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微流控

微流控是一種精確控制和操控微尺度流體的技術，尤其特指亞微米結構的技術。 特別的，微意味着以下的特性：

  • 微小的容量（納升，皮升，飛升級別）
  • 微小的體積
  • 低能量消耗
  • 裝置本身占用體積小
  • 高度集中化
  • 高度自動化

微流控利用對於微尺度下流體的控制，是一個包括了工程學，物理學，化學，微加工和生物工程的多交叉學科。

微流控在20世紀80年代興起，並在DNA芯片，芯片實驗室，微進樣技術，微熱力學技術得到了發展。

微流控研究的空間特徵尺度範圍在1微米(10-6米)至1毫米(10-3米)。

微觀流體行為

 
硅橡膠和玻璃微流控裝置。 頂部：設備的照片。 底部：蜿蜒通道〜15微米（μm）寬的相差顯微照相。

流體在微觀上的行為與宏觀流體的行為的主要區別在於在微觀尺度重力和慣性不再起主導作用。而表面張力，能量耗散，及流體阻力開始主導着流體行為。微流控研究這些行為如何變化，以及如何解決這些行為，或者為新用途而開發[1][2][3][4]。

在流體通道的尺寸約為100納米（nm）-500微米（μm），直到2毫米以下（<2mm）時，就需要考慮到微流體現象了。雷諾數（比較慣性力和粘性力的常數）變的很小，大部分的流態成了層流而非湍流。 當幾束流體並行時，不會發生混合，而流體之間的物質交流則依賴於相對而言緩慢無效率的擴散。它們之間的分子轉移必須常常考慮擴散作用[5]。這個性質在微流體儀器中顯得尤為重要。所以微流體儀器可以比傳統實驗條件獲得更精細，更穩定的化學梯度。

化學和物理性質（濃度，pH，溫度，剪切力等）的高特異性也可以被確保，從而在單次和多步反應中產生更均勻的反應條件和較高級別的產物[6][7]。

主要應用領域

微流體結構包括微氣體系統，即用於處理片外流體（液體泵，氣體閥等）的微系統，以及用於片上處理納升（nl）和皮升（pl）體積的微流體結構[8]。迄今為止，最成功的微流體的商業應用是噴墨打印頭[9]。此外，微流體製造的進步允許以低成本塑料生產設備[10]，並且可以自動驗證部件質量[11]。


微流體技術的進步正在革新分子生物學方法進行酶分析（如葡萄糖和乳酸分析），DNA分析（如聚合酶鏈式反應和高通量測序）和蛋白質組學。微流體生物芯片的基本思想是將檢測操作，以及樣品預處理和樣品製備在一個芯片上進行整合[12][13]。

生物芯片的新興應用領域是臨床病理學（英語：Clinical pathology），特別是疾病的即時現場診斷。此外，能夠對生化毒素和其他危險病原體的空氣/水樣進行連續採樣和實時測試的基於微流體的設備可以作為一個永遠在線的「生物煙霧報警器」進行預警。

微流控技術已經為生物學家創造了強大的工具來控制整個的細胞環境，從而導致新的問題和新的發現。例如，細胞群的分離和分析，藥物包埋和藥物傳遞等方面。

該技術在微生物學方面的多種優勢如下所示：

  • 一般單細胞研究包括生長[14][15]
  • 細胞衰老：諸如「母機」之類的微流體裝置允許跟蹤數千個單個細胞數代，直到它們死亡[14]
  • 微環境控制：從機械環境[16]到化學環境[17]
  • 通過在單個設備中引入多個化學輸入來確定精確的時空濃度梯度 [18]

參閱

參考資料

  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]. （原始內容存檔於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. （原始內容存檔於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. （原始內容存檔於2020-05-08）. 
  8. ^ Nguyen, N.T., Wereley, S. Fundamentals and Applications of Microfluidics. Artech House. 2006. 
  9. ^ 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. （原始內容存檔於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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, Biomicrofluidics 7, 056501 (2013); doi:10.1063/1.4821315
  11. ^ Automating microfluidic part verification - Online First - Springer. [2022-06-26]. （原始內容存檔於2021-08-03）. 
  12. ^ Herold, KE; Rasooly, A (editor). Lab-on-a-Chip Technology: Fabrication and Microfluidics. Caister Academic Press. 2009. ISBN 978-1-904455-46-2. 
  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. ^ 引用錯誤：沒有為名為pubs.rsc.org的參考文獻提供內容
  16. ^ 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. （原始內容存檔於2022-06-17）. 
  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. （原始內容存檔於2018-11-15）. 
  18. ^ 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. 
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