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微流控

四月 29, 2023

微流控是一种精确控制和操控微尺度流体的技术，尤其特指亚微米结构的技术。 特别的，微意味着以下的特性：

  • 微小的容量（纳升，皮升，飞升级别）
  • 微小的体积
  • 低能量消耗
  • 装置本身占用体积小

微流控利用对于微尺度下流体的控制，是一个包括了工程学，物理学，化学，微加工和生物工程的多交叉学科。

微流控在20世纪80年代兴起，并在DNA芯片，芯片实验室，微进样技术，微热力学技术得到了发展。

微流控研究的空间特征尺度范围在1微米(10-6米)至1毫米(10-3米)。

微观流体行为

 
硅橡胶和玻璃微流控装置。 顶部：设备的照片。 底部：蜿蜒通道〜15微米（μm）宽的相差显微照相。

流体在微观上的行为与宏观流体的行为的主要区别在于在微观尺度重力和惯性不再起主导作用。而表面张力，能量耗散，及流体阻力开始主导着流体行为。微流控研究这些行为如何变化，以及如何解决这些行为，或者为新用途而开发[1][2][3][4]。

在流体通道的尺寸约为100纳米（nm）-500微米（μm），直到2毫米以下（<2mm）时，就需要考虑到微流体现象了。雷诺数（比较惯性力和粘性力的常数）变的很小，大部分的流态成了层流而非湍流。 当几束流体并行时，不会发生混合，而流体之间的物质交流则依赖于相对而言缓慢无效率的扩散。它们之间的分子转移必须常常考虑扩散作用[5]。这个性质在微流体仪器中显得尤为重要。所以微流体仪器可以比传统实验条件获得更精细，更稳定的化学梯度。

化学和物理性质（浓度，pH，温度，剪切力等）的高特异性也可以被确保，从而在单次和多步反应中产生更均匀的反应条件和较高级别的产物[6][7]。

主要应用领域

微流体结构包括微气体系统，即用于处理片外流体（液体泵，气体阀等）的微系统，以及用于片上处理纳升（nl）和皮升（pl）体积的微流体结构[8]。迄今为止，最成功的微流体的商业应用是喷墨打印头[9]。此外，微流体制造的进步允许以低成本塑料生产设备[10]，并且可以自动验证部件质量[11]。


微流体技术的进步正在革新分子生物学方法进行酶分析（如葡萄糖和乳酸分析），DNA分析（如聚合酶链式反应和高通量测序）和蛋白质组学。微流体生物芯片的基本思想是将检测操作，以及样品预处理和样品制备在一个芯片上进行整合[12][13]。

生物芯片的新兴应用领域是临床病理学（英语：Clinical pathology），特别是疾病的即时现场诊断。此外，能够对生化毒素和其他危险病原体的空气/水样进行连续采样和实时测试的基于微流体的设备可以作为一个永远在线的“生物烟雾报警器”进行预警。

微流控技术已经为生物学家创造了强大的工具来控制整个的细胞环境，从而导致新的问题和新的发现。

该技术在微生物学方面的多种优势如下所示：

  • 一般单细胞研究包括生长[14][15]
  • 细胞衰老：诸如“母机”之类的微流体装置允许跟踪数千个单个细胞数代，直到它们死亡[14]
  • 微环境控制：从机械环境[16]到化学环境[17]
  • 通过在单个设备中引入多个化学输入来确定精确的时空浓度梯度 [18]

参阅

参考资料

  1. ^ S.C.Terry,J.H.Jerman and J.B.Angell:A Gas Chromatographic Air Analyzer Fabricated on a Silicon Wafer,IEEE Trans.Electron Devices,ED-26,12(1979)1880-1886.
  2. ^ Kirby, B.J. Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics: Transport in Microfluidic Devices. Cambridge University Press. 2010 [2017-06-29]. （原始内容于2019-04-28）. 
  3. ^ Karniadakis, G.M., Beskok, A., Aluru, N. Microflows and Nanoflows. Springer Verlag. 2005. 
  4. ^ Bruus, H. Theoretical Microfluidics. Oxford University Press. 2007. 
  5. ^ Tabeling, P. Introduction to Microfluidics. Oxford University Press. 2005. 
  6. ^ Chokkalingam, V.; Weidenhof, B.; Kraemer, M.; Maier, W. F.; Herminghaus, S.; Seemann, R. Optimized droplet-based microfluidics scheme for sol–gel reactions. Lab Chip. 2010, 10: 1700 [2017-06-29]. doi:10.1039/b926976b. （原始内容于2020-05-08）. 
  7. ^ Shestopalov, J; Tice, J. D.; Ismagilov, R. F. Multi-step synthesis of nanoparticles performed on millisecond time scale in a microfluidic droplet-based system. Lab Chip. 2004, 4: 316–321 [2017-06-29]. doi:10.1039/b403378g. （原始内容于2020-05-08）. 
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  9. ^ Andrew. . Nature. 2006, 442 (7101): 394–402 [2017-06-29]. Bibcode:2006Natur.442..394D. doi:10.1038/nature05062. （原始内容存档于2011-05-09）. 
  10. ^ Ryan S. Pawell, David W. Inglis, Tracie J. Barber, and Robert A. Taylor, Manufacturing and wetting low-cost microfluidic cell separation devices （页面存档备份，存于互联网档案馆）, Biomicrofluidics 7, 056501 (2013); doi:10.1063/1.4821315
  11. ^ . [2022-06-26]. （原始内容存档于2021-08-03）. 
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  13. ^ Herold, KE; Rasooly, A (editor). Lab-on-a-Chip Technology: Biomolecular Separation and Analysis. Caister Academic Press. 2009. ISBN 978-1-904455-47-9. 
  14. ^ 14.0 14.1 Wang, P; Robert, L; Dang, WL; Taddei, F; Wright, A; Jun, S. Robust growth of Escherichia coli. Current Biology. 2010, 20 (12): 1099–1103. PMC 2902570  . PMID 20537537. doi:10.1016/j.cub.2010.04.045. 
  15. ^ 引用错误：没有为名为pubs.rsc.org的参考文献提供内容
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四月 29, 2023
微流控, 是一种精确控制和操控微尺度流体的技术, 尤其特指亚微米结构的技术, 特别的, 微意味着以下的特性, 微小的容量, 纳升, 皮升, 飞升级别, 微小的体积, 低能量消耗, 装置本身占用体积小利用对于微尺度下流体的控制, 是一个包括了工程学, 物理学, 化学, 微加工和生物工程的多交叉学科, 在20世纪80年代兴起, 并在dna芯片, 芯片实验室, 微进样技术, 微热力学技术得到了发展, 研究的空间特征尺度范围在1微米, 6米, 至1毫米, 3米, 目录, 微观流体行为, 主要应用领域, 参阅, 参考资料微观. 微流控是一种精确控制和操控微尺度流体的技术 尤其特指亚微米结构的技术 特别的 微意味着以下的特性 微小的容量 纳升 皮升 飞升级别 微小的体积 低能量消耗 装置本身占用体积小微流控利用对于微尺度下流体的控制 是一个包括了工程学 物理学 化学 微加工和生物工程的多交叉学科 微流控在20世纪80年代兴起 并在DNA芯片 芯片实验室 微进样技术 微热力学技术得到了发展 微流控研究的空间特征尺度范围在1微米 10 6米 至1毫米 10 3米 目录 1 微观流体行为 2 主要应用领域 3 参阅 4 参考资料微观流体行为 编辑 硅橡胶和玻璃微流控装置 顶部 设备的照片 底部 蜿蜒通道 15微米 mm 宽的相差显微照相 流体在微观上的行为与宏观流体的行为的主要区别在于在微观尺度重力和惯性不再起主导作用 而表面张力 能量耗散 及流体阻力开始主导着流体行为 微流控研究这些行为如何变化 以及如何解决这些行为 或者为新用途而开发 1 2 3 4 在流体通道的尺寸约为100纳米 nm 500微米 mm 直到2毫米以下 lt 2mm 时 就需要考虑到微流体现象了 雷诺数 比较惯性力和粘性力的常数 变的很小 大部分的流态成了层流而非湍流 当几束流体并行时 不会发生混合 而流体之间的物质交流则依赖于相对而言缓慢无效率的扩散 它们之间的分子转移必须常常考虑扩散作用 5 这个性质在微流体仪器中显得尤为重要 所以微流体仪器可以比传统实验条件获得更精细 更稳定的化学梯度 化学和物理性质 浓度 pH 温度 剪切力等 的高特异性也可以被确保 从而在单次和多步反应中产生更均匀的反应条件和较高级别的产物 6 7 主要应用领域 编辑微流体结构包括微气体系统 即用于处理片外流体 液体泵 气体阀等 的微系统 以及用于片上处理纳升 nl 和皮升 pl 体积的微流体结构 8 迄今为止 最成功的微流体的商业应用是喷墨打印头 9 此外 微流体制造的进步允许以低成本塑料生产设备 10 并且可以自动验证部件质量 11 微流体技术的进步正在革新分子生物学方法进行酶分析 如葡萄糖和乳酸分析 DNA分析 如聚合酶链式反应和高通量测序 和蛋白质组学 微流体生物芯片的基本思想是将检测操作 以及样品预处理和样品制备在一个芯片上进行整合 12 13 生物芯片的新兴应用领域是临床病理学 英语 Clinical pathology 特别是疾病的即时现场诊断 此外 能够对生化毒素和其他危险病原体的空气 水样进行连续采样和实时测试的基于微流体的设备可以作为一个永远在线的 生物烟雾报警器 进行预警 微流控技术已经为生物学家创造了强大的工具来控制整个的细胞环境 从而导致新的问题和新的发现 该技术在微生物学方面的多种优势如下所示 一般单细胞研究包括生长 14 15 细胞衰老 诸如 母机 之类的微流体装置允许跟踪数千个单个细胞数代 直到它们死亡 14 微环境控制 从机械环境 16 到化学环境 17 通过在单个设备中引入多个化学输入来确定精确的时空浓度梯度 18 参阅 编辑 生物技术主题 晶片實驗室 器官晶片参考资料 编辑 S C Terry J H Jerman and J B Angell A Gas Chromatographic Air Analyzer Fabricated on a Silicon Wafer IEEE Trans Electron Devices ED 26 12 1979 1880 1886 Kirby B J Micro and Nanoscale Fluid Mechanics Transport in Microfluidic Devices Cambridge University Press 2010 2017 06 29 原始内容存档于2019 04 28 Karniadakis G M Beskok A Aluru N Microflows and Nanoflows Springer Verlag 2005 Bruus H Theoretical Microfluidics Oxford University Press 2007 Tabeling P Introduction to Microfluidics Oxford University Press 2005 Chokkalingam V Weidenhof B Kraemer M Maier W F Herminghaus S Seemann R Optimized droplet based microfluidics scheme for sol gel reactions Lab Chip 2010 10 1700 2017 06 29 doi 10 1039 b926976b 原始内容存档于2020 05 08 Shestopalov J Tice J D Ismagilov R F Multi step synthesis of nanoparticles performed on millisecond time scale in a microfluidic droplet based system Lab Chip 2004 4 316 321 2017 06 29 doi 10 1039 b403378g 原始内容存档于2020 05 08 Nguyen N T Wereley S Fundamentals and Applications of Microfluidics Artech House 2006 Andrew Control and detection of chemical reactions in microfluidic systems Nature 2006 442 7101 394 402 2017 06 29 Bibcode 2006Natur 442 394D doi 10 1038 nature05062 原始内容存档于2011 05 09 Ryan S Pawell David W Inglis Tracie J Barber and Robert A Taylor Manufacturing and wetting low cost microfluidic cell separation devices 页面存档备份 存于互联网档案馆 Biomicrofluidics 7 056501 2013 doi 10 1063 1 4821315 Automating microfluidic part verification Online First Springer 2022 06 26 原始内容存档于2021 08 03 Herold KE Rasooly A editor Lab on a Chip Technology Fabrication and Microfluidics Caister Academic Press 2009 ISBN 978 1 904455 46 2 Herold KE Rasooly A editor Lab on a Chip Technology Biomolecular Separation and Analysis Caister Academic Press 2009 ISBN 978 1 904455 47 9 14 0 14 1 Wang P Robert L Dang WL Taddei F Wright A Jun S Robust growth of Escherichia coli Current Biology 2010 20 12 1099 1103 PMC 2902570 PMID 20537537 doi 10 1016 j cub 2010 04 045 引用错误 没有为名为pubs rsc org的参考文献提供内容 Amir Manbachi Shamit Shrivastava Margherita Cioffi Bong Geun Chung Matteo Moretti Utkan Demirci Marjo Yliperttula Ali Khademhosseini Microcirculation within grooved substrates regulates cell positioning and cell docking inside microfluidic channels Lab Chip 2008 8 5 747 754 2017 06 29 PMC 2668874 PMID 18432345 doi 10 1039 B718212K 原始内容存档于2022 06 17 Marjo Yliperttulaa Bong Geun Chunga Akshay Navaladia Amir Manbachi Arto Urtt High throughput screening of cell responses to biomaterials European Journal of Pharmaceutical Sciences October 2008 35 3 151 160 2017 06 29 PMID 18586092 doi 10 1016 j ejps 2008 04 012 原始内容存档于2018 11 15 Chung BG Manbachi A Saadi W Lin F Jeon NL Khademhosseini A A gradient generating microfluidic device for cell biology J Vis Exp 2007 7 7 271 PMC 2565846 PMID 18989442 doi 10 3791 271 取自 https zh wikipedia org w index php title 微流控 amp oldid 73402008, 维基百科，wiki，书籍，书籍，图书馆，

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