Микрофлюидики

Обзор

Микрожидкостные устройства манипулируют жидкостями в каналах, размеры которых обычно составляют от десятков до сотен микрометров. В этом масштабе вязкие эффекты часто доминируют над инерцией, интерфейсы становятся сравнительно важными. Эти свойства позволяют проводить компактные анализы, точные градиентаторы и высокопараллельные реакции капель с использованием небольшого количества образца или реагентов.

Технические основы

При малых размерах канала число Рейнольдса часто низкое, поэтому импульс диффундирует по каналу быстрее роста инерционных структур. Поэтому поток, управляемый давлением приближается к предсказуемому ламинарному профилю и гидравлическим масштабам сопротивления с поперечным разрезом. Капиллярное число сравнивает вязкое напряжение с поверхностным натяжением и помогает определить распад капель. Число Пеклета сравнивает адвекцию с молекулярной диффузией, объясняя почему два соседних потока могут перемещаться далеко до смешивания. Электрокинетический поток добавляет электрические двойные слои, зету и нагревание Джоул к транспортной проблеме.

Как это работает

Давление, электроосмоз или центробежная сила протекают через узорчатые сети. Геометрия канала устанавливает гидравлическое сопротивление и делит потоки, в то время как клапаны (клапанные), мембрана или обработка поверхности контролируют сроки смачивания. Системы капель используют несмешивающиеся фазы для изоляции объемов реакции. Оптические, электрохимические или механические датчики затем считывают молекулярное связывание и клеточные реакции внутри чипа.

Методы измерения и исследования

Устройства изготавливаются с помощью мягкой литографии, инъекционного формования стружки или лазерной обработки стекла и тэтчинга. Флуоресцентное отслеживание частиц и велоциметрия изображения микрочастиц измеряют поток; датчики давления, а стандарты расхода калибруют сопротивление. Биологические анализы количественно определяют восстановление клеток, жизнеспособность и молекулярный захват с матричным контролем. Пассивация поверхности уменьшает неспецифическую адсорбцию, а пузырьковые ловушки или дегазации управляют растворенным газом. Статистическая проверка должна охватывать вариации от чипа к кристаллу и лото-клоо, потому что одно точно изображенное устройство не устанавливает производственный процесс.

Ключевые идеи

• Низкое число Рейнольдса делает большинство каналов потоком ламинар, но не означает «неподвижный» или "несмешанный".
• Химия поверхности и допуски изготовления могут доминировать в производительности по мере уменьшения размеров.
• Лабораторная демонстрация становится продуктом только после того, как будет решена надежная подготовка образца и флюидное взаимодействие.

Современные исследовательские границы

Граничная система объединяет микрофлюидики с пространственными омическими элементами, автоматизированными моделями органов и непрерывным мониторингм биопроцессов. Цифровые микрофлюидики перемещают капли электропостепенно на массиве, в то время как акустические и инертные системы сортируют клетки без меток. Бумажные и капиллярные платформы для контроля сложности торговли на предмет надежности поля. Проблемы включают подключение макромасштабных образцов к микрошкальным каналам, обработку вязкого или твердого клинического материала и восстановление анализируемых веществ без смещения. Стандартизированные интерфейсы, перерабатываемые материалы и управление замкнутым контуром важны для развертывания. Модели также должны включать деформацию, смачивание гистерезиса и взаимодействие между клетками поверхностей в тех случаях когда идеальный жесткий канал больше не применяется.

Почему это важно

Микрофлюидика поддерживает диагностику в пунктах обслуживания, модели на чипе органа . цифровая ПЦР-системы и быстрый скрининг частиц Интеграция может уменьшить загрязнение и соединить подготовку, реакцию или обнаружение в одноразовом картридже.

Пределы и открытыые вопросы

Пузыри, адсорбция и выпаривание из организма человека или вариабельные биологические образцы могут дестабилизировать работу небольших объемов. Масштабирование от одного чипа до воспроизводимого производства требует метрологии, упаковки и контроля качества; в то время как клиническое использование предполагает надежную производительность вне тщательно контролируемых лабораторий.