你是否想过,在一个指甲盖大小的芯片上,就能完成复杂的生物化学实验?微流控技术,作为一门新兴的技术,正在逐渐改变我们对液体分析和处理的传统认知。那么,微流控技术究竟是如何工作的?下面我们一起来探究一下!
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。
(图片来源:https://www.whchip.com/news/shownews2165.html)
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
实验科普|什么是流式细胞术?
深入生命微观世界:揭秘单细胞测序技术
实验科普|什么是生物信息学?
实验科普|PCR——像复印机一样复制DNA