微流控文献讲解
生化、制药专业毕业论文文献综述综述
微污染物-微生物活性的微流控芯片直接检测1. 研究的目的和意义环境监控已越来越为人们所需要，这就要求有合适的实时检测设备。
微流控芯片（Microfluidic Chip）将化学、生物、医学等领域所涉及的样品的选择、制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一个几平方厘米（甚至更小）的微芯片上，通过微通道结构来控制流体流动，从而完成不同的化学或生物反应过程，并对其产物进行分析，它为生化分析新局面的开创提供了一个新的研究平台。
通俗点，就是将实验室搬到微芯片上，微流控芯片为环境监控提供了一种合适的分析监测设备。
本文介绍了以色谱纸为基材制作了纸基微流控芯片的基本概况、芯片的发展现状、芯片的制作、芯片检测方法，并将纸基微流控和微污染物-微生物的活性相结合，对微污染物-微生物活性的微流控芯片直接检测进行了初步研究。
2. 微流控芯片的基本概况一种新兴的芯片技术——微流控芯片技术以其快速分析、低消耗、微型化和自动化等特点发展非常迅速。
微流控芯片（又称芯片实验室）是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术。
它具有将化学和生物实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米芯片上的能力，已经显示了重要的应用前景。
该技术是在分析化学领域发展起来的，它以分析化学为基础，以微机电加工技术、微流体驱动或者控制、检测技术为依托，以微通道网路为结构特征，以化学和生命科学为主要应用对象，把整个实验室的功能集成到芯片上，而且制作简便，作为一种新兴的科学技术，微流控研究已经涉及化学、生物学、工程学和物理学等诸多领域，学科交叉性强，分析化学则是其第一轮也是最直接的一个应用领域[1]。
近年来，微流控研究发展迅速，技术创新层出不穷，应用领域不断拓宽。
3. 微流控芯片的发展现状微型全分析系统（Miniaturized Total Analysis Systems,μ-TAS）的概念是1990年Manz和Widmer等人首次提出来的，目前已经发展为世界上最先进的科学技术之一。
微流控液滴技术:微液滴生成与操控
微流控液滴技术：微液滴生成与操控陈九生;蒋稼欢【摘要】微液滴技术因具有高通量两相分割分离能力,吸引众多不同领域研究者的关注.本文回顾了微流控液滴技术领域的一些基本技术思路,涉及微液滴的流控生成方法,包括水动力法、电动法、气动法、光控法等,以及液滴生成后的操控技术,如液滴定向位移、融合、裂分、混合、分选、捕获等,同时对这些方法作了简要评述.%The high-throughput two-phase partition ability of microdroplet technique attracts attentions from many researchers in many fields. This paper reviews main methods currently developed for microdroplet formation, including hydrodynamic method, pneumatic pressure method, optic-driven method, and also the microfluidic techniques for microdroplet manipulation, such as splitting, coalescence, mixing, sorting, trapping and droplet position control. Also, these methods are briefly reviewed.【期刊名称】《分析化学》【年(卷),期】2012(040)008【总页数】8页(P1293-1300)【关键词】微流控;微液滴;生成;操控;综述【作者】陈九生;蒋稼欢【作者单位】重庆大学生物工程学院生物流变科学与技术教育部重点实验室,重庆400044;重庆大学生物工程学院生物流变科学与技术教育部重点实验室,重庆400044【正文语种】中文微液滴技术是在微尺度通道内，利用流动剪切力与表面张力之间的相互作用将连续流体分割分离成离散的纳升级及以下体积的液滴的一种微纳技术。
微流控芯片中流体流动的研究
微流控芯片中流体流动的研究引言微流控芯片是一种集成了微尺度流体通道和微加工器件的微型芯片，在微流体领域有着广泛的应用。
其中，流体流动是微流控芯片的一个重要研究方向。
本文将对微流控芯片中流体流动的研究进行综述，包括流体流动的基本原理、影响因素以及相关的实验和理论研究。
微流控芯片的基本原理微流控芯片是基于微纳米尺度流体力学原理设计和制造的芯片。
其基本原理可以用一维纳维尔-斯托克斯方程来描述流体在微流通道中的流动，可以简化为以下形式：$\\frac{{\\partial P}}{{\\partial x}} = \\mu \\frac{{\\partial^2 u}}{{\\partialy^2}}$其中，P为流体的压力，$\\mu$为流体的粘度，u为流体的速度。
微流通道中流体流动的主要特点是流速分布均匀，流体的作用力主要来自于剪切力而非惯性力。
由于微流控芯片中的通道尺寸较小，流速较慢，因此可以忽略惯性力的影响。
而剪切力主要与流体的粘度、通道的尺寸和流动状态有关。
流体流动的影响因素流体的性质流体的性质对微流控芯片中流体流动有着重要的影响。
主要包括流体的粘度、密度和表面张力等。
流体的粘度决定了流体的黏滞阻力，即流体流动时的内摩擦阻力。
流体的粘度越大，黏滞阻力越大，流体的流速越慢。
因此，在设计微流控芯片时需要考虑流体的粘度对流动的影响。
流体的密度与流体的惯性力有关。
在微流控芯片中，惯性力较小，流体的密度对流动的影响较小。
但是在一些特殊情况下，如高速流动或高浓度流动时，流体的密度影响将不容忽视。
流体的表面张力决定了流体在通道表面的润湿性。
一般来说，如果流体与通道表面不易相互润湿，会导致流体在通道表面形成凸起的曲面，进而影响流体的流动。
通道的尺寸和结构通道的尺寸和结构对微流控芯片中的流体流动有着重要的影响。
通道的尺寸可以决定流体的流速和流体的黏滞阻力。
通道越窄，流体的流速越慢，黏滞阻力越大。
通道的结构可以影响流体的剪切力分布和流体的流速分布。
制药工程毕业论文文献综述
制药工程毕业论文文献综述在现代医药领域中，制药工程作为一门综合性学科，对于新药的开发和生产起着关键作用。
本文将通过综述相关文献的方法，探讨制药工程领域的发展趋势和关键技术。
1. 前言制药工程是制药学中与工程学和技术相关联的学科，旨在通过工程原理和技术手段来开发和生产药品。
制药工程的发展使得药物的研发和生产更加高效和安全。
2. 制药工程的发展历程2.1 传统制药工程传统制药工程主要关注药物的生产过程，包括原料选择、药物合成、药物提取和纯化等。
这些传统方法在一定程度上满足了当时的需求，但存在效率低、成本高和环境污染等问题。
2.2 现代制药工程随着科学技术的进步，现代制药工程引入了先进的技术手段，如生物制药、基因工程和纳米技术等。
这些手段不仅提高了药物的质量和效果，还改善了制药过程的工业化和可持续发展。
3. 制药工程的关键技术3.1 生物制药技术生物制药技术采用生物体或其部分进行药物的合成和生产，包括基因工程、酶工程和细胞培养等。
生物制药技术不仅可以提高药物的纯度和效力，还能减少药品对环境的污染。
3.2 微观尺度控制技术微观尺度控制技术主要包括纳米技术和微流控技术。
纳米技术可以制备纳米级的药物载体，提高药物的水溶性和生物利用度。
微流控技术则可以精确控制药物的制备过程，提高产品的均匀性和稳定性。
3.3 过程优化和工业化通过优化制药过程和推进工业化生产，可以提高药物的产量和质量，降低生产成本。
过程优化的关键在于合理选择反应条件、优化设备结构和控制操作参数。
4. 制药工程的挑战与展望4.1 多学科融合制药工程涉及多个学科的知识和技术，需要不同学科之间的紧密合作和交流。
多学科融合的发展将进一步促进制药工程领域的创新和进步。
4.2 环境友好随着社会对环境保护的关注增加，制药工程需要更加注重环境友好性。
开发绿色制药技术和减少废弃物的产生，是制药工程未来的发展方向。
4.3 自动化和智能化自动化和智能化技术的应用将大大提高制药过程的效率和可控性，减少人为错误和劳动强度。
微流控技术在病原学检测中的应用综述
微流控技术在病原学检测中的应用综述作者：宋波王桥张晓杰来源：《中国校外教育(下旬)》2017年第13期【摘要】微流控芯片，又称芯片实验室，是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的技术平台，微流控技术是一个由物理、化学、微加工技术与生物技术等学科组成的交叉领域，微型化、集成化的微流控芯片具有高效、快速、样品和试剂用量少等优点，促进了其在病原体检测中的应用。
对传统方法以及微流控芯片在病原体检测中的应用进行综述，并提出了微流控技术研究的优势。
【关键词】微流控芯片病原体检测微流控芯片，也被称为微全分析系统，是将常规实验室中的加样、反应、分离检测等基本操作在一块几平方厘米（甚至更小）的芯片上进行的方法，可以取代常规生物或化学实验室各种功能的一种高新技术平台。
本文将现有病原微生物检测方法与微流控芯片方法进行对比，针对该领域在病原微生物检测方面的主要研究难点和发展趋势进行了讨论。
一、现有的微生物检测技术病原微生物的检测标准是培养法，此法简单、直观、费用低，但该法耗时、操作繁琐、灵敏性低，对操作人员要求高。
免疫分选技术是利用抗原-抗体的特异性反应，在检测微生物中应用非常广泛，可定量检测样本中的微生物，但该法仍存在耗时、操作繁琐、试剂耗量大的缺点，不能满足临床对感染性疾病快速诊断的需求。
聚合酶链反应（PCR）等分子生物学检测法具有高度的特异性和灵敏度，检测特异性基因片段从而达到多种病原菌的鉴定的目的，但本法存在过度敏感，假阳性率高，较复杂的样本需要预处理等缺点，准确性和特异性不高。
二、微流控芯片技术中常用的病原菌检测分析技术1.免疫分选技术将免疫分选与微流控芯片技术结合是近年来的研究热点，该法反应体积在微升级，样品和试剂耗量减少，提高了分选效率，芯片全程可控，简化了操作流程，样品扩散距离缩短，节省了反应时间，其高通量、高集成的特点，实现了对不同目标菌的特异性分选和富集。
免疫分选技术主要包括三种方法：微通道免疫分选、免疫微珠分选和免疫磁珠分选。
微流控技术制备球形发射药及其表征
微流控技术制备球形发射药及其表征刘换敏;李兆乾;王彦君;董朝阳;裴重华【摘要】利用微流控技术,采用T型微通道装置,以水为连续相,以硝化棉的乙酸乙酯溶液为分散相,制备球形发射药.研究了连续相和分散相的流速比以及分散相的溶棉比对发射药成球效果的影响.结果表明:固定溶棉比(溶剂与硝化棉的质量比)为50∶2.5,连续相流速(Qc)为1000 μL·min-1,分散相流速(Qd)在30 ～100 μL.min-1时,所得液滴均匀稳定,且随着分散相流速增大,所得球形药的粒径从270 μm增大至306 μm;固定水油两相流速比为1000 μL·min-1:100 μL·min-1,溶棉比在50∶2.0～50∶3.0,分散相溶棉比越小,所得球形药的粒径越大,其粒径从250 μm增大到350 μm.扫描电子显微镜(SEM)结果表明,利用微流控技术制得的硝化棉球形药表观形貌规整,粒径分布窄,单分散性好.%A T-shaped micro-channel device with continuous phase of aqueous solution and dispersed phase of ethyl acetate solution was used to prepare the spherical propellants based on the microfluidic technology.The effects of flow rate ratios and nitrocellulose/solvent ratios on the preparation of spherical propellants were studied,respectively.Results showed that when thenitrocellulose/solvent ratio was fixed to 50 ∶ 2.5 and the flow rate of continuous phase was fixed to 1000 μL · min-1,the particle size was increased from 270 μm to 306 im with the increase of the flow rate of dispersed phase from 30 μL · min-1 to 100 μL · min-1.When the flow rate ratio of the two phase was fixed to 1000 μL · min-1 ∶ 100 μL · min-1 and the nitrocellulose/solvent ratio of the dispersed phase was from 50 ∶ 2.0 to 50 ∶ 3.0,the particle size was increased from 250 lμm to 350 μm.Thecharacterization results of SEM show that the nitrocellulose spheres prepared by the microfluidic technology had regular morphology,narrow size distribution and good monodispersity.【期刊名称】《含能材料》【年(卷),期】2017(025)009【总页数】5页(P717-721)【关键词】微流控技术;球形发射药;流速比;溶棉比;单分散性【作者】刘换敏;李兆乾;王彦君;董朝阳;裴重华【作者单位】西南科技大学四川省非金属复合与功能材料重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地,四川绵阳621010;西南科技大学四川省非金属复合与功能材料重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地,四川绵阳621010;泸州北方化学工业有限公司,四川泸州646003;泸州北方化学工业有限公司,四川泸州646003;西南科技大学四川省非金属复合与功能材料重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地,四川绵阳621010【正文语种】中文【中图分类】TJ551 引言球形发射药因其装填密度高、流散性好、易于钝感、易损性低而应用于小口径轻武器。
微流体技术的研究和应用
微流体技术的研究和应用近年来，微流体技术受到了越来越多的重视和研究。
微流体技术（Microfluidics）是一种研究微米级小流体的技术，利用微米级流道来控制流体的运动和反应，可以完成生物分析、生化反应、电泳分离、细胞操作等多种实验。
微流体技术有以下几个特点：1.微观尺度：微流控芯片具有微米级别的流道结构，典型的微流控芯片厚度约为100μm。
2.小流量：微观通道内的流体量级在nl的范围内。
3.微流通性：微流体在微观低雷诺数（Reynolds number，Re<1）下运动时，具有无扰动、无分散和无惯性等特点，使得微流动中的均匀控制成为可能。
4.微流体化学反应：微流控技术可以利用微流通的特性，实现各种化学反应的高通量分析和研究。
微流体技术的研究和应用已经广泛涉及到生物医学、环境监测、食品安全、新能源等多个领域。
下面分几个方向来简单介绍一下。
1.生物医学微流体技术在生物医学领域的应用有两个主要方向：一是生物分析；二是细胞操作和细胞研究。
生物分析是一个非常广泛的领域，主要关注对生物分子的检测和分析。
目前，微流体技术已经被成功地应用于蛋白质分离、DNA分离、单细胞操作等方面。
比如，采用微流控芯片的单细胞分离技术可以避免单细胞的污染和损伤，从而实现高精度的单细胞分析。
细胞操作和细胞研究是另一个重要的方向。
微流体技术可以提供一个高度可控的环境，便于研究细胞的行为和特性。
同时，微流控芯片的微型通道和微型反应器可以让细胞在一个非常小的空间中运动和生长，从而实现高效的细胞操作和细胞研究。
2.环境监测微流体技术可以用于环境污染物的检测和监测。
传统的环境监测方法往往需要使用昂贵的仪器和设备，而微流体技术可以极大地简化检测步骤，并且提高检测的灵敏度和准确性。
比如，微流控芯片可以被用来检测水中的有害物质和细菌。
通过微型控制流道和检测器，可以高效地检测水中的污染物质，并且提高污染物质的检测精度和检测速度。
3.食品安全食品安全也是一个非常重要的领域。
基于微流控技术的光敏水凝胶微球的制备及应用
基于微流控技术的光敏水凝胶微球的制备及应用作者：张翠娜郑东华来源：《中国教育技术装备》2024年第02期*项目名称：2019年度包头医学院自然青苗计划（项目基金号：BYJJ-QM 201902）。
作者简介：郑东华，通信作者，讲师。
DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.02.112摘要具有较高比表面积的微球结构可以作为药物缓释载体，水凝胶由于其良好的生物兼容性，在药物释放、癌症治疗方面表现突出。
利用微流控技术，通过流体剪切制备形貌均一的水凝胶液滴，再通过紫外光固化可得到粒径均一、呈单分散的光敏水凝胶载药微球粒子，利用紫外分光光度计监测盐酸阿霉素进行体外释放过程。
关键词微流控技术；光敏；水凝胶；微球；盐酸阿霉素中图分类号：G642.423 文献标识码：B文章编号：1671-489X（2024）02-0112-040 引言微流控技术是一种可以凭借微米级通道、注射泵等微型实验系统精确控制不同流体的技术，可用于酶催化反应、细胞操纵、肿瘤筛查和微小粒子合成等众多生物医学领域[1-10]，水凝胶是由带有亲水性基团（-COOH、-OH、-CONH）的水溶性单体通过聚合反应并以物理或化学交联的方式所形成的具有三维网络结构的高分子聚合物，能在水中或者生物体液中溶胀并能保持大量水分而不被溶解，可以作为药物缓释的有效载体[11]。
阿霉素（图1）是一种蒽环霉素类抗肿瘤药物，抗菌谱较广，已在临床上使用了近50年，对各生长周期的肝癌、肺癌等癌细胞都有显著的杀灭作用。
目前注射给药是临床上常见的给药方式，但是这种给药方式，不仅靶向性较差，还很容易使阿霉素发生代谢失活，必须长期持续给药[12-13]。
为了提高阿霉素的靶向性及缓释效率，降低阿霉素的毒副作用，刺激响应型药物缓释体系逐渐成为肿瘤治疗的热点[14]。
Chen等[15]在微通道中成功制备了海藻酸盐水凝胶微粒传感器，它可通过光致发光机理实时监测细胞耗氧速率。
微流控_流道_长度_解释说明以及概述
微流控流道长度解释说明以及概述1. 引言1.1 概述微流控技术是一种基于微尺度通道和微流体的技术，具有广泛的应用前景和研究价值。
通过精确控制微流体在通道中的流动，微流控技术可以实现高效、快速、灵活的样品处理和分析。
近年来，随着微纳加工技术的发展和对生物医学领域需求的不断增长，微流控技术在生物分析、药物筛选、个性化医疗等领域得到了广泛应用。
1.2 文章结构本文将以以下几个方面来介绍微流控流道长度的解释和说明以及概述其结构和功能特点。
首先，在引言部分，我们将对微流控技术进行简要概述，并介绍本文的结构安排。
然后，在第二部分，我们将详细解释微流控技术的定义和原理，并介绍其在不同领域中的应用。
接下来，在第三部分中，我们将深入讨论流道长度对于微流控技术的影响，并介绍设计与优化方法。
在第四部分，我们将概述微流控芯片的结构和基本功能特点，并与传统实验方法进行比较。
最后，在结论部分，我们将总结全文的内容，并对微流控技术未来发展进行展望。
1.3 目的本文旨在介绍微流控技术中流道长度的概念和影响因素，通过对流道长度定义和作用的解释，帮助读者更好地理解微流控技术的基本原理。
同时，通过对微流控芯片结构和功能特点的概述，读者可以了解到微流控技术相较于传统实验方法的优势和差异。
此外，通过对未来发展的展望，我们希望引发读者对微流控技术应用前景和研究方向的思考，并促进其在相关领域中的广泛应用。
2. 微流控:微流控是一种用于操纵液体在微米尺度下流动的技术。
它基于微加工技术和微纳米尺度的器件制造，通过设计和控制微型通道中的流体流动来实现对微小体积液滴、细胞和分子等进行处理和定量分析的功能。
2.1 定义和原理:微流控是指利用微观通道将液体牢固地限制在亚毫升至皮升等小体积范围内，并通过精确的外部单向压力或电场调控来操纵和分割流体。
其主要原理包括几何约束效应、毛细效应、表面张力效应以及与粘度有关的层流条件。
2.2 应用领域:微流控技术广泛应用于化学生物学、药物筛选、基因分析、蛋白质研究、细胞生物学以及实验室诊断等领域。
微流控技术在临床检测中的应用
微流控技术在临床检测中的应用
沈韧;万谅;贾艳伟
【期刊名称】《分子诊断与治疗杂志》
【年(卷),期】2018(010)005
【摘要】微流控技术是近二三十年来飞速发展的一种对微小量级的液体进行操控的技术.通过压力装置、机械装置、电路控制系统、甚至是光波、声波等多种装置可以驱动微升到皮升量级的连续液体或者离散液滴进行移动、融合、分裂等动作.应用于生物医学领域,微流控技术可以节省样本和试剂用量,减少反应时间,缩小仪器体积,并提高实验的自动化程度,具有将一系列生化反应集成到一张微小的"芯片实验室"上的潜力.本文概述了微流控技术的基本原理以及微流控芯片在核酸检测、免疫分析、细胞分析等领域的应用,以展示该技术在临床检测领域的应用前景及挑战.【总页数】6页(P289-294)
【作者】沈韧;万谅;贾艳伟
【作者单位】澳门大学模拟与混合信号超大规模集成电路国家重点实验室,澳门999078;澳门大学模拟与混合信号超大规模集成电路国家重点实验室,澳门999078;澳门大学模拟与混合信号超大规模集成电路国家重点实验室,澳门999078
【正文语种】中文
【相关文献】
1.微流控技术在结直肠癌诊疗中的应用研究 [J], 李玮;田山;廖斐;董卫国
2.微流控技术在临床检验中的应用进展 [J], 李恒;史烨萍;周思达;李警予;冯宇;李含;宋梦慈;贺志安
3.微流控技术在急诊降钙素原检测中的应用 [J], 金宁;朱驰;马俊
4.微流控技术在食品安全快速检测中的应用 [J], 朱婧旸;董旭华;张维宜;陈美莲;刘海泉;赵勇;朱永恒
5.微流控技术在解决猪体外受精中多精入卵问题中的应用进展 [J], 刘芊萩;陈强;雷安民
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微流控通道中的流动行为及其应用研究
微流控通道中的流动行为及其应用研究随着科技的不断发展，微流控技术越来越受到人们的关注和重视。
微流控技术是指利用微型通道或微流道来进行液体处理和分析的一种技术。
微流控通道的流动行为是微流控技术的基础，对于微流控技术的应用有着至关重要的影响。
一、微流控通道的基本特点微流控通道是一种具有微米或纳米级尺寸的流体通道，其尺寸比毛细管还要小。
微流控通道一般由两种材料组成，一种是硅基材料，一种是塑料基材料。
微流控通道的结构具有精密度高，表面特性可控，反应速度快等优点。
微流控通道的微小体积具有减少试剂消耗、提高反应效率的作用。
因此微流控技术具有反应快、解析度高、灵敏度高、准确性高、自动化程度高、成本低等优点。
二、微流控通道中的流动行为微流控通道的流动行为是微流控技术的基础和重点。
与毛细管比较，微流控通道中的液流速度和流量更大，同时，由于微流控通道尺寸的微小，微流控通道中的表面张力和黏滞阻力比较大，因此液流的性质与宏观世界中的流动性质有很大的差别。
1. 微流控通道中的毛细效应微流控通道中液体与固体表面相互作用的现象称为毛细效应，毛细效应的影响因素主要有壁面接触角和液体性质。
壁面接触角是指液体与固体表面接触时的夹角，接触角越小，毛细效应越明显。
当流道宽度比毛细管半径大很多时，毛细效应的影响可以忽略不计。
2. 微流控通道中的湍流与层流液体在微流控通道中的运动方式主要有两种：层流和湍流。
层流是指液体沿着流道中心线流动，各层之间不发生混合，流动速度分布呈现为高速度层中，速度递减至靠近壁面处速度最低。
湍流是指液体在流动中发生无序流动，各层间发生混合，流速在流道断面中发生随机变化。
在微流控通道中，尽管 Reynold 数较小（通常小于 100），但由于微流控通道的小直径和表面张力的作用，仍存在湍流流动。
三、微流控技术的应用微流控技术在实际应用中有着广泛的应用前景。
它可以应用在生物医药、环境监测、化学分析等多个领域。
1.生物医药领域微流控技术在生物医药领域有着较广泛的应用，主要应用于细胞培养、基因分析、蛋白质分析等领域。
微流体驱动与控制系统的研究进展
微流体驱动与控制系统的研究进展赵士明;赵静一;李文雷;王立亚;郭锐【摘要】随着微流控系统的应用越来越广泛,微米尺度和纳米尺度器件微通道内的流动逐渐成为了研究的热点.重点阐述了微流控系统的驱动元件——微泵、控制元件——微阀的研究现状,介绍了学者们研制的各种微泵、微阀的工作原理与结构特点,指出了微流体驱动控制系统泄漏、结构复杂、成本偏高等问题依然存在,并对微驱动控制的发展方向进行了展望.【期刊名称】《制造技术与机床》【年(卷),期】2018(000)007【总页数】8页(P40-47)【关键词】微流体;微通道;微泵;微阀【作者】赵士明;赵静一;李文雷;王立亚;郭锐【作者单位】燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室,河北秦皇岛066004;先进锻压成型技术与科学教育部重点实验室(燕山大学),河北秦皇岛066004;唐山工业职业技术学院机械工程系,河北唐山063299;燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室,河北秦皇岛066004;先进锻压成型技术与科学教育部重点实验室(燕山大学),河北秦皇岛066004;燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室,河北秦皇岛066004;先进锻压成型技术与科学教育部重点实验室(燕山大学),河北秦皇岛066004;燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室,河北秦皇岛066004;先进锻压成型技术与科学教育部重点实验室(燕山大学),河北秦皇岛066004;燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室,河北秦皇岛066004;先进锻压成型技术与科学教育部重点实验室(燕山大学),河北秦皇岛066004【正文语种】中文【中图分类】TH703流体是物质的重要存在形式之一，流体的流动是自然界最基本的现象，通常把微米尺度或接近微米尺度空间里的流动称为微流体。
以层流或低雷诺数为主要特征的微流体的操控简称为微流控。
最近十几年迅速发展的微流控芯片是一种典型的微流控技术的推广，因为微尺度的特征，可以把生物、化学、医学等领域涉及的生物、化学等实验室的功能集成到一块几平方厘米的芯片上，因此也称为芯片实验室[1-3]。
基于微流控的现代生物医学检测技术概述
摘 要：首先介绍了微泵和微阀等常用的微流控器件，然后介绍了利用微流控技术进行片上预处理的方法，包括细 胞分离、细胞裂解和微流控富集技术。最后，对微流控在免疫检测中的应用进行了介绍。现代医学检测需要一种 全自动、集成化、低成本并且易于操作的微流控系统，从这些方面考虑，给出了微流控生物芯片的一些改进方向。 关键词：微流控；生物医学检测；免疫检测；预处理；富集；无标记检测 中图分类号：ＴＱ０１６；ＴＱ０２８；Ｏ６５７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－３２０６（２０１８）０６－１２２７－０５
微流控系统是利用制作在基底上的微沟道实现 特定功能 的 装 置，微 沟 道 的 尺 度 一 般 在 微 米 量 级。 生物医学检测中用到的微流控系统也叫做“生物芯 片”（ｂｉｏｃｈｉｐｓ），或者“微全分析系统”（ｕＴＡＳ，ｍｉｃｒｏ ｔｏｔａｌａｎａｌｙｓｉｓｓｙｓｔｅｍ）。传统的生物样品分析需要很 多大型仪器在专门的实验室中进行，这涉及到很多 操作步骤。利用微流控系统可以实现整个生物样品 分析的所有步骤，包括样品预处理，样品 ／试剂传输、 混合、反应、分离、检测和产物收集。这些小型的微 流控模块可以看作相应大型仪器的微缩版，把他们 组合起来就相当于组建了一个大型实验室，所以微 流 控 系 统 也 叫 做 “片 上 实 验 室 ”（Ｌａｂｏｎａｃｈｉｐ， ＬＯＣ）。利用微流控系统进行检测有很多好处，包括
问学者，北京市优秀博士毕业生，中英青年领袖对话中方代表，主要研究方向包括微流控芯片及其在医学领域 的应用。电话：０１０－６２７７２２６２，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｉｎｕｏ＠ｇ．ｈａｒｖａｒｄ．ｅｄｕ；ｃｈｅｎｇｙｉｎｕｏ＠ｏｕｔｌｏｏｋ．ｃｏｍ
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应用化工
第 ４７卷
统对微泵的要求有很大差异，比如植入体内使用的 微泵要求有很好的兼容性，在太空中使用的微泵要 求重量轻、稳定性好，而对于需要昂贵试剂的生化检 测，要求微泵能够处理极少量的液体。常用的微泵 控制 方 式 有 压 力 控 制［３５］、电 渗 控 制、电 水 力 控 制、 气动 控 制［６］、热 控 制［７］、离 心 力 控 制、表 面 张 力 控 制等。
数字微流控技术在医学检验中的应用研究
数字微流控技术在医学检验中的应用研究数字微流控技术，在过去的几年中崭露头角，已经成为了医学检验和生物学方面的研究热点。
它的出现可以使得实验室操作更为便捷，有更高的自动化效率，并且需要的实验样本极少，成本也更低。
在医学检验方面，数字微流控技术可以用于红细胞分离、血液繁殖病毒测定、微小RNA检测等检测方面，近年来已经在很多文献中予以证明。
因此，本文将重点阐述数字微流控技术在医学检验中的应用和研究进展。
一、数字微流控技术的基本原理数字微流控技术是一种将微流控技术应用于样本的分析和分离的新兴技术。
数字微流控技术的工作原理是将微小的液体分割成许多微小的“液滴”，每个“液滴”都可以完全独立地进行相关实验。
在数字微流控技术中，我们可以通过微型芯片制造技术，将导电液体或非导电液体进行分离，并通过微孔的形式将这些液滴精准地分开。
数字微流控技术具有很多优点，其中最大的优点就是可以将微量液体从样本中分离出来，在实验室的操作和分析中具有很重要的价值。
二、数字微流控技术在血液病毒检测中的应用数字微流控技术无疑是将微型管道和微电池与微流控技术结合起来冲破了传统检测技术的种种限制，大大提高了病毒检测的精准度和效率。
同时，数字微流控技术能够将检测时间缩短到响应快速的时间范围之内，在病毒检测的应用中显得格外优异。
例如，数字微流控技术在检测肝炎病毒方面显示了无与伦比的优点。
对于肝炎病毒来说，菌株种类多、病毒负荷波动大，传统的肝病检测过程中，需要每次取大量血液样本进行检测，而且也需要较长的时间来提取病毒基因。
但是，利用数字微流控技术，仅需少量的血液样本即可提取病毒基因，而且分离出来的微滴之间不会相互干扰，从而获得更准确的检测结果，在肝病诊断方面有着明显的优势。
三、数字微流控技术在红细胞分离检测中的应用在医学生物学研究中，常常需要将血细胞进行分离和加工，这对贫血、白血病等疾病的治疗有重要作用。
传统的分离技术常常耗费时间，而且精确性不高。
微流控高通量单细胞基因表达分析芯片
微流控高通量单细胞基因表达分析芯片陈艳*，张宝月，冯鸿涛，钟江帆中国科学院深圳先进技术研究院，深圳，518055（*****************.cn）摘要正文微流控技术为高通量的单细胞基因诊断提供了强有力的技术手段，芯片中的单细胞水平基因表达分析，具有高效率，低成本，高灵敏度的优势[1]。
微流控芯片中的单细胞分析是我们理解同一细胞群落中基因表达变化的重要途径。
我们之前研发了一种微流控芯片，可以在10nl的体积中实现单细胞从mRNA提取到cDNA转化的所有步骤[2]。
我们的芯片可以同时处理数十个单细胞，与常规的大量细胞分析相比，效率有5倍的提高。
然而，该芯片对目标细胞捕捉和精确操控其进入独立反应腔的能力仍有局限，微流控网络的处理效率没有得到充分发挥。
为了更好地理解细胞活动中基因调控网络的工作机制，我们需要进一步提高基因表达分析的通量。
因此，在单个微流控芯片中实现高效率的基因分析，对深入研究细胞的生理机制有着重大意义。
在本文中，我们研发了一种应用于基因表达分析的微流控芯片，集成了可独立寻址的反应器和运用流体动力学的细胞捕获结构。
芯片中采用的结构具有较高的细胞捕捉效率，能够选择性地使细胞进入独立的反应腔体，并可以平行地进行多个细胞的基因表达分析。
芯片中独立寻址单元的运用使得单细胞分析的效率接近100%。
系统集成了单细胞基因表达分析的多个反应单元，包括细胞捕获、细胞操纵、mRNA纯化和cDNA合成，产物可直接用于下一步RT-PCR扩增分析。
这些特点大大提高了芯片中同步分析大批量细胞的能力。
在新型集成的微流控系统中，我们测量了Hela细胞和293T细胞的基因表达水平，并揭示了这些细胞群落在单细胞水平基因表达上呈现出的不均一性的生理机制。
图1.微流控高通量基因表达分析芯片及单细胞荧光定量基因扩增结果参考文献[1]R. N. Zare, and S. Kim, "Microfluidic Platforms for Single-Cell Analysis," in Annual Review of BiomedicalEngineering, V ol 12, M. L. Yarmush, J. S. Duncan, and M. L. Gray, eds. (2010), pp. 187-201.[2]J. F. Zhong, Y. Chen, J. S. Marcus, A. Scherer, S. R. Quake, C. R. Taylor, and L. P. Weiner, "A microfluidicprocessor for gene expression profiling of single human embryonic stem cells," Lab on a Chip 8, 68-74(2008).High-throughput microfluidic chip for single cell gene expressionanalysisYan Chen*, Baoyue Zhang, Hongtao Feng, Jiang F. Zhong Shenzhen Institute of Advanced Technology, Shenzhen (*****************.cn)Microfluidic technologies provide powerful tools for high-throughtput single-cell analysis. On-chip gene expression measurement has the advantages of improved performance, reduced cost, and high sensitivity [1]. Single cell analysis in microfluidic device is an important approach for understanding changes in gene expression within an isogenic cell population. We have previously developed microfluidic devices to perform mRNA-to-cDNA conversion within 10-nanoliter reactors [2]. Our devices can simultaneously process dozens single cells with 5-fold efficiency improvement compared to bulk assay. However, the capture ability and precise manipulation of target single-cells into individual reactors are still limited, so the processing efficiency of the microfluidic network has not reached its full potential. For better understanding of the gene regulation networks during cellular events, we need to further improve the efficiency of gene expression analysis. Therefore achieving high processing efficiency in a single microfluidic device is essential to the understanding of mechanism of cellular events.In this paper, we construct a microfluidic device with individual addressable reactors and hydrodynamic cell capture structures for gene expression studies. The implemented structure has high capturing efficiency and the capability to place selected individual cells into separated micro-reactors, allowing the gene expression analysis to be carried out in a parallel manner. With the implemented individual addressing units, single cell analysis can be performed at an efficiency close to 100%. The system integrates a variety of components for single-cell gene expression analysis, including cell trapping, manipulation, mRNA purification, cDNA synthesis. The output of the microfluidic device is ready for further analysis such as RT-PCR amplification. These new features significantly improve the simultaneous processing capacity for a large amount of cells. With the new integrated microfluidic device, we measured the gene expression levels of Hela cells and 293T cells, and revealed the heterogeneity of these cell populations at single cell level.。
基于微流控的植物根部-微生物相互作用研究进展
基于微流控的植物根部-微生物相互作用研究进展陈登博1,付玉明1,2∗,冯佳界1,2(1.北京航空航天大学生物与医学工程学院,北京100191;2.北京航空航天大学空天生物技术与医学工程国际联合研究中心,北京100191)摘要:基于微流控技术研究空间环境下植物的根-菌互作,有利于揭示植物-微生物稳态对空间环境效应的响应与适应机制㊂介绍了微流控技术中关于根-菌互作的成像技术,重点阐述了微流控技术针对不同栽培基质的成像以及对根际化学环境的操控/采样功能的优势,分析了芯片技术针对不同根系形态需求的研究,并对微流控技术在空间环境根-菌互作研究中的应用进行展望㊂关键词:微流控芯片;植物-微生物相互作用;根部生理学;空间生命保障中图分类号:Q948.12㊀文献标识码:A㊀文章编号:1674-5825(2022)06-0845-08收稿日期:2022-04-24;修回日期:2022-09-19基金项目:国家自然科学基金(31870852)第一作者:陈登博,男,硕士研究生,研究方向为空间生命保障技术与纳米生物技术㊂E-mail:chendengbo@∗通讯作者:付玉明,男,博士,副教授,研究方向为航天居室环境-微生物组-人体健康轴研究㊂E-mail:fuyuming@Research Progress of Microfluidics-based Plant-Microbe InteractionCHEN Dengbo 1,FU Yuming1,2∗,FENG Jiajie 1,2(1.School of Biological Science and Medical Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China;2.International Joint Research Center of Aerospace Biotechnology &Medical Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)Abstract :The study of plant-microbe interactions in space environment based on microfluidic tech-nology is conducive to revealing the response and adaptation mechanism of plant-microbe homeostasis to the space environment.In this paper,the imaging technology of root-bacteria interaction in mi-crofluidic technology was introduced,the advantages of microfluidic technology for imaging different cultivation substrates and manipulating /sampling the rhizosphere chemical environment were dis-cussed,and the researches of microfluidic technology for different root morphological requirements were analyzed.In addition,the application of microfluidic technology in the study of root-bacteria interaction in space environment was prospected.Key words :microfluidic chip;plant-microbe interaction;root physiology;space life support1㊀引言㊀㊀植物栽培是地面和受控生态生命保障系统的重要组成部分㊂植物的根系有固定植株㊁吸收水分和养分等重要功能,根际微生物在植物根表或近根部位生长繁殖,是植物微生物组的重要组成部分㊂植物脱落物或分泌物可到达根际微区,在根系周围形成丰富而复杂的化学环境[1],是植物在长期进化过程中形成的一种适应外界环境变化的重要机制[2]㊂这些植物脱落物或分泌物为微生物提供营养,以此构建和调节根际微生物菌群[3];另一方面,根际微生物也会深度参与调解植物生理活动[4-5]㊂因此,植物与微生物的根际相互作用(简称根-菌互作)是植物学和微生物学第28卷㊀第6期2022年㊀12月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀载㊀人㊀航㊀天Manned Spaceflight㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Vol.28㊀No.6Dec.2022研究的热点问题㊂传统的根-菌互作研究所用的栽培方式难以实时营造对根际研究所需化学环境,且由于需要将植物根部取出进行采样和成像观察,使得采样和成像不具有实时性(时间分辨率较低),难以复现动态的互作过程㊂并且根毛可增加根表面积,为根部探索更大空间,在根生理学研究中具有重要地位,但却因为尺度过小而难以采样和成像等㊂因此,根-菌相互作用的实时化㊁可视化和操控性研究是一项新的挑战㊂近年来,控制小体积流体的微流控芯片技术(或称为芯片实验室)为生物学研究的实时化和可视化提供了新方法,在根-菌互作研究中展现出巨大潜力㊂微流控技术在根-菌互作研究中具有三大优势:①透明的芯片可实现根-菌互作的实时成像;②可实现对根际环境的多次采样;③可对根际化学环境实现准确操控,以研究化学环境对互作的影响㊂目前最广泛采用的芯片构建流程及材料为:按照所需的芯片设计图纸,以光刻机制作与其互补的光刻胶材质或3D打印制作塑料材质的模板(Template/mold),以聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)浇注到模板上成型后剥离,再以等离子体氧化PDMS的需封装面(即有芯片通道的面)以活化其表面基团,最后放置玻璃片至封装面上键合以完成封装[6]㊂相对于二氧化硅㊁热固性塑料㊁热塑性塑料等其他可选的芯片材质,PDMS的价格低廉㊁偏软质㊁制作模板后可快速批量浇注制取等优势,使其成为主流芯片制作流程中常用材料[6]㊂等离子体氧化封装方式是不可逆的,即封装后很难将PDMS从玻璃片上拆卸;若实验有拆卸需求,可考虑可逆的封装方式,直接在室温下依赖PDMS和玻璃片间的范德华力封装,但这样封装不严密,在外力和内压下容易因意外拆卸开[7]㊂高等植物可以再生氧气㊁食物和水,是生物再生生命保障系统(Bioregenerative Life Support Sys-tem,BLSS)的功能核心[8]㊂而空间特殊环境(微重力㊁辐射㊁磁场㊁密闭㊁微生物多样性受限等)对根-菌互作的影响尚不明晰,前期搭载实验表明植物对微生物病害的敏感性可能增加[9]㊂而微流控技术体积小㊁性价比高,对于空间研究也独具优势㊂本文综述了基于微流控的植物根部发育和根-菌互作的研究,阐述微流控芯片针对不同栽培基质的成像及对根际化学环境的操控/采样功能的优势,分析了芯片针对不同根系形态需求的研究,并对微流控技术在空间环境根-菌互作研究中的重要作用进行展望㊂2㊀根-菌互作芯片的成像技术㊀㊀主流微流控芯片的材质(PDMS㊁玻璃片等)透光性好,对根-菌互作的成像观察独具优势㊂若能结合荧光等生物发光技术和一些高级成像技术,将可以更全面地还原根-菌互作过程㊂图1㊀针对根-菌互作的芯片Fig.1㊀Chip for root bacteria interaction Massalha等[10-11]构建的微流控系统TRIS (Tracking Root Interactions System)是一个研究根-菌互作的典型装置,如图1(a)所示,体现了生物荧光技术在芯片根-菌互作成像中的出色效果㊂TRIS系统采用PDMS-玻璃片材质,在灌有固体植物培养基的移液器吸头中令拟南芥发苗,在根长出吸头前移栽至芯片通道入口令其向芯片中生长,并使用注射泵将液体培养基和所感兴趣的根际菌(枯草芽孢杆菌作为植物有益菌,大肠杆菌作为有害菌)注射进芯片通道内,这些方法在根-菌互作的芯片研究中被普遍使用㊂为了实时显微观察,该装置直接安装在显微镜上㊂在无菌芯片中接种了表达红色荧光蛋白的枯草芽孢杆菌和表达绿色荧光蛋白的大肠杆菌,使用激光扫描共焦显微镜分别荧光成像并叠加图像,发现在接种后12h当中,枯草芽孢杆菌向根伸长区聚集并定殖,大肠杆菌却被排除在根表面之外,通过图像观察菌群行为动态,可推测出有益菌对植物针对病648载人航天第28卷原体的保护机制㊂除使用荧光标记的细菌之外,该研究还使用了仅在6个特定根区(皮层㊁脉管系统㊁根毛等)表达绿色荧光蛋白的6种荧光拟南芥株系,并与红色荧光蛋白的枯草芽孢杆菌图像叠加,观察到了杆菌接种后6h内向根伸长区的明显趋化行为,实现荧光标记的植物和细菌共同成像㊂在可见光(包括荧光)手段之外,电子显微镜和原子力显微镜等先进成像技术的分辨率更高,可在根-菌互作研究中作为更高级的㊁细胞器水平的成像手段㊂比如根毛就是一种微米级的根部结构,可以应用这两种高级成像手段㊂与光学显微镜不同,这两者都要求观察面暴露在外,而根却被封装在芯片中㊂由于等离子体氧化法的封装是不可逆的,很难打开封装以将根和根际区暴露在外㊂针对这一需求,Aufrecht等[12]设计了一种可拆卸的㊁针对根毛研究的芯片,PDMS并未化学键合到玻璃片上,而只是在高压灭菌时形成了较弱的物理键,且用琼脂固化围住PDMS以进一步固定及保湿,如图1(b)所示㊂其可在光学成像完成后拆卸开以供电镜等成像㊂针对根毛研究的目的,芯片被设计成了两层(Two-layer)式的阶梯状腔室,较高的腔室(200μm)容纳主根㊁两侧较低的腔室(20μm)容纳根毛,实测证明根毛生长时可自然粘附在PDMS面上,在拆卸过程中可保持在原位,利于后续的电子显微镜/原子力显微镜对根毛的成像研究㊂研究人员进一步使用该芯片跟踪了2种植物益生菌在拟南芥发育早期根部定殖情况[13],结果发现,无论细菌种类和接种浓度如何, 4天后细菌细胞在根表面的覆盖面积均为1%~ 2%,且根的发育情况很大程度上取决于细菌接种的种类和浓度㊂3㊀芯片技术对不透明栽培基质的成像优势㊀㊀芯片通道中装载液体基质时,其在光学上透明的性质有助于成像,但液体并不是自然界或人工栽培的主流基质,自然环境中的根-菌互作大多发生在土壤等固体基质中㊂若将土壤引入芯片,以解决土壤颗粒不透明导致的可见光成像困难等问题,生物荧光和某些显微光谱成像技术或可成为其研究手段㊂Mafla-Endara等[14]设计了土壤芯片,将土壤置于芯片通道入口处,以可见光观察土壤及微生物扩散进入通道的过程,以揭示土壤生态系统的形成过程㊂研究发现,土壤液体和真菌菌丝是土壤物质扩散的主要驱动力,土壤颗粒和微生物在充满液体的通道中扩散比在空气中快得多,且真菌菌丝可携带细菌穿过气体障碍而扩散定殖㊂芯片成像还可用于量化土壤颗粒的运动模式,对所得显微视频中2~6μm土壤颗粒使用自动追踪算法制作速度-位置热图,发现土壤颗粒被芯片内部的流水拖拽形成蜿蜒的运动模式,也使细菌很快地移动㊂虽未引入植物,该研究使用的土壤芯片已展现了对根-菌互作的可见光成像研究潜力㊂图2㊀EcoFAbs的应用[15]Fig.2㊀The applications of EcoFABs[15]也有研究尝试让植物根进入装载有固体基质的芯片,以研究基质中的根-菌互作㊂Gao等[15]描述了EcoFAB(Ecosystem Fabrication)芯片制作方法,可向通道内装载沙子或土壤作为基质,以期在更接近自然条件的微环境中研究根-菌互作,如图2所示㊂观察发现,虽然在亮场(可见光)下,沙子和土壤的不透明性质让埋在其中的根系和微生物不可见,但在荧光显微镜下,荧光标记的根际益生菌Pseudomonas simea在土中清晰可见,展现了荧748第6期㊀㊀㊀㊀陈登博,等.基于微流控的植物根部-微生物相互作用研究进展光技术克服土壤不透明性成像的潜力㊂这种益生菌在沙子中集中于植物根尖,而在土壤中集中于芯片开口处㊂研究表明沙子的贫营养迫使益生菌定殖于根尖以摄取分泌物,而土壤的富营养使芯片开口处的氧气成为益生菌的首要需求㊂值得注意的是,EcoFAB的实验流程认为可使用镊子将裸露的植物幼苗直接从发苗的固体培养基上移栽至芯片的孔道内[15];而几乎所有其他芯片-植物的结合研究都选择使用内有固体培养基的移液器吸头作为发苗载体,并模块化地整体移栽至芯片孔道内[10,13,16],以防止移栽过程对根的伤害㊂使用移液器的成活率明显高于使用镊子的移栽,虽然使用镊子的做法更接近自然条件,但对实验操作要求较高,很难不伤害根系㊂至于直接在灌注培养基的芯片中发苗的方法[17],由于植物的发芽率并非100%等原因,失败率相对更高㊂针对土壤颗粒对可见光的不透明性,Puce-taite等[18]推荐对土壤芯片使用可见光光谱之外的㊁先进的显微光谱成像技术,以克服土壤的不透明性,利于在微观尺度监测土壤微生物和相关的生物地球化学过程㊂这些非可见光的显微光谱成像技术包括红外吸收㊁拉曼散射和基于同步辐射的X射线显微光谱技术等,有时需要在土壤中加入稳定同位素或纳米贵金属粒子等辅助成像定位,在微生物鉴定㊁代谢物/污染物的定量/定位等方面各有优势,也可运用于基于固体基质芯片的根-菌互作研究中㊂4㊀芯片技术对根际化学环境的操控/采样功能优势㊀㊀利用微流控亦可在时空上快速操控/监测根周围的化学环境,研究根部对生物或非生物因素的动态响应,例如一系列以RootChip命名的芯片设计[19],如图3所示㊂最初Grossmann等[19]开发的RootChip被用于根对化学环境的响应研究,并以根内的葡萄糖荧光传感器开展荧光成像,成功发现细胞内糖水平的改变主要发生在灌注了葡萄糖的根尖㊂对于使用拟南芥的研究,RootChip可在几厘米内(<10cm)部署多个平行通道,以一次性开展多个植株的重复性实验㊂Fendrych等[20]采用竖直放置的vRootChip(v意为vertical,竖直以不影响根向地性)研究根部生长的基因通路,观察拟南芥根生长情况数天,发现无生长素存在时拟南芥的根生长速度会在30s内迅速下降;补充少量生长素后,根生长速度又会在2min内恢复;并通过向芯片中根际环境注入cvxIAA㊁ccvTIR1等人工配体,最终确认了以TIR1/AF-BAux/IAA共受体复合物为基础的一个调节根生长的非转录分支[20]㊂Guichard等[21]开发了根生长通道更长的RootChip-8S微流控装置,Denninger 等[22]用其跟踪观察了与根毛形成相关的细胞极化过程机理,发现基因GEF3在细胞极化过程中有作为细胞膜标志物的作用㊂图3㊀安装8个植物的RootChip[19]Fig.3㊀Image of a RootChip with eight mounted live plants[19]一些芯片设计甚至可令同一植株的根部的不同部位分别处于不同化学环境中,以在完全排除个体差异因素的前提下,直观对比不同化学环境对根双侧的影响或对特定根段的影响㊂面向根生理学或环境异质性研究,研究人员通常使用双流或多流汇总的方式,即多种液体从多个入口汇总到同一条芯片通道中,来营造分界式共存的液体化学环境㊂对于分根段施加不同的化学环境,Meier 等[23]在2010年开发了可对拟南芥施加多层流化学刺激的芯片,实际使用生长素类似物2,4-D和生长素抑制剂NPA,层流的方向与根垂直,以验证生长素和抑制剂对指定根段的影响㊂研究设置了3个进液口以达成3层的层流,以控制流量的手段成功制造了厚度10μm(约1个根细胞长度)的2,4-D层,这一厚度是被掺杂在2,4-D中的荧光微球所显示㊂因为使用了生长素调节剂偶联荧光蛋白的拟南芥株系,采用荧光显微镜观察到了2,4-D在短短几分钟后令10μm长的根段长出了848载人航天第28卷根毛,表明了生长素影响可在单个根细胞尺度上发生,也证明了微流控研究在很小尺度(~10μm)上的化学刺激对根影响的能力㊂值得一提的是,由于层流的方向与根垂直,验证了大/小的流量中根的生长没有显著区别,从而排除了剪切力(~10dyne/cm2)可能造成的额外影响㊂对于双侧施加不同的化学环境,Stanley等[16]设计了双流RootChip(Dual-flow-RootChip),令2种液体平行于根轴同时进入通道,形成不对称的化学环境,也描述了详细的芯片实验步骤[24]㊂研究分别采用NaCl㊁磷酸盐和聚乙二醇在双流Ro-otChip中模拟干旱等胁迫形式,在根双侧不对称处理,研究根毛生长情况,证明根在生理和转录水平上具有局部适应环境中异质条件的能力,也证明双流芯片方法有助于还原根与环境相互作用的决策过程[16]㊂研究表明,每个根毛细胞可以自主地对环境做出响应[16,23]㊂微流控芯片的采样功能有较大潜力㊂芯片的流出液是其内部环境的重要样品,通过收集芯片的流出液,即可完成植物根际微生物和根系分泌物的采集,从而进行根际微生物组与代谢组分析㊂但实际开展了采样并使用组学手段分析的研究并不多㊂其原因是关注复杂微生物群落研究较少,而对有限个菌株的行为,使用荧光标记等技术即可揭示,如Massalha等[10]和Aufrecht等[13]的研究;另外对于根际研究,很多根际菌定殖在根部表面甚至内部,难以随流出液流出㊂5㊀芯片技术对根系形态等特殊需求的优势㊀㊀植物根系具有多种形状和尺寸,可为之相应设计适合的微流控通道和腔体,以让植株正常生长或方便成像㊂为研究根系较粗的植物,Khan 等[25]使用3D打印的模具制备了腔体高度10mm 的PDMS材质芯片,如图4(a)所示,用于研究二穗短柄草(Brachypodium distachyon,根系直径1~ 3mm)的根细胞和分析渗透胁迫下的基因表达,发现了基因BdDi19在幼苗短期渗透胁迫期间有表达㊂此外,针对须根系统研究,相对于传统的单条直道的芯片设计,Chai等[26]采用多室设计的微流控芯片,如图4(b)所示,令水稻的分枝根生长到一组径向的花瓣形室中,用以研究渗透胁迫图4㊀应用于不同植物的芯片Fig.4㊀Chips for different plants (模拟干旱环境)对根系发育的影响,发现随着聚乙二醇(PEG6000,用于营造渗透胁迫)浓度的增加,根的生长变慢,根毛的数量和长度增加,根尖边缘细胞的发育和聚集增多㊂为了方便显微观察,微流控芯片的尺寸普遍设计得较小,并且使用拟南芥等小型草本物种,这让根-菌互作的长期化观察以及对个体较大的木本植物的研究成为挑战㊂Noirot-Gros等[27]设计的根系-微生物相互作用芯片(RMI-chip),如图4(c)所示,通道长达36mm,可以培养山杨(木本植物)幼苗的根超过1个月,并且可以连续使用显微镜观察根-菌互作㊂研究发现细菌需要在山杨根部表面形成生物膜才能持久定殖㊂RMI芯片加以修改或优化,可以用于长期观察生长缓慢的植物,或者短期研究生长较快的植物㊂此外,设计功能导向性很强的特殊结构芯片,如Massalha等[10]的TRIS系统还有一个双根通道版本,在同一腔室里生长2株拟南芥的根,并设计了分隔结构避免双根的物理接触,却允许微生物948第6期㊀㊀㊀㊀陈登博,等.基于微流控的植物根部-微生物相互作用研究进展细胞和信号分子的自由流动,以直观地显示细菌对不同基因型株系根部的定殖偏好㊂根据具体需求而设计开发出来的微流控芯片更能满足各种植物生长的特殊需求,也是微流控芯片的优势之一㊂图5㊀空间环境下微流控技术在根-菌互作研究中的运用Fig.5㊀Application of microfluidic technique in the study of root-bacteria interaction in spatial environment6㊀根-菌互作空间研究现状及展望㊀㊀高等植物是BLSS 的功能核心,但空间环境因素导致植物生长处于逆境,对植物的生长发育具有显著影响㊂在太空飞行等空间环境下发现在微重力下生长的植物表现出对植物病菌的敏感性增加[28],地面3D 回转模拟微重力效应下的实验也证明了在模拟微重力效应下病菌更易侵染植物[29-31]㊂一方面可能是因为微重力对细胞壁的重生和木质素的合成起到了抑制作用[32],从而利于病原真菌的侵染;另一方面推测是微重力影响了植物宿主与自身微生物的相互作用㊂虽然植物遗传适应相对较慢,但植物共生的微生物却能够很快地适应环境变化[33]㊂而植物根际微生物组是植物的第2套基因组的组成部分,在植物生长发育过程当中起着至关重要的作用㊂植物益生菌对植物具有保护机制,可以形成生物膜以及生产植物激素从而提高植物个体抵御非外来的微生物环境胁迫的免疫能力㊁诱导免疫抗性等多种手段,从而来增强其对宿主的免疫抗逆㊁抗病能力[34],且微生物是BLSS 中必然存在的一个链环,因此有必要研究空间环境下植物的根-菌互作㊂但是受控条件下植物根际微生物的结构变化以及潜在威胁微生物研究甚少㊂由于空间实验的空间有限,即使对于探空火箭等所拥有的超过10cm ˑ10cm ˑ10cm 体积的实验空间[35-36],对于使用传统栽培方式的根-菌互作研究也明显不够㊂而且,由于空间搭载机会的稀缺和昂贵,很多实验必须先期在地面开展,在回转仪等模拟的微重力环境下进行[37-38]㊂与真正的空间实验相似,回转仪可供实验的区域非常狭小,同样难以容纳传统栽培方式的植株㊂微流控技术可以成为空间生物学研究中很有前途的工具,已经运用在国际空间站或卫星搭载的太空实验上㊂如应用于国际空间站的一种新的不依赖培养物的微生物监测系统(the Lab-On-a-Chip Application Development Portable Test Sys-tem,LOCAD-PTS)[39],在15min 内定量分析了舱室表面的内毒素(革兰氏阴性细菌和真菌的标志)㊂在目前第一个长时间的活体生物立方体卫星实验中,Nicholson 等[40]开展生命有机体轨道空间环境生存性(Space Environment Survivability ofLiving Organisms,SESLO)实验6个月,测定了枯草芽孢杆菌孢子在空间环境中长期静止(14㊁91和181天)后的萌发㊁生长和代谢情况㊂但目前空间生物学研究中,未将微流控技术应用在植物根-菌互作研究上㊂而微流控芯片体积小,且目前已有一些微流控根-菌互作研究没有采用注射泵,同样可实现根际营养液的更新[15]㊂微流控芯片作为载体更能满足研究需求㊂因此,如图5所示,对于长期进化适应1G 重力的地球环境的植物而言,空间微重力环境属于典型的逆境环境,可能导58载人航天第28卷致植物菌群失调,但目前对其机理并不清楚㊂基于微流控技术能更直观地研究植物-微生物在空间极端环境下相互作用机理,并可以通过其机理精准调控植物根部菌群,使植物拥有更大的固碳能力和更强的抗逆特性㊂微流控技术在根-菌互作研究中的显著优势能进一步帮助研究者理解植物学和微生物学研究的热点问题㊂但在空间环境下基于微流控技术开展植物根-菌互作研究依然存在着许多问题:①空间环境下,植物根生长会改变方向,对基于微流控技术的根菌互作观察有一定影响;②在芯片设计的过程中还需要考虑表面张力会成为界面的主要力;③目前的微流控技术主要针对在透明基底上成像,这将偏离自然土壤系统中根际的群落结构㊂这些问题需要利用更有效的方法来解决㊂7㊀结语㊀㊀目前,已有研究将微流控技术运用于根-菌互作中,显著提高了实验效率与根菌研究结果的分辨率㊂然而迄今为止,国际上在空间环境下应用微流控技术研究植物-微生物相互作用仍是空白㊂微流控技术具有便于对根菌互作实时成像以及对根际化学环境的操控/采样等优势,能够精细刻画反映出空间环境下植物-微生物互作规律,有益于揭示植物-微生物稳态对空间环境效应的响应与适应机制,从而助力空间环境下植物健康稳定生产,为BLSS空间实际构建应用奠定基础㊂参考文献(References)[1]㊀Sasse J,Martinoia E,Northen T.Feed your friends:Do plantexudates shape the root microbiome?[J].Trends in PlantScience,2018,23(1):25-41.[2]㊀李月明,杨帆,韩沛霖,等.植物根系分泌物响应非生物胁迫机理研究进展[J].应用与环境生物学报,2022,28(4):1-10.Li Y M,Yang F,Han P L,et al.Research progress on themechanism of root exudates in response to abiotic stresses[J].Chinese Journal of Applied&Environmental Biology,2022,28(4):1-10.(in Chinese)[3]㊀Ahmad R A,Michael D J,Segun G.Synergistic plant-mi-crobes interactions in the rhizosphere:A potential headway forthe remediation of hydrocarbon polluted soils[J].Internation-al Journal of Phytoremediation,2019,21(1/7):71-83.[4]㊀Berendsen R L,Vismans G,Yu K,et al.Disease-inducedassemblage of a plant-beneficial bacterial consortium[J].Isme Journal,2018,12(6):1496-1507.[5]㊀Jacoby R,Peukert M,Succurro A,et al.The role of soil mi-croorganisms in plant mineral nutrition-current knowledge andfuture directions[J].Frontiers in Plant Science,2017,(9):1-8.[6]㊀Ren K,Zhou J,Wu H.Materials for microfluidic chip fabri-cation[J].Accounts of Chemical Research,2013,46(11):2396-2406.[7]㊀Mcdonald J C,Duffy D C,Anderson J R,et al.Fabricationof microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane)[J].Elec-trophoresis:An International 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[11]㊀Massalha H,Korenblum E,Shapiro O H,et al.TrackingRoot Interactions System(TRIS)experiment and quality con-trol[J].Bio-protocol,2019,9(8):e3211. [12]㊀Aufrecht J A,Ryan J M,Hasim S,et al.Imaging the roothair morphology of arabidopsis seedlings in a two-layer mi-crofluidic platform[J].Jove-Journal of Visualized Experi-ments,2017,(8):1-6.[13]㊀Aufrecht J A,Timm C M,Bible A,et al.Quantifying thespatiotemporal dynamics of plant root colonization by benefi-cial bacteria in a microfluidic habitat[J].Advanced Biosys-tems,2018,2(6):1-6.[14]㊀Mafla-Endara P M,Arellano-Caicedo C,Aleklett K,et al.Microfluidic chips provide visual access to in situ soilecology[J].Communications Biology,2021,4(1):1-12.[15]㊀Gao J,Sasse J,Lewald K M,et al.Ecosystem fabrication(EcoFAB)protocols for the construction of laboratory ecosys-tems designed to study plant-microbe interactions[J].Jove-Journal of Visualized Experiments,2018,134(4):1-26.[16]㊀Stanley C E,Shrivastava J,Brugman R,et al.Dual-flow-ro-otchip reveals local adaptations of roots towards environmentalasymmetry at the physiological and genetic levels[J].NewPhytologist,2018,217(3):1357-1369.[17]㊀Sun L,Liu L,Lin X,et al.Microfluidic devices for monito-ring the root morphology of Arabidopsis thaliana in situ[J].Analytical Sciences,2021,37(4):605-611. [18]㊀Pucetaite M,Ohlsson P,Persson P,et al.Shining new lightinto soil systems:Spectroscopy in microfluidic soil chips re-veals microbial biogeochemistry[J].Soil Biology and Bio-chemistry,2021,153(2):1-9.[19]㊀Grossmann G,Guo W J,Ehrhardt D W,et al.The RootCh-ip:An integrated microfluidic chip for plant science[J].Plant Cell,2011,23(12):4234-4240.[20]㊀Fendrych M,Akhmanova M,Merrin J,et al.Rapid and re-versible root growth inhibition by TIR1auxin signalling[J].Nature Plants,2018,4(7):453-459.[21]㊀Guichard M,Olalla E,Stanley C E,et al.Microfluidic sys-tems for plant root imaging[J].Methods in Cell Biology,2020,160(1):381-404.[22]㊀Denninger P,Reichelt A,Schmidt V A F,et al.DistinctRopGEFs successively drive polarization and outgrowth of roothairs[J].Current Biology,2019,29(11):1854-1865.[23]㊀Meier M,Lucchetta E M,Ismagilov R F.Chemical stimula-158第6期㊀㊀㊀㊀陈登博,等.基于微流控的植物根部-微生物相互作用研究进展。
微流控芯片中的流体流动
这一部分详细阐述了微流控芯片的基本概念、制作材料、加工工艺及表征方法。 这些内容对于理解微流控芯片如何影响流体流动至关重要。
本章节深入讲解了流体静力学、动力学及传热传质的基本原理，特别是在微尺 度下的特殊现象。这些内容对于分析微流控芯片中的流体流动行为具有指导意 义。
此部分详细分析了微流控芯片中流体流动的特性，如层流、湍流、流动可视化 等。同时，还讨论了流体在微通道中的传热、传质及反应动力学等关键问题。
内容摘要
《微流控芯片中的流体流动》一书不仅为科研工作者提供了深入的理论探讨和丰富的实验数据， 也为相关领域的技术人员提供了实用的技术指导和解决方案。相信本书的将推动微流控芯片技术 的进一步发展，为相关领域的研究和应用带来新的突破。
精彩摘录
《微流控芯片中的流体流动》是一本深入探讨微流控技术领域内流体动力学特 性的专著。本书汇集了众多科研人员的智慧与实验数据，为微流控技术的进一 步发展提供了坚实的理论基础和实践指导。以下是从本书中精选的一些精彩摘 录，它们从不同角度展示了微流控技术的魅力与挑战。
本章节聚焦于微流控芯片的设计原则、优化方法及其在实际应用中的考量。作 者通过案例分析，展示了如何根据特定需求设计出高效的微流控芯片。
这一部分详细列举了微流控芯片在生物医学、药物筛选、环境监测等多个领域 的应用案例。通过这些实例，读者可以了解微流控技术的广泛应用前景。
本书的最后一部分展望了微流控技术的未来发展趋势，并指出了当前面临的挑 战和可能的研究方向。这一部分对于微流控技术发展的读者具有重要的参考价 值。
这本书给我留下了深刻的印象，不仅因为它对微流控技术的深入剖析，更因为 它对科学研究的严谨态度和对技术应用的热情。我从中领悟到，科学研究不仅 需要深厚的理论基础，还需要勇于探索和实践的精神。
微流控芯片即时检验技术的应用研究进展
ａ ｕ ｔ ｏ ｉ ｍｍｕ ｎ ｅ ｍｙ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｎ ｉ ａ ｇ ｒ ａ ｖ ｉ ｓ Ｅ Ｊ ］ ． Ｂ ｌ ｏ ｏ ｄ ， ２ ０ ０ ５ ， １ ０ ５ （ ６ ） ： ７ ３ ５ — ７ ４ １ ．
ｔ ｉ ｅ ｎ ｔ ｓ ｗｉ ｔ ｒ ａ ｖ ｉ ｓ ａ ｎｄ ｍｏ ｄ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｓ ｉ ｎ ｆ ｌ ａ ｍｍａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｃ ｙ ｔ ｏ —
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・
综
述 ・
微 流 控 芯 片 即 时检 验 技 术 的 应 用 研 究 进 展
微 型化 和集 成 化 是 当 今 生 物 化 学 分 析 发 展 的重 要 方 向 ， 而 微 流控 芯 片 （ Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｆ ｌ ｕ ｉ ｄ ｉ ｃ ｃ ｈ ｉ ｐ ｓ ） 则 是 其 中 的前 沿 领 域 之 一 。 该 技 术 以微 机 电 加 工 为 依 托 ， 以微 通 道 网 络 为 结 构 特 征 ， 其 目标 是 将 生 化 分 析 等 领 域 中所 涉 及 的 取 样 、 预处 理、 分 离、 混合、 反 应、 检 测 等 操 作 单 元 部 分 或 全 部 集 成 于一 块 几 平方 厘 米 大 小 的 芯 片上 ， 通 过 对 芯 片 微 通 道 网络 内微 流体 的操 控 实 现 常 规 生 化 实 验 室 的各 种 功 能 ， 故 又被 称为芯 片实 验室 （ Ｌ ａ ｂ ｏ ｎ ａ ｃ ｈ ｉ ｐ ） 。 微 流控 芯 片 在 样 品 分 析 方 面 具 有 快 速 、 高 通 量 和 低 消 耗 的 特 点， 同时兼具操作灵活和便 携化 的优势 ， 使 其 在 检 验 医 学 方 面 展 现出巨大 的发 展 潜 力 和 应 用 价 值＿ １ ］ 。 尤 其 在 即 时 检 验 （ Ｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ｏ ｆ ｃ ａ ｒ ｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ， Ｐ ＯＣ Ｔ） 领域 ， 已成 为 其 重 要 发 方 向 ， 受 到
微流控芯片技术及其应用
微流控芯片技术及其在生命科学中的应用摘要：微流控芯片最初起源于分析化学领域，是一种采用精细加工技术，在数平方厘米的基片，制作出微通道网络结构及其它功能单元，以实现集微量样品制备、进样、反应、分离及检测于一体的快速、高效、低耗的微型分析实验装置。
随着微电子及微机械制作技术的不断进步，近年来微流控芯片技术发展迅猛，并开始在化学、生命科学及医学器件等领域发挥重要作用。
本文首先简单介绍了微流控芯片的相关技术，然后主要阐述了其在蛋白质研究、细胞研究、DNA分析和测序、仿生研究等方面的应用。
关键字：微流控芯片，生命科学，应用Abstract: Microfluidic chip technology originated from analytical chemistry, adopts microfabrication technologies to make microchannels on a chip about several square centimeters. The technology can integrate the sample’s injection, separation and detection into a single chip. The advantage of microfluidics is rapid, high efficiency and low consumption. With the progress of microelectronics and other microfabrication techniques, the technology of microfluidic chip developed rapidly recent years, and began to play more and more important roles in chemistry, biology and medical instruments. This artical introduced the related technologies of microfluidic chip, and then mainly expounded its applications in protein research, cell research, DNA analysis and detection, and bionic research.Keywords: microfluidic chip; life science; application前言微流控芯片是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术，具有将生物、化学等实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米芯片上的能力，因此又被成为芯片实验室。
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微流控合成平台分为三个部分：预热+混合+合成 A：微流控通道的示意图 200μm宽 200μm深 两个进口一个出口 B：离子刻蚀通道图片
数值模拟的计算区域：数值模拟的目的就是确定最佳反应混合频率 此处我觉得杨熠同学简单介绍这个图后面会有结合判断条件这个图下面具体计 算公式我不太懂如果大家都不懂我建议略过不然老师提问我们回答会有漏洞
X光衍射图的出峰位置也基本一致 差别还是不大
C是将氧化锌纳米粒 子作为电子传输层的 有机光伏电池在不同 电压下的电流密度
这个地方也是我理解 有偏差的希望大家补 充此处光伏应用部分
区别都在第八张图上 a b 可以看出14天后批零处理系统产生的纳米粒子的透光性明显降低 而且ζ电势也明显降低 在胶体中低电势代表有更大的絮凝倾向
由图就可以看出 5Hz条件下混合程度稳定增大 1.4s完全混合之后 无剧烈波动
这个图可由颜色观察 断面来得出混合程度 的结果 此处就结合了数值模 拟可以看到c中 x=3.0mm即基本混合
其中我们将批量处理作为对比（我觉得图5可以不讲）
看你想怎么讲加入过程
左侧是批量处理 右侧是微流控合成
a b 是透射电镜图 红色圆圈是单独纳米粒子 c d是电子能谱图 最后结果是二者区别不大
在微流控系统中持续合成氧化锌纳米 粒子作用于光伏应用
此项研究描述了一种利用微流控系统合成氧化锌纳米粒子的方法。这种方法 主要依靠于微流控反应器。并且使用数值模拟优化后的脉冲混合方法。我们 可以由数值模拟得到最有效的混合条件是频率在5-15Hz范围内。本实验利用 30mM的氢氧化钠乙醇溶液和10mM的醋酸锌乙醇溶液在5Hz最佳脉冲条件下 反应。同时通过TEM,EDS,XRD,UV/VIS NIR和ζ电势分析来对比微流控合成系统和 分批处理系统合成的氧化锌纳米粒子。我们再利用以氧化锌纳米粒子作为电 子传输层的有机光伏电池来对比二者。结果说明微流控系统合成的氧化锌纳 米粒子有更好的保存性和稳定性，同时具有低耗，环境友好的优点。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ