微流控技术的原理

微流控技术的原理

在微小的空间内完成复杂的实验操作，这就是微流控技术的魅力所在。它不仅能够实现对微小液体的精确控制，还能在芯片上集成多种功能，完成从采样到检测的全流程分析。本文将带你深入了解微流控技术的原理及其独特优势。

什么是微流控？

微流控（Microfluidics），顾名思义，就是控制微小液体（皮升至纳升）的流动。想象一下，把一个实验室里的各种仪器设备缩小到芯片上，让它们协同工作，这就是微流控芯片。它就像是一个微型的实验室，可以在很小的空间内完成复杂的实验操作，对微尺度下的流体进行精确控制和操作。

图1：微流控芯片示意图（图片来源：https://ntp.niehs.nih.gov/whatwestudy/niceatm）

微流控系统的组成

微流控技术，简而言之，就是一种在微管道网络中集成多种功能元器件，实现液体样品的采样、稀释、加试剂、反应、分离和检测等分析功能的微型全分析系统。一个典型的微流控系统主要由以下几个部分组成：

• 微流控芯片：这是微流控系统的核心，相当于实验室的实验台，由微通道、微腔、微阀等微结构组成。这些微小的结构共同组成了一个复杂的网络，用于引导液体的流动和反应，比如混合、分离、反应等等。
• 流体驱动系统：就像实验室里的泵一样，用于驱动液体在芯片上的流动。常见的驱动方式有压力驱动、电渗流驱动、毛细力驱动等。
• 检测系统：这好比实验室里的检测仪器，用于对微流控芯片内的反应或产物进行检测，常用的检测方法有荧光检测、电化学检测、质谱检测等。

微流控的基本原理

微流控技术的核心在于对微尺度下流体行为的深入理解和精确控制。与宏观尺度下的流体相比，微尺度下的流体表现出许多独特的特性，例如：

• 层流流动：在微尺度下，由于通道尺寸极小，流体流动时受到的粘性力作用相对较大，使得流体更倾向于以层流形式流动，即流体分层流动。在层流中，不同流速的流体层之间保持相对稳定的界面，层与层之间几乎没有混合。这使得微流控系统能够实现高度精确的流体控制和混合。
• 扩散增强：由于微通道尺寸极小，流体分子间的距离大大缩短，因此分子扩散速率大大加快，这有利于反应物的快速混合和传质，从而提高了化学反应或生物反应的效率。
• 表面效应显著：在微通道中，由于流体与固体壁面的接触面积相对较大，表面效应对流体行为的影响变得非常显著。例如，壁面的润湿性、吸附性、粗糙度等都会影响流体的流动状态、速度分布和混合效果。因此，在设计和优化微流控系统时，需要充分考虑这些表面效应的影响。

图2：微流控技术的基本原理示意图（图片来源：https://www.okaybio.com/wp-content/uploads/2019/12/Microfluidics-principle.jpg）

小结

微流控技术是一门新兴的交叉学科，具有广阔的应用前景。通过对微尺度下流体行为的深入研究和精确控制，实现了分析过程的自动化、小型化和高效化。微流控技术为生命科学、化学、材料科学等领域的研究提供了新的工具和方法。

参考资料

1. https://www.dxfluidics.com/resource-center/technical-information/340/
2. https://www.whchip.com/news/shownews2165.html
3. https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BE%AE%E6%B5%81%E6%8E%A7