微流控学

微流控学是指行为、精确控制和操作，这些流体在几何上受限于小范围（通常为亚毫米级）的尺寸，毛细管渗透在该范围内控制质量传输。它是一个多学科领域，涉及工程、物理、化学、生物化学、纳米技术和生物技术。它在处理少量流体以实现多路传输，自动化和高通量筛选的系统设计中具有实际应用。微流控技术是在1980年代初出现的，并被用于发展喷墨打印头，DNA芯片、单芯片实验室技术，微推进和微热技术。

通常，micro表示以下功能之一：

• 小体积（μL、nL、pL、fL）
• 小尺寸
• 低能耗
• 微域效应

通常，微流控系统输送、混合、分离或以其他方式处理流体。各种应用都依赖于使用毛细管力的被动流体控制，该形式为毛细管流量调节元件，类似于流量阻力器和流量加速器。在一些应用中，外部致动装置另外用于介质的定向运输。例如，旋转驱动器施加离心力以在无源芯片上进行流体传输。主动微流控是指通过主动（微型）组件（例如微型泵或微型阀）对工作流体的定义操作。微型泵以连续的方式供应流体或用于计量。微型阀确定泵送液体的流向或移动方式。通常，通常将在实验室中执行的过程微型化在单个芯片上，从而提高效率和迁移率，并减少样品和试剂的体积。

微观尺度上的流体行为可能与“大流体”行为不同，因为表面张力、能量耗散和流体阻力等因素开始主导系统。微流控学研究了这些行为如何改变，以及如何解决它们或将其开发用于新用途。

在小规模（通道大小约为100 纳米至500 微米）下，会出现一些有趣的，有时是不直观的特性。特别地，雷诺数（将流体动量的影响与粘度的影响进行比较）可能变得非常低。一个关键的结果是，随着流动变成层流而不是湍流，并流流体不一定按照传统意义混合。它们之间的分子转运通常必须通过扩散。

还可以确保化学和物理特性（浓度、pH、温度、剪切力等）的高特异性，从而在单步和多步反应中获得更均匀的反应条件和更高等级的产物。

微流控流动仅需受到几何长度尺度的限制-用于实现这种几何约束的方式和方法高度依赖于目标应用。传统上，微流控流是在封闭通道内部产生的，通道横截面约为10μmx 10μm。这些方法中的每一种都有其自己的相关技术来维持稳健的流体流动，这些技术已经发展了几年。

微流控的种类主要有：开放式微流控、连续流微流控、基于液滴的微流控、数字微流控、纸基微流控、粒子检测微流控、微流辅助磁泳。

微流控结构包括微气动系统，即用于处理芯片外流体的微系统（液体泵、气阀等），以及用于芯片上处理纳升（nl）和皮升（pl）体积的微流控结构。迄今为止，微流控的最成功的商业应用是喷墨打印头。此外，微流控制造技术的进步意味着制造商可以使用低成本塑料生产设备并自动验证零件质量。

微流控技术的进步正在彻底改变分子生物学程序，用于酶促分析（例如， 葡萄糖和乳酸 分析）、DNA分析（例如，聚合酶链反应和高通量测序）、蛋白质组学以及化学合成。微流控生物芯片的基本思想是将化验操作（如检测）以及样品预处理和样品制备集成在一个芯片上。

生物芯片的新兴应用领域是临床病理，尤其是直接点的护理诊断的疾病。此外，基于微流控的设备能够对空气/水样本中的生化毒素和其他危险病原体进行连续采样和实时测试，可以作为永远在线的“生物烟雾警报”以进行预警。

微流控技术已经为生物学家创造了强大的工具，以控制整个细胞环境，从而引发了新的问题和发现。下面列出了该技术在微生物学方面的许多不同优势：

• 包括生长在内的一般单细胞研究
• 细胞老化：微流控设备（例如“母机”）允许跟踪数千个单个细胞达几代，直到它们死亡。
• 微环境控制：从机械环境到化学环境
• 通过将多个化学输入合并到单个设备中，可以精确地确定时空浓度梯度
• 粘附细胞或狭窄染色体的力测量：可以使用光镊或其他产生力的方法直接操纵微流控装置中捕获的物体
• 通过与外力产生方法（例如斯托克斯流，光学镊子或PDMS（聚二甲基硅氧烷）设备的受控变形）耦合，限制细胞并施加受控的力
• 电场积分
• 芯片上的植物和植物组织培养
• 抗生素抗性：微流控装置可用作微生物的异质环境。在异质环境中，微生物更容易进化。这对于测试微生物进化的加速/测试抗生素抗性的发展可能是有用的。