PEO浓度过低/过高都会导致聚焦效果下降，并确定了1.2% PEO浓度在此体系中的较优性。

图5： 关于焦耳热效应的控制。(a) 使用干冰冷却微流控芯片的实际方法；(b) 温控时芯片的具体布置；(c, d) 模拟显示的在不同高强度电场（-800 V/cm 和 -2000 V/cm）下芯片内的温度分布，高电场导致显著温升；(e) 在-2000 V/cm高电场并控制温度下，100纳米颗粒在不同高流速下的高效聚焦结果，证明温控的有效性。

图6： 展示了更小的20nm颗粒的聚焦实验。在50μm×50μm的大通道中，需要-2000 V/cm的高电场并结合干冰温控才能实现有效聚焦，而-800 V/cm电场下则聚焦不足。此外，在更小的20μm×20μm通道中，由于剪切率梯度增大，即使在-800 V/cm的较低电场下也能实现20nm颗粒的优异聚焦。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D5LC00772K

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