7.微流控分析系统
微型全分析系统
(8)微流控芯片已开始从进行一般成分分析发展为单分子单细胞分 析。 (9) 微流控芯片已开始从主要为玻璃基质发展玻璃与高分子聚合物 材料并重，尤其在芯片的产业化方面，后者因易于实现批量生产 而将更具备优势。 (10) 微流控理论研究日益受到重视，通道及结构长度的缩小对传 统流体力学提出了新的挑战。通过数学模型的建立及计算机模拟 手段可望大大简化微流控系统的设计。 (11)微流控系统在细胞分类、分析，甚至微生物的培养中，都正 在显示出其独特的优越性，而吸引了众多研究力量的投入。 (12) TAS已开始从基础与应用基础研究阶段进入产业化及市场开 发阶段。商业领域的竞争将日趋激化。
10年？20年？
7.4 微流控分析芯片加工技术
7.4.1 微流控分析芯片的结构和加工特点
微流控分析芯片是通过微细加工技术将微管道、微泵、微阀、微 储液器、微电极、微检测元件，窗口和连接器等功能元件像集成 电路一样，使它们集成在芯片材料(基片)上的微全分析系统。 其结构和加工特点如下： (1)以微管道为网络，将微泵、微阀、微储液器、微电极、微检测 元件等连接在一起，对加入微通道中的流体进行控制与分离测定， 以完成多种分析功能，如采样、稀释、加试剂、反应、分离、检 测等。 (2)微流控分析芯片的面积为几个平方厘米。 (3)微管道宽度和深度为微米级。 (4)芯片材料已从硅片发展到玻璃，石英，有机聚合物等，因此也 发展了有机聚合物材料的加工技术。在传统的光刻和蚀刻的基础 上发展了模塑法，热压法，激光烧蚀法，LIGA技术和软光刻等新 方法。
7.3.3 微型全分析系统的分类
TAS可分为芯片式与非芯片式两大类。芯片式是发展重点。 在芯片式TAS中，依据芯片结构及工作机理又可分为微流控
芯片和微阵列(生物)芯片。它们均依托于MEMS技术，目前又 都主要服务于生命科学，但前者以微通道网络为结构特征，后 者以微探针阵列为结构特征。 微阵列芯片目前的主要应用对象是DNA分析，所以也称为DNA 或基因芯片。其发展要稍微早于微流控芯片，始于1980s，主要 是在生物遗传学领域发展起来的。 微流控芯片主要是在分析化学的学科领域发展起来的，
微流控技术原理
微流控技术原理微流控技术原理：微流控是一种自动控制流体（液体和气体）的新型技术，它涵盖了微米尺度上的流体流动控制。
它将这种技术应用于医疗仪器、分析仪器、生物传感器、微纳技术、化学反应器和医疗信息系统中的流体控制任务，可以有效地提高性能、减少成本、改善可靠性、提高灵活性和可操作性。
微流控技术涵盖了从微米尺度上的流体流动控制到与机械结构元件衔接的流体流动控制，以及多种流体流动控制技术，如气动控制、电子控制、光学控制、热控制、声学控制、光学流量检测和传感系统等。
它使用一种具有一定阻力和消耗特性的控制元件来控制流体的流量和方向，并通过检测元件来检测流体特性，例如流量、压力和温度等。
微流控技术的核心原理是使用一个或多个微小的控制元件（如微型阀门、微型泵、滤芯、流量控制器、温度控制器等）来控制流体流动，以及使用检测元件（如流量传感器、压力传感器、温度传感器等）来检测流体特性。
主要技术可分为以下三大类：（1）微流控系统的气动控制。
气动控制使用空气或气体来控制流体的流量、压力和温度等特性，它使用压力传感器、温度传感器和微型阀门等控制元件来控制流体的流动。
（2）微流控系统的电子控制。
电子控制使用电子控制器来控制流体的流量、压力和温度等特性，它使用电子控制器、温度传感器和微型阀门等控制元件来控制流体的流动。
（3）微流控系统的光学控制。
光学控制使用光学传感器和激光器来控制流体的流量、压力和温度等特性，它使用激光器、光学传感器和微型阀门等控制元件来控制流体的流动。
微流控技术的优势在于它可以在微尺度上控制流体的流动，能够有效地减少流体流动损失，改善流体流动精度，提高流体流动控制的灵活性和可操作性，从而改善医疗仪器、分析仪器、生物传感器、微纳技术、化学反应器和医疗信息系统的性能。
此外，微流控技术也可以更好地实现流体流动的自动化控制，减少人工操作的误差，从而降低成本，提高可靠性和可操作性。
因此，微流控技术是一种改善流体流动控制性能的有效手段，它的应用范围广泛，可以有效地提高性能、降低成本、改善可靠性、提高灵活性和可操作性。
润湿原理的应用
润湿原理的应用润湿原理是指液体在固体表面的扩展现象，也可以理解为液体与固体之间的相互作用力。
润湿现象广泛应用于生活和工业中的各个方面，以下是润湿原理的一些具体应用。
1. 表面润湿和表面张力：润湿现象可以使一些液体在固体表面上形成一层薄膜，这可以改变物体的表面性质。
例如，在纺织品加工中常用的涤纶功能面料采用了纳米级表面处理技术，通过润湿作用可以使面料具有防水、防油、防污等功能。
2. 渗透和分散：润湿原理可以被应用于渗透和分散过程中。
例如，在化妆品中，通过润湿作用可以使乳液或化妆品更容易渗透到皮肤中，提高吸收效果。
在农业领域，通过润湿作用可以促进植物根系对水分和养分的吸收。
3. 润滑：润滑是润湿原理在机械工程中的一个重要应用。
例如，在机械设备中润滑油或润滑脂能够减少机械零件之间的摩擦，降低能量损耗，并延长设备的使用寿命。
4. 涂层和印刷：通过润湿作用可以实现涂层和印刷工艺的精确控制。
在印刷过程中，墨水会通过润湿作用在印刷版与印刷媒介之间形成一层薄膜，从而实现传递。
在涂层过程中，涂料通过润湿作用可以均匀地附着在物体表面上，提供保护和装饰功能。
5. 表面改性：润湿原理可以通过表面改性实现多种功能。
例如，在材料科学领域，通过表面润湿作用可以提高材料的粘附性、耐磨性、耐腐蚀性等性能。
在光学和电子器件制造中，利用润湿现象可以改善材料的光学透明度和电子性能。
6. 微流控系统：微流控系统是一种利用微米级通道和润湿原理来控制微小流体流动的技术。
该技术被广泛应用于生物医学、化学分析和生物化工等领域。
微流控系统可以通过控制流体在不同通道中的润湿程度来实现样品的分离、混合和传感。
总的来说，润湿原理的应用十分广泛，涉及到生活的各个方面，如化妆品、纺织品、涂层和印刷、机械工程、材料科学等。
润湿现象的研究和应用不仅能改善材料的性能，还可以推动科技的发展，并为人们提供更便利、高效和可持续的生活方式。
微型流控系统的研究与应用
微型流控系统的研究与应用章节一：引言微型流控系统是一种以微观流体力学原理为依据，利用微纳米加工技术制备的微流体流控系统。
它具有微流动特性，表现出非传统流体流动特性，如流动运动惯性、压力驱动、粘性力和表面张力等特征，被广泛应用于化学、生物医疗和生物分析等领域。
章节二：微型流控系统的工作原理微型流控系统主要由微通道、微流控芯片、微泵和微阀等组成，可以对微观流体进行定量控制和处理。
微通道能够轻易地控制微量液体的混合和分离，而微泵和微阀则可以实现微液体的输送和分配。
在微型流控系统中，微流控芯片起着至关重要的作用，它能够精确地将微量液体分配到不同的微通道中，以进行定量分析和控制操作。
章节三：微型流控系统的应用3.1 化学领域微型流控系统在化学领域中被广泛应用，主要包括化学反应的加速、化合物的合成、药物的分析和微型反应器的制备等。
与传统的化学方法相比，微型流控系统能够有效地降低反应时间和反应步骤，提高反应效率和精度。
3.2 生物医疗领域微型流控系统在生物医疗领域中的应用主要涉及到微型生物芯片、细胞分析和药物筛选等方面。
通过微型流控系统，能够实现对细胞和生物分子的精确操控，提高细胞的诊断和治疗水平，并可以为精准医疗提供支持。
3.3 生物分析领域微型流控系统在生物分析领域中被广泛应用，涉及到蛋白质分析、基因诊断、生物样品分离和酶反应等方面。
微型流控系统能够高效精准地进行生物分子的分析和诊断，为生物学研究和医学检验提供了新的方法和手段。
章节四：微型流控系统的主要应用案例4.1 微波化学反应器微波化学反应器结合微型流控系统原理，能够实现光催化化学反应的快速、高效和可控性，使得反应时间可缩短至数分钟，反应产物的纯度和收率均得到提高。
4.2 微型细胞分析芯片微型细胞分析芯片可以对细胞进行高通量的单细胞分析和筛选，从而揭示细胞生长、分化、死亡和代谢等过程的分子机制，为细胞学研究提供了新的工具和方法。
4.3 微型蛋白质分析平台微型蛋白质分析平台将微填料柱和酶法检测结合起来，能够快速高效地分析生物样品中的复杂蛋白质体系，为生物分析提供了新的创新技术和方法。
微全分析系统
1la5微全分析系统：基本进展和生物学应用目录：基本原理制造材料结合表面改性化学膜物理膜生物活性膜通道模式样板和模板功能元素流体流动气动控制的蠕动泵直接注射泵无压力输送泵惯性（离心）泵微流控装置流体控制的其他方式微阀微混合梯度形成分析物的浓度和过滤基于液滴微流控元素其他分离检测电泳电导阻抗表面增强拉曼散射（SERS）光学质谱表面等离子体共振（SPR）其他界面接口芯片微流控平台集成装置POC装置数字微流控芯片（DMF)应用液滴微流控芯片应用一般的分析方法和传感蛋白质分析细胞分析细胞计数细胞分离循环肿瘤细胞的铺获（CTCs）无循环细胞和组织的铺获细胞培养细胞分析基因表达分析细胞间相互作用的检测芯片上的器官/组织芯片上的生物体疾病/ 病原体的检测生理机能检测核酸分析法医鉴定药物筛选环境卫生与安全、食品、水检测极端条件结论与展望作者信息相应作者作者简介备注传记感谢参考文献正文：自第一篇关于微全分析系统(μTAS)的论文发表已经超过二十年了，关于这个装置的最初报道，也被称之为实验室芯片（LOC）、微芯片、或者是微流控芯片，通常集中在分离和开发各种功能要素的样品操作与处理。
然而，微全分析系统系统的最大潜力是多元功能集成化，产生样品进结果出的体系。
在过的十年，这种集成装置的发展速度明显增加。
现在许多μTAS的报道关于多个样品处理是十分复杂的而且处理步骤高度集成和自动化。
虽然这些装置目前没有严格的达到样品进结果出的要求，但是也有几个是接近的。
然而发展样品进结果出的体系还有很多障碍需要面对，特别是样品制备、芯片界面接口、检测系统。
除此之外，这还需要在小型化或消除外部射流进一步控制。
μTAS发现在生物学和生物医学分析领域是一个主要切口，尤其是细胞和核酸分析方面。
这种装置的功能主要集中在生物应用应领域，可以精确准确地整合微微升体积的材料还能集成细胞运输，培养，或追踪试剂输送和在芯片上检测。
各种细胞分析体系的发展已经有了很显著的进步。
能源与动力工程专业导论智慧树知到答案章节测试2023年
第一章测试1.从（）于环境温度的空间或物体中吸取热量,并将其转移给环境介质的过程称为制冷。
（）。
A:等 B:不确定 C:高 D:低答案:D2.某些食品原料、经过加工的食品或半成品、特殊的生物制品和药品在经过收购、加工、灭菌、灭活后，在产品加工、贮藏、运输、分销和零售、使用过程中，其各个环节始终处于产品所必需的特定低温环境下，减少损耗，防止污染和变质，以保证产品食品安全、生物安全、药品安全的特殊供应链系统。
该系统称为（）。
（）。
A:冷藏 B:冷链 C:制冷 D:冷冻答案:B3.空气调节主要涉及以下哪些内容。
（）。
A:空气凋节的方式和方法 B:内部空间内、外扰量的计算 C:空气的输送与分配及在干扰量变化时的运行调节D:“空气的各种处理方法(加热、加湿、冷却、千燥及净化等) 答案:ABCD4.物联网冷库是通过工人全天值守冷库，了解冷库运营状态。
（） A:错 B:对答案:A5.通过海水自然冷却技术为数据机房提供全年所需冷负荷的是哪个？（）。
A:微软苏格兰奥克尼群岛海底数据中心 B:宁夏中关村 C:阿里巴巴千岛湖数据中心 D:纽约洛克波特的雅虎数据中心答案:A第二章测试1.微流控芯片的通道特征尺度一般为毫米。
（）。
A:对 B:错答案:B2.微通道内的流动仍然可用NS方程和连续性方程来描述。
（）。
A:错 B:对答案:B3.光流控技术可应用在哪些领域（）。
A:微流泵 B:化学分离 C:液滴操控 D:光学答案:ABCD4.基于黑体多孔材料的太阳能海水淡化蒸馏器通常为双层结构，且保温层兼做输水层。
（） A:对 B:错答案:A5.海水的TDS值区间为（）。
A:6000~ 90000 mg/L B:10000~ 45000 mg/LC:1000~ 10000 mg/L D:45000~ 60000 mg/L 答案:B第三章测试1.氢氧燃料电池具有高达 90%以上的理论转换效率。
（） A:对 B:错答案:A2.对氢能的储存主要有哪些方式。
微纳流体力学仿真与智能微流控系统设计
微纳流体力学仿真与智能微流控系统设计引言微纳流体力学是研究微观尺度下流体行为及其相关现象的学科领域，其应用广泛，涵盖了生物医学、化学分析、能源等多个领域。
在微纳尺度下，流体行为的特性与宏观尺度存在明显差异，因此需要针对微纳尺度下的流体行为进行仿真和研究。
智能微流控系统是利用微纳流体力学原理，通过精确控制微流道中的流体流动，实现样品的分离、混合、反应等操作的系统。
该系统具有高效、快速、精准等特点，可以用于生物医学分析、化学合成、环境监测等领域。
本文将对微纳流体力学仿真与智能微流控系统设计进行详细介绍，包括仿真方法、系统设计原理、应用案例等内容。
微纳流体力学仿真方法微纳流体力学仿真是研究微流道中流体行为的重要手段。
目前常用的微纳流体力学仿真方法主要包括有限元法、边界元法和蒙特卡洛法。
有限元法有限元法是一种常用的数值解法，可以对微纳尺度下的流体行为进行精确的仿真。
它通过将流域划分为有限个小单元，利用有限元法的基本原理，求解流体的速度、压力分布等参数。
边界元法边界元法是一种将边界上的条件转化为数学表达式进行求解的方法。
它通过在流体边界上建立边界元，利用边界元法的基本原理，求解流体的速度、压力等参数。
蒙特卡洛法蒙特卡洛法是一种通过随机抽样来模拟流体行为的方法。
它通过随机生成微观颗粒的位置和速度，利用概率分布函数来求解浓度、压力等参数。
智能微流控系统设计原理智能微流控系统设计是将微纳流体力学仿真的研究成果应用到实际的流控系统中。
其设计原理主要包括微流道设计、外部控制和自动化控制。
微流道设计微流道设计是智能微流控系统的核心，其主要任务是实现流体的分离、混合和反应等操作。
微流道的设计需要考虑流体行为、材料选择、表面处理等因素。
外部控制外部控制是智能微流控系统的关键环节，通过控制外部的压力、温度等参数，实现对微流道中流体的精确控制。
外部控制可以通过电动阀、温控器等设备来实现。
自动化控制自动化控制是将智能微流控系统与计算机等设备进行连接，实现对流体流动过程的自动监控和控制。
微流控系统工作原理
微流控系统工作原理
微流控系统是一种用于控制微小流体的系统，其工作原理包括以下几个方面：
1. 流体操控：微流控系统通过微型流道和微型通道来操控微小流体的流动。
这些微型流道和微型通道的尺寸通常在微米级别，可以对流体进行精确的操控和调节。
2. 流体驱动：微流控系统通常使用压力驱动或电势驱动来推动流体。
压力驱动通常通过微型泵或气动系统来施加压力，从而驱动流体在微流道中流动。
电势驱动则通过电场效应来控制流体的运动。
3. 流体分离：微流控系统可以利用微型流道的分支结构和特殊的表面处理技术来实现流体的分离。
在流体流动到特定位置时，可以通过调整流道的形状或施加特定的电场来将不同的组分分离开来。
4. 流体混合：微流控系统可以实现不同流体的混合，在微流道中通过微型搅拌器或微型混沌结构来促使流体的混合。
这种方式可以实现快速、均匀的混合，对于化学反应、生物分析等应用具有重要意义。
5. 流体检测：微流控系统通常配备微型传感器或探测器来检测流体的特性。
这些传感器可以测量流体的温度、压力、浓度等参数，从而实现对流体的实时监测和控制。
通过以上的原理，微流控系统可以实现对微小流体的精确控制，具有流量精度高、实验操作简化、分析效率提高等优点，广泛应用于生物分析、化学反应、药物筛选等领域。
微流控系统的研究与应用
微流控系统的研究与应用微流控技术是指在微尺度下对流体进行控制和处理的一种技术。
随着微纳技术的进步，微流控技术在生物、医学、化学等领域得到了广泛的应用。
在这些领域中，微流控系统已成为研究和应用的重要手段。
一、微流控系统的基础原理微流控系统的基本结构是一个微通道网络。
通过微加工和微制造技术，将微流通道、微混合器、微泵、微阀门等器件集成在一起，实现对流体的精确操控。
在微流控系统中，流体运动的特点主要由两个因素决定：粘性和惯性。
当流体在微通道中流动时，流体会受到通道表面摩擦力的影响，因此流体呈现出高粘性的特点。
同时，由于流体速度较慢，但流动距离较长，惯性力作用相对微弱。
因此，微流控系统需要考虑这两个因素对流体运动的影响。
二、微流控系统的应用1. 生物医学领域微流控系统在生物医学领域的应用非常广泛，可以用于实验室的分析和诊断。
例如，利用微流控芯片可以对病毒、细菌等微生物进行快速检测和筛选。
此外，还可以利用微流控芯片进行细胞培养和细胞捕获，对肿瘤细胞等研究有重要意义。
2. 化学领域在化学合成中，微流控系统可以实现前处理、反应、分离等多个步骤的集成。
由于微流通道的表面积大，流体与固体之间接触的面积也大，因此可以提高反应的效率和产率，同时可以降低反应所需的溶剂用量。
3. 波动控制领域微流控系统还可以应用于波动控制领域。
由于微流通道在纵向和横向上都有微小的尺寸变化，使得流体在通道中流动时会受到反射、干涉等物理现象的影响，从而形成波动。
利用这个特性，可以实现光、声波的分离和过滤等功能。
三、微流控系统的研究进展1. 微流控芯片的设计和制造微流控芯片的设计和制造是微流控技术研究的重要内容。
微流控芯片的设计需要考虑不同的应用场景和流体特性，同时还要考虑器件的制造和组装难度。
在器件制造过程中，需要采用微加工和微制造技术，例如光刻、电化学加工、激光加工等方式来实现微流通道的制造和组装。
2. 微流控系统的流体力学模拟和优化微流控系统的流体力学模拟和优化是微流控技术研究的另一个重要方向。
6.1 微全分析系统和微流控分析概述
但是单晶硅在介电性、 但是单晶硅在介电性、光透明性及抗腐蚀性等方 面并不能很好地满足化学分析的要求，同时成本 面并不能很好地满足化学分析的要求， 也比较高。 也比较高。石英和玻璃则弥补了单晶硅在电学和 光学性能方面的不足，并且价廉、易得， 光学性能方面的不足，并且价廉、易得，加工技 术与硅片加工技术相似， 术与硅片加工技术相似，也可采用微机电加工技 术中的光刻和蚀刻技术。 术中的光刻和蚀刻技术。应特别指出的是玻璃基 它是一种化学分析和测量容器的传统材料， 材，它是一种化学分析和测量容器的传统材料， 因此很快成为微流控系统的主流基材之一。 因此很快成为微流控系统的主流基材之一。
分离和检测等常规实验室操作集中在平方厘米 级的芯片上完成， 级的芯片上完成，实现化学与生物分析系统的 整体微型化、自动化、集成化与便携化。 整体微型化、自动化、集成化与便携化。微全 分析系统体积的微型化使其分析速度加快， 分析系统体积的微型化使其分析速度加快，自 动化和集成化程度提高。 动化和集成化程度提高。人类基因组计划的提 前完成，即归功于96通道微芯片电泳的运用 通道微芯片电泳的运用； 前完成，即归功于 通道微芯片电泳的运用； 随后发展的384通道的阵列毛细管电泳微芯片， 通道的阵列毛细管电泳微芯片， 随后发展的 通道的阵列毛细管电泳微芯片 使分析通量得到进一步的提高。 使分析通量得到进一步的提高。
高分子材料具有种类繁多，可供选择的余地大， 高分子材料具有种类繁多，可供选择的余地大， 加工成型方便，价格便宜等优点， 加工成型方便，价格便宜等优点，又有很好的透 明性和介电性， 明性和介电性，成为目前除玻璃材料之外的另一 类主要芯片材料， 类主要芯片材料，在一次性芯片的开发中占主导 地位。聚合物材料作为芯片基材需考虑的指标有： 地位。聚合物材料作为芯片基材需考虑的指标有： 良好的光学性质，易加工，对分析物惰性，良好 良好的光学性质，易加工，对分析物惰性， 的电和热特性，易于进行表面修饰和改性。 的电和热特性，易于进行表面修饰和改性。
清华大学微流控分析简介
华成英 hchya@
微流控分析系统的应用选例
3. 微型DNA全分析系统
华成英 hchya@
华成英 hchya@
微流控分析系统的液流驱动和控制
华成英 hchya@
微混合、反应和分离系统
微流控分析系统中，待测物质（或其衍生物）进入检测器前所需的混合、反应、 分离等过程是在芯片的通道网络中完成的。
华成英 hchya@
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微流控分析系统的检测器
2. 电化学检测器 电化学检测是一类常用的分析测试方法。不论何种电化学检测法都采用电 极作为传感器，直接将溶液中待测组分的化学信号转变为电信号。这一传感方式 十分符合微流控分析系统微型化、集成化的要求。
华成英 hchya@
微流控分析系统的检测器
虽然常规流动分析中所用到检测器原则上都可以用于微流控分析，但微流控 分析本身的特殊性对检测器提出了一些特殊的要求，例如，(1).高的灵敏度和信 噪比。(2).响应速度快。(3).体积小，易集成化。 完全满足以上要求的检测器并不多。目前在微流控分析中应用得最多的是激 光诱导荧光检测器，其次是电化学检测器。
4.微流控芯片的微小尺寸使材料消耗甚微。
微流控分析系统的最终目标是通过化学分析设备的微型化与集成化，最大限度 地把分析实验室的功能（如取样、试样预处理、反应、分离、检测、数据处理等） 转移到以微流控分析芯片为核心的便携式分析仪器中。
华成英 hchya@
微流控分析系统的液流驱动和控制
微流控分析
人们沿用微电子工业中加工集成电路的思路，通过微机电加工技术（ Micro electro-mechanical systems, MEMS），在方寸大小的玻璃、硅、石英和高聚物等 材料薄片上，加工出具有一定结构的微细通道网络及其他相关分析器件，形成集成 化的微流控芯片（microfluidic chip），通过控制试样溶液和试剂溶液在芯片通道网 络中的有序流动，完成取样、稀释（浓缩）、反应、分离、检测等化学分析的基本 操作。
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]。
POCT项目管理总体要求
POCT项目管理总体要求一、前言POCT从简单的干化学技术发展到生物芯片、微流控技术，其检测项目覆盖了几乎所有的医学检验领域。
特别是化学、酶、酶免疫、免疫层析、免疫标记、电极、色谱、光谱、生物传感器及光电分析等技术在POCT中的应用，使医学检验在临床和社区医疗中发挥重要的作用。
POCT技术主要包括干化学技术、免疫测定技术、传感器技术、红外和远红外分光光度技术、生物芯片技术、微流控芯片技术等。
1.干化学技术：将一种或多种反应试剂干燥固定在固体载体上（纸片、胶片等），用被测样品中所存在的液体作反应介质，被测成分直接与固化于载体上的干试剂进行呈色反应。
包括：①单层试纸技术：包括单项检测试纸和多项检测试纸。
单项试纸一次只能测1个项目，如血糖检测试纸、血氨检测试纸、尿糖检测试纸等。
而多项检测试纸一次在1条试纸上可同时检测几项、十几项甚至几十项，其技术也要相对复杂一些。
②多层涂覆技术：由多层涂覆技术制成干片，主要包括3层：扩散层、试剂层和支持层。
样品加入干片后首先通过扩散层，样品中的蛋白质、有色金属等干扰成分被扩散层中的吸附剂过滤后，液体成分渗入试剂层进行显色反应，光线通过支持层对反应产物进行比色，以此通过计算机计算样品中待测物质的含量。
此技术目前已被广泛应用于血糖、血尿素氮、血脂血氨及心脏、肝脏等酶学血生化指标的POCT检测。
2.免疫测定技术包括胶体金标记技术（immune colloidal gold technique，GICT）、免疫层析试验（immunochromatoyraphic assay，ICA）技术、斑点金免疫渗滤试验（dot immunogold filtration assay，DIGFA）、上转发光检测技术（UPT）等：（1）胶体金免疫标记技术：氯金酸（HAu1C4）在还原剂作用下，可聚合成一定大小的金颗粒，形成带负电的疏水胶溶液，由于静电作用而成为稳定的胶体状态，故称胶体金。
免疫金标记技术类似酶免疫技术，它是用胶体金标记单克隆抗体，可用于快速检测蛋白质类和多肤类抗原。
微米纳米技术是指研究尺度在微米纳米范围的技术解读
绪论微米纳米技术是指研究尺度在微米纳米范围的技术，包括系统、器件及相应的材料与加工技术。
特点：1．多数微米纳米系统、器件会保持宏观基本性质，这就为大型器件和系统微小型化提供了空间，而微小型化会带来占用空间、能量消耗、材料耗费、应用范围等方面的巨大好处2．一些微米纳米尺度的系统、器件、材料具有宏观不具备的一些特殊性质，产生前所未有的新功能3．在微米纳米尺度上的科学研究还进行得很少，已有研究一般都停留在现象上，有关加工、操作和理论上的研究涉及较少4．理论有别于宏观理论和微观理论，为科学研究留下较大空间5．加工方式特殊6．交叉性和渗透性强7．应用广泛MEMS是将热、光、磁、化学、生物等结构和器件通过微电子工艺及其他微加工工艺加工到芯片上，并通过与电路的集成乃至相互之间的集成组成复杂的微型系统。
特点：1．微小结构。
体积小重量轻2．智能化3．交叉性与渗透性4．具备集成电路的一些特点，如批量化、低成本等纳米技术的分类：纳米电子学、纳米材料、纳米结构、NEMS纳机电系统、纳米操作和纳米制造、纳米结构的检测与表征。
当把微机电系统的特征尺寸缩小到100纳米以下变成了纳机电系统，其特点是尺寸更小、质量更小、更灵敏精确、更低功耗，可用于精密测量，机械结构更高的固有频率，但噪声大，加工难度大。
对社会的影响：新型材料、生物与医学、能源、环境、国土安区和反恐、科学发展微纳米技术的应用微纳力学传感器包括微惯性、压力传感器、应变力传感器、触觉传感器、微麦克风等。
压力传感器把压力转换成电信号输出的传感器，分为绝对压力传感器和差压传感器。
压力传感器应用早且广泛，是目前MEMS最大的市场之一，早期用于汽车发动机的进气管绝对压力（MAP）测量，另一个重要的应用是检测轮胎压力,其他的应用包括血压计、工业控制、环境监测等方面。
微型惯性传感器包括加速度计和陀螺，是利用物体的惯性来测量物体运动情况的一类传感器。
加速度计稳态条件下即已知质量块的位移就可以知道外界的加速度。
微流控系统的建模与仿真分析
微流控系统的建模与仿真分析随着科技的不断发展，微流控技术越来越被广泛应用于生物、医学、化学、环境等领域。
微流控系统的主要特点是通过微型化的通道和微流体控制器将微小的样品和试剂进行精准的混合、分离和检测，具有高效、高通量、高灵敏度的优点。
因此，微流控系统的建模与仿真分析变得越来越重要，可以为工程师和科学家提供较为精确的设计和预测。
I. 微流控系统的模型建立微流控系统的模型建立是利用物理和数学原理，将微流控系统的微小特征转化为数学模型，并用计算机软件进行仿真分析。
微流控系统的模型建立是复杂的过程，需要考虑以下内容：1. 流道的几何特征微流控系统的流道多数采用微纳制造技术制备，其几何形状和尺寸往往不能满足理想条件，需要进行模型化来消除几何尺寸上的影响。
2. 微流体物理学特征微流体的 Reynold 数非常小，想象力为无穷大，因此主要以黏性力为主导。
其特点是流体流动快速，但操作难度加大。
3. 微流控器件的特性微流控器件的特性包括微通道和通道与样品之间的物理和化学作用，如吸附、扩散、界面反应等。
II. 建模方法就微流控系统而言，其建模主要采用以下方法：1. 数值模拟方法数值模拟方法是微流控系统建模的主要方法，主要基于Navier-Stokes 方程进行建模工作。
这种方法能够准确模拟微流控系统中的流场、温度场、质量传递等特性，但其计算复杂度较大，因此需要高性能计算机和优秀的程序开发人员支持。
2. 系统辨识方法系统辨识方法可通过实验数据分析来获取微流控系统的物理特征和研究其动态响应。
通过对系统建模、参数识别和模型预测等环节的整合，可以构建出稳健的微流控系统模型。
III. 典型应用微流控系统的建模与仿真分析可用于以下领域：1. 生物医学领域生物医学领域是微流控系统的重要应用方向之一。
利用微流控系统的特点，可以实现单细胞分离和分析、DNA 芯片检测、蛋白质芯片制备等目标。
研究人员可以利用生物模型，建立相关模型，以研究人体疾病的进展，定位出病原体、制定治疗方案，为临床医学提供较为准确的预测和诊断。
【国家自然科学基金】_微流控系统_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140801
科研热词 推荐指数 微流控芯片 9 芯片毛细管电泳 2 毛细管电泳 2 颗粒负载型流动 1 顺序注射 1 非接触电导检测 1 铜电镀 1 铁 1 评述 1 计算机模拟 1 蛋白质测序 1 蛋白质分离 1 蛋白质/多肽分离 1 萃取 1 芯片电泳 1 芯片实验室 1 综述 1 硅胶整体柱 1 盐酸萘甲唑啉 1 盐酸氯丙嗪 1 盐酸异丙嗪 1 电化学检测 1 甲基丙烯酸丁酯整体柱 1 生化分析仪 1 玻璃芯片 1 激光诱导荧光检测 1 激光诱导荧光 1 激光技术聚合酶链式反应(pcr) 1 滴鼻液 1 溶胶凝胶法 1 湿法刻蚀 1 温度测量 1 温度控制 1 液相传质 1 流式细胞仪 1 流动注射化学发光 1 流体驱动 1 流体控制 1 正交光路检测 1 核磁共振平面微线圈 1 柱后化学发光检测 1 有限元法 1 有限元 1 扩散 1 微阀 1 微细加工微流体物理参数测量与控制 1 微电子机械系统 1 微流控芯片系统 1 微流控芯片分析系统 1 微流控化学芯片 1 微流控分析芯片 1 微流体 1
53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79
微泵 1 53 微超声键合 微机电系统 1 54 微流道 微型全分析系统 1 55 微流控系统 微化工 1 56 微流控生医芯片 微全分析系统 1 57 微流控分析 异烟肼测定 1 58 微流控光学技术 异丙肾上腺素 1 59 微流控二维电泳芯片 布朗动力学 1 60 微机电系统 多巴胺 1 61 微尺度 固相萃取预处理单元 1 62 微型 发光二极管 1 63 导电硅橡胶 分离 1 64 安培检测 光纤 1 65 安培免疫传感芯片 光敏性能 1 66 多孔硅 光敏微晶玻璃 1 67 基本结构 元胞自动机 1 68 双重折射 信噪比 1 69 双电层 亲和膜 1 70 原理 二维芯片电泳 1 71 分离芯片 乳酸,微流控芯片,片上混合,光纤检测,微电子机械系统(mems) 1 72 分析化学实验室 su-8 1 73 分子水平 pc12细胞 1 74 光诱导介电泳 opengl三维成像 1 75 光学体视显微镜(slm) mems 1 76 传感器 ito薄膜玻璃 1 77 介质上电润湿 edman降解 1 78 介电电泳芯片 dna 1 79 介电极化机理 80 亲水性 81 主动微混合器 82 临床诊断 83 hivg p36 84 hiv-p24 85 hiv p24 86 dna分析系统
微流控系统和FACS的区别
微流控系统和FACS（流式细胞仪）的区别筛选技术的类型•微流控系统是一种被动式的筛选技术，不需要外部的能量或场源，而FACS是一种主动式的筛选技术，需要外部的光源或电源。
•被动式的筛选技术是指利用细胞或颗粒本身的物理特性，如尺寸、形状、密度、电荷等，来实现分离和分选的技术。
主动式的筛选技术是指利用外部施加的能量或场源，如光、电、磁、声等，来改变细胞或颗粒的状态或运动轨迹，从而实现分离和分选的技术。
筛选技术的标记•微流控系统是一种基于尺寸或形状的筛选技术，不需要对细胞进行标记，而FACS是一种基于荧光或散射的筛选技术，需要对细胞进行标记。
•标记是指将特定的物质或结构与细胞或颗粒结合，以增强其可检测性或可识别性的过程。
标记可以是化学的、生物学的、物理学的等。
标记可以提高筛选的灵敏度和特异性，但也会增加筛选的复杂度和成本，以及可能影响细胞的活性和功能。
筛选技术的模式•微流控系统是一种连续式的筛选技术，可以实现高通量和高速度的筛选，而FACS是一种离散式的筛选技术，需要对每个细胞进行单独的分析和排序。
•连续式的筛选技术是指将细胞样本作为一个整体进行处理和输出的技术。
离散式的筛选技术是指将细胞样本分成单个的细胞进行处理和输出的技术。
连续式的筛选技术可以提高筛选的效率和质量，但也会降低筛选的分辨率和灵活性。
筛选技术的规模•微流控系统是一种微型化和集成化的筛选技术，可以实现芯片实验室（Lab on a Chip）的概念，而FACS是一种大型化和复杂化的筛选技术，需要专业的设备和操作人员。
•微型化和集成化是指将传统实验室中所需的多种功能和元件缩小到微米级尺寸，并集成到一个单一平台上（如芯片）的过程。
大型化和复杂化是指将传统实验室中所需的多种功能和元件扩大到厘米级或米级尺寸，并分布在多个平台上（如仪器）的过程。
微型化和集成化可以降低筛选所需的样本量、试剂量、时间、空间和成本，但也会增加筛选所需的精密度、稳定性和可靠性。
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微渗析芯片分离具有如下特点
•渗析速度快、效率高 •试样消耗量少 •在密闭的系统中进行可降低试样的污染 •在复杂生物试样分析时，经芯片微渗析分离后， 不仅可消除来自小分子量组分如盐的干扰，同时 也可消除来自大分子量组分的干扰。
试样的两次渗析
废液 试样 入口
高分子量 截止膜
电喷雾头 低分子量 截止膜
Extraction process
1 min 2 min 3 min 4 min 5 min 6 min 7 min 8 min 9 min 10 min
11 min
12 min
13 min
14 min
15 min
– Extraction time: 15~20 min
– Concentration factor: 500~2000 – Sample consumption: 7.5 L – RSD: 7.4% (n=3) – Linear range: 107~ 8107M
• 相转移催化反应已广泛应用于提高烷基 化反应、亲核取代、消除、缩合、加成、 偶联、霍夫曼降解等反应的反应速度。 以往相转移催化反应在玻璃容器内反应， 反应物和产物在两相间的传质主要通过 搅拌来实现,用其他方法来提高水相和有 机相的接触面积，从而提高相转移反应 速率和转化率尚稀见报道。
由于微流动反应器中微通道宽度和深度比较小， 一般为几十到几百微米，它具有常规玻璃反应容 器所没有的特点，如短的分子扩散距离，大的比 表面积，小的热容量等等,有利于高效的传质和传 热, 同时可以避免在常规的玻璃容器里反应物的 混合不均匀而引起副反应和局部过热等缺点,因此 自1997年H.Salimi－Moosavi发表了首篇在微流动 反应器中合成化合物的文献后，微流动反应器已 成功地用于多种有机反应，并展示了广泛的应用 前景。
散热性能与结构尺寸的关系
T = Qd2 / 16K
T，温差；Q，单位体积发热量；d, 结构内径；
K, 介质导热系数
分子扩散时间与通道尺寸的关系
球形粒子，分子扩散通过 L 距离所需时间T 为：
T = L2/D
D 为扩散系数
D = RT/(3Nd)
R=8.31107，N=6.021023，T 绝对温度， 粘度，d 粒子直径
渗析缓冲液 出口
渗析缓冲液 入口
微流控芯片毛细管电泳系统
检测器 激光光源
试样
对微流控系统的检测器的要求
•更高的灵敏度和信噪比 •更快的响应速度 •特殊的结构 •多重平行检测功能 •适于便携 •低成本
微流控光学检测器 微型化集成化的主要技术途径
半导体激光器
发光二极管
光电二极管及雪崩二极管
光纤技术
流速对转化率的影响
芯片毛细管电泳
微流程控芯片和高压电源、光学或电化学检测器 等组合在一起, 形成芯片毛细管电泳分离分析系统
微流控芯片毛细管电泳系统
检测器 激光光源
试样
芯片毛细管电泳的特点
以电场作为流体的驱动力，通过调节场强的 大小、方向可方便地实现小体积（pL~nL）进样、 分离等操作,符合微型化、集成化、自动化的发 展要求。 由于玻璃等芯片具有较好的散热性能，电泳 分离时产生的焦耳热能得到有效的散发，因此可 以在通道中施加常规毛细管电泳难以达到的高场 强（如2500 V/cm），结合小体积进样的功能， 实现高速、高效（106塔板数/秒）的分离。
用注射泵在A口加入苯甲醛、丙酮和乙 醇的混合溶液，在B口加入0.5mol/L氢 氧化钠，在C口收集产品并用乙醚 萃取后，用GC－MS分析测试不同条件 下苯甲醛的转化率
芯片有比较大的比表面积，一般为10000－50000m2/m3，而 传统的玻璃容器需搅拌来提高接触面积。芯片上大的比表 面积和相接触表面积，使反应时间缩短，增加了转化率。
波导技术
MEMS 技术
小型半导体激光诱导荧光检测器
检测器
芯片上的液芯波导技术
采用芯片上涂布Teflon AF的方法建立 液芯波导( Liquid core waveguide, LCW )系统.
Phe Ala
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.0 0.5 1.0 Time (min) 1.5 2.0 2.5
Leu Arg FITC Asn Val Gly Glu Asp
φX174-Hae Ⅲ DNA digest （ 2.5μg/ml ） 聚碳酸酯芯片CE-LIF ，通道宽110μm,长 5.5 cm
分离条件：筛分介质 2%HPMC, pH 8.2, 场强145.5 V/cm, 分离距离 3 cm
分离的重现性
芯片毛细管电色谱
毛细管电色谱是在毛细管中填充或在毛细 管内壁中涂渍、键合色谱固定相，利用电渗 流或电渗流结合压力流推动流动相，根据组 分在固定相和流动相间分配系数的不同及电 泳速率的差异使试样中各组分得以分离的一 种微柱液相色谱法。
目标： 借助微机电加工（MEMS）技术与生物技术实 现化学分析系统从试样处理到检测的整体微 型化、集成化与便携化。
微流控分析芯片
Microfluidic Chips 微型全分析系统 (TAS) 或芯片实验室 (LabChip)的 主要组成部分和发展前沿
微流控分析芯片的特点
• 网络结构 •分析功能齐全 •分 离测定 速 度快 - 传热 和 传质 与 d2 成反比 。 - 通道短，场强高，分离快。 •试样与试剂消耗已降低到数微升水平 •分析成本低, 环境污染少 •层流流动，易于控制与利用 - 雷诺数与 d 成正比，为1-200，大大低于湍流 2000 限值。 •易制成功能齐全的便携式仪器，可用于各类现 场分析.
105 90
a
b
conversion (%)
75 60 45 30 15 0 2
c
4 6 8 10 12 14 16 reaction time (min)
反应时间对转化率的影响
不同直径微管道中的流型
96
93
转 化率（ ％）
90
87
84
81
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
流 速（ μ L/min）
渗析分离
//////
•渗析也称透析，是离子或小分子从半透膜的一侧 液相转入另一侧液相
•主要是用于诸如蛋白质、激素以及酶这一类物质 的浓缩、脱盐和纯化。 •起到区分作用的是选择性薄膜
•相转移的推动力是膜两侧中组分的浓度梯度。
•传统的渗析方法通常需数小时甚至数十小时才能 达到膜两侧溶液中离子或分子的平衡，而且所需 试样用量大，对于量小的生物试样处理尤为困难 。
芯片毛细管电色谱的特点
•以平头流型的电渗流代替了普通色谱 的抛物线型压力流，因而具有高柱效 特点
•使用固定相，又具有HPLC高选择性 的特点。因此它既能分离带电物质又 能分离中性物质。
芯片毛细管电色谱柱的制备
横向过滤的微加工过滤器
微流控芯片中的萃取分离
影响萃取效率的主要因素
扩散距离 在微流控萃取中，萃取时间即为扩散时间。 扩散距离愈小，扩散时间愈短，即萃取愈快。 反应速度 要求亲水性待测组分能在两相界面快速地 转化为疏水性物质而进入有机相。 流速 当流速较慢或停流时，金属离子可有效地从 水相被萃取进入有机相。 比表面大小 比表面越大，萃取速度越快，效率越高。
利用雷诺数Re的数值大小可以判断流体 的流动形态
d c
为液体的密度； 为流速；
dc为管径；
为流体的粘度
通常Re2000时，液体流动表现为层流； Re4000时，液体流动表现为湍流； 2000 Re4000时为过渡流，属不稳定流
微流控芯片中的分子扩散
流体中的溶质和不溶性微粒可通过分子扩散 在两相之间转移。对于球形粒子
D=Co/Caq
Co = D Caq
在层流萃取中,由于Caq 不断下降,,使Co 有一定 的限度.
Liquid-liquid extraction by trapped droplet approach
Microcavity dimensions: 15010025 m (~400 pL) Extraction system: water-hexanol Sample: butyl rhodamine B Drive: gravity Detection system: laser induced florescence (=488nm)
Your Lab just got
Faster! Smarter! Smaller!
Agilent 2100 Bioanalyzer
Agilent 2100 Bioanalyzer
Caliper DNA LabChip
芯片毛细管电泳
氨基酸分离结果记录图
5.0 4.5 4.0
LIF response (arb.)
Micronics H-Filter TM
- Micro separation and extraction device
Particle
separation by size and molecular weight Removal of large particles from solution Blood cell removal Artificial kidney
集成多相层流分离和钾离子选择电极
检测的微流控芯片
C D
A M
B
F
ISE
E
(a)
(b)
在微流控芯片上进行Claisen缩合反应
苯甲醛和丙酮为原料合成苄叉丙酮
Org. starting material O CH CH CH O C CH3
Aq.
starting material
O CH + O H3C C CH3 + OH CH CH O _ C CH3 + H2O + OH