미세유체학

Microfluidics

미세유체학은 표면력이 체적력을 지배하는 작은 크기(일반적으로 밀리미터 미만)로 기하학적으로 구속된 유체의 동작, 정밀 제어 및 조작을 말합니다.그것은 공학, 물리학, 화학, 생화학, 나노기술, 생명공학과 관련된 다원적 분야이다.멀티플렉싱, 자동화 및 높은 스루풋 스크리닝을 실현하기 위해 적은 양의 유체를 처리하는 시스템 설계에 실용적으로 적용됩니다.마이크로 유체 공학은 1980년대 초에 등장하여 잉크젯 프린트 헤드, DNA 칩, 랩 온 칩 기술, 마이크로 추진 및 마이크로 열 기술 개발에 사용됩니다.

일반적으로 마이크로란 다음 기능 중 하나를 의미합니다.

  • 소량(μL, nL, pL, fL)
  • 스몰 사이즈
  • 저소비 전력
  • 마이크로 도메인 효과

일반적으로 미세 유체 시스템은 유체를 운반, 혼합, 분리 또는 처리합니다.다양한 용도는 모세관 흐름 수정 요소의 형태로 흐름 저항 및 흐름 가속기와 유사한 모세관 힘을 이용한 수동적 유체 제어에 의존합니다.일부 어플리케이션에서는 미디어의 다이렉트 트랜스포트용으로 외부작동수단을 추가로 사용한다.예를 들어 패시브 칩의 유체 이송에 원심력을 가하는 회전 드라이브가 있습니다.능동형 미세유체학이란 마이크로펌프나 마이크로밸브와 같은 능동형(마이크로) 구성 요소에 의해 작동 유체의 정의된 조작을 말합니다.마이크로펌프는 연속적인 방식으로 유체를 공급하거나 투여에 사용됩니다.마이크로밸브는 펌핑된 액체의 흐름 방향 또는 이동 모드를 결정합니다.일반적으로 연구실에서 수행되는 공정은 단일 칩으로 소형화되어 효율성과 이동성이 향상되고 샘플 및 시약 부피가 감소하는 경우가 많습니다.

유체의 마이크로스케일 거동

실리콘 고무 및 유리 미세 유체 장치.상단: 장치 사진.하단:15μm 폭의 사행 채널의 위상 대비 마이크로그래프.

마이크로스케일에서의 유체 동작은 표면 장력, 에너지 소산 및 유체 저항이 시스템을 지배하기 시작하는 것과 같은 요소에서 "대규모 유체" 동작과 다를 수 있습니다.미세유체학은 이러한 행동들이 어떻게 변화하는지, 그리고 어떻게 이러한 행동들이 새로운 [1][2][3][4][5]용도로 활용되거나 활용될 수 있는지를 연구합니다.

작은 스케일(채널 크기 약 100~500마이크로미터)에서는 흥미롭고 때로는 의도적이지 않은 특성이 나타납니다.특히 레이놀즈 수(유체의 운동량과 점도의 효과를 비교하는 수)는 매우 낮아질 수 있습니다.중요한 결과는 흐름이 난류가 아닌 층층이 되기 때문에 공류 유체가 반드시 전통적인 의미에서 혼합되지 않는다는 것입니다. 이들 사이의 분자 수송은 종종 [6]확산을 통해 이루어져야 합니다.

화학적, 물리적 특성(농도, pH, 온도, 전단력 등)의 높은 특이성도 보장될 수 있어 단일 및 다단계 [7][8]반응에서 보다 균일한 반응 조건과 더 높은 등급의 생성물을 얻을 수 있다.

다양한 종류의 미세 유체 흐름

미세유체 흐름은 기하학적 길이 척도로만 제한하면 됩니다. 이러한 기하학적 제약을 달성하기 위해 사용되는 양식과 방법은 대상 애플리케이션에 [9]크게 의존합니다.기존에는 채널 단면이 10μm x 10μm인 폐쇄 채널 내에서 미세 유체 흐름이 생성되었습니다.이러한 방법에는 각각 몇 년 동안 숙성된 견고한 유체 흐름을 유지하기 위한 관련 기술이 있습니다.

오픈 마이크로유체학

개방된 마이크로 채널에서 유체의 거동과 그 제어는 2005년경 개척되어 공기-액체 샘플 채취 및 크로마토그래피에 [13]적용되었다.개방형 미세유체학에서는 시스템의 적어도 하나의 경계를 제거하여 유체를 공기 또는 다른 인터페이스(액체)[14][15][16]에 노출시킨다.개방형 미세유체학의 장점은 개입을 위해 흐르는 액체에 대한 접근성, 더 큰 액체가스 표면적 및 기포 [14][16][17]형성을 최소화하는 것입니다.개방형 미세 유체 공학의 또 다른 장점은 표면 장력으로 구동되는 유체 흐름과 개방 시스템을 통합할 수 있다는 것입니다. 따라서 연동 펌프나 주사기 [18]펌프와 같은 외부 펌핑 방법이 필요하지 않습니다.오픈 마이크로 유체 소자 또한 밀링, 열성형 및 핫 엠보싱으로 [19][20][21][22]제작하기 쉽고 저렴합니다.또한 개방형 미세 유체 공학으로 장치 커버를 접착하거나 접착할 필요가 없어 모세관 흐름에 해가 될 수 있습니다.오픈 마이크로유체학에는 오픈채널 마이크로유체학, 레일 기반 마이크로유체학, 종이 기반 및 스레드 기반 마이크로유체학 [14][18][23]등이 있습니다.개방 시스템의 단점으로는 증발,[24][25] 오염 및 유량 [16]제한이 있습니다.

연속 흐름 마이크로유체학

연속 흐름 미세 유체 공학은 주로 모세관 [26]요소의 유체 흐름을 가속화하거나 방해함으로써 좁은 채널 또는 다공질 매체를 통과하는 정상 상태의 액체 흐름을 제어합니다.종이 기반의 미세유체학에서는 단면 형상의 단순한 변화를 통해 모세관 요소를 달성할 수 있다.일반적으로 액체 흐름의 작동은 외부 압력원, 외부 기계 펌프, 통합 기계 마이크로 펌프 또는 모세관 힘과 전기 운동 [27][28]메커니즘의 조합에 의해 구현된다.연속 흐름 미세 유체 작동은 구현이 쉽고 단백질 오염 문제에 덜 민감하기 때문에 주류 접근법입니다.연속 흐름 장치는 잘 정의되고 단순한 많은 생화학적 응용 프로그램 및 화학적 분리 등의 특정 작업에 적합하지만 높은 수준의 유연성이나 유체 조작이 필요한 작업에는 적합하지 않다.이러한 폐쇄 채널 시스템은 본질적으로 통합과 확장이 어렵습니다. 왜냐하면 흐름장을 제어하는 파라미터가 흐름 경로를 따라 다르므로 시스템 전체의 특성에 따라 유체가 어느 한 위치에서 흐르기 때문입니다.또한 영구적으로 식각된 미세구조는 재구성성이 제한되고 내결함성이 저하됩니다.설계 작업을 완화하고 확장성 [29]문제를 해결하기 위해 연속 흐름 미세 유체 공학에 대한 컴퓨터 지원 설계 자동화 접근법이 최근 몇 년 동안 제안되었습니다.

마이크로 유체 센서

연속 흐름 시스템의 프로세스 모니터링 기능은 나노리터 범위까지 분해능을 제공하는 MEMS 기술을 기반으로 한 매우 민감한 미세 유체 유량 센서를 통해 달성할 수 있습니다.

액체 기반 미세 유체 소자

플로우 포커스 마이크로유체 디바이스에서의 마이크로버블 핀치오프 형성을 보여주는 높은 프레임레이트 비디오
주요 기사:액체 기반 미세 유체 소자

액체 기반 미세유체학은 연속적인 미세유체학과는 대조적으로 미세유체학의 하위 범주이다. 액체 기반 미세유체학은 낮은 레이놀즈 수 및 층류 방식으로 불용성 단계에서 개별 부피의 유체를 조작한다.액체 기반 미세 유체 공학 시스템에 대한 관심은 지난 수십 년 동안 상당히 증가해 왔습니다.마이크로드롭릿을 사용하면 작은 부피(μl ~ fl)의 유체를 편리하게 취급할 수 있으며 혼합, 캡슐화, 정렬 및 감지가 용이하며 높은 처리량 실험에도 적합합니다.[31]액체 기반의 미세유체학(microfluidics)의 이점을 효율적으로 활용하려면 액체 처리,[35] 액체 정렬,[36] 액체 [37]병합 및 액체 [38]분할 등의 다양한 논리[33][34] 연산을 수행하기 위해 액체 생성에 대한 깊은 이해가 필요합니다.

디지털 마이크로 유체 공학

주요 기사:디지털 마이크로 유체 공학

상기의 폐쇄채널 연속유동시스템에 대한 대안은 새로운 개방구조를 포함한다.여기서 이산적이고 독립적으로 제어 가능한 물방울은 일렉트로웨팅을 사용하여 기판상에서 조작된다.디지털 마이크로일렉트로닉스(Digital MicroElectronics)의 유추에 따라 이 접근방식을 디지털 마이크로유체학이라고 합니다.Le Pesant et al.[39]은 디지털 트랙에서 물방울을 이동시키기 위해 전기 모세혈관의 힘을 사용한 선구자이다.사이토닉스가[40] 개척한 유체 트랜지스터도 한몫했다.그 기술은 그 후 듀크 대학에 의해 상용화 되었다.개별 단위 부피 [32]방울을 사용함으로써 미세 유체 함수를 반복 기본 동작 세트, 즉 하나의 단위 유체를 하나의 단위 거리에 걸쳐 이동하는 세트로 줄일 수 있다.이 "소화" 방법은 미세 유체 바이오 칩 설계를 위한 계층적 및 세포 기반 접근법의 사용을 용이하게 한다.따라서 디지털 마이크로 유체 공학은 높은 내결함성 기능뿐만 아니라 유연하고 확장 가능한 시스템 아키텍처를 제공합니다.게다가 각 액적은 독립적으로 제어될 수 있기 때문에 이들 시스템은 동적 재구성성도 가지고 있으며, 이를 통해 마이크로 유체 어레이 내의 단위 셀 그룹을 재구성하여 생물 분석 세트를 동시에 실행하는 동안 그 기능을 변경할 수 있다.물방울은 제한된 미세 유체 채널에서 조작되지만, 물방울에 대한 제어는 독립적이지 않기 때문에 "디지털 미세 유체학"으로 혼동해서는 안 됩니다.디지털 마이크로유체학에서 일반적인 작동 방법 중 하나는 유전체 전기 설정(EWOD)[41]입니다.일렉트로웨팅을 이용한 디지털 마이크로유체학 패러다임에서는 많은 랩온어칩 애플리케이션이 입증되었습니다.그러나 최근에는 자기력,[42] 표면 탄성파,[43] 광전계, 기계적 [44]작동 등을 이용한 액체 조작에 대한 다른 기술도 입증되었다.

종이 기반 미세 유체 공학

주요 기사: 종이 기반 마이크로 유체 공학

종이 기반의 마이크로 유체 장치는 휴대성이 뛰어나고 저렴하며 사용자 친화적인 의료 진단 [45]시스템의 성장하는 틈새를 메우고 있습니다.종이 기반 미세 유체 공학은 다공질 [46]매체에서 모세관 침투 현상에 의존합니다.종이 등의 다공질 기판에서의 유체투과성을 2차원 및 3차원으로 조정하기 위해 액체의 점도와 증발률이 더욱 중요한 역할을 하면서 미세유체장치의 세공구조, 습윤성 및 형상을 제어할 수 있다.그러한 많은 장치들은 친수성 종이 위에 생물학적 반응이 [47]일어나는 출구로 수용액을 수동적으로 운반하는 소수성 장벽을 특징으로 한다.종이 기반의 마이크로 유체 공학은 고도의 의료 진단 도구에 액세스할 [48]수 없는 원격 환경에서 사용되는 휴대용 POS(Point-of-Care) 바이오 센서로 간주됩니다.현재 응용 프로그램에는 휴대용 포도당[49] 검출 및 환경 [50]테스트가 포함되어 있으며, 고급 의료 진단 도구가 없는 영역에 도달하기를 희망합니다.

입자 검출 미세 유체학

상당한 학술적 노력과 상업적 노력이 있었던 응용 분야 중 하나는 유체 내 입자 검출 분야입니다.직경 약 1μm 이하의 작은 유체 매개 입자의 입자 검출은 일반적으로 콜터 카운터를 사용하여 이루어집니다.콜터 카운터는 염수 등의 약전도성 유체가 작은 구멍(직경 약 100μm)을 통과할 때 전기 신호가 생성되므로 전기 신호는 th에 정비례하는 전기 신호가 생성됩니다.e 모공 부피에 대한 입자 부피의 비율.이 배경의 물리학은 드블루스와 [51]빈의 고전적인 논문에 기술되어 있는 비교적 간단하며, Coulter의 최초 [52]특허에서 최초로 기술된 구현에 대해서도 설명하고 있습니다.표준 혈액 분석을 위해 적혈구(적혈구[wiki])와 백혈구(백혈구)의 크기와 계산에 사용되는 방법이다.이 방법의 총칭은 저항성 펄스 센싱(RPS)입니다.콜터 카운팅은 상표 용어입니다.그러나 직경 1μm 미만의 입자에 대해서는 신호 대 잡음비가 주로 분석물이 통과하는 모공의 크기와 1단 증폭기의 입력 노이즈에 의해 설정되는 신뢰할 수 있는 검출 한계 이하로 떨어지기 때문에 RPS 방법은 잘 작동하지 않습니다.

기존 RPS Coolter 카운터의 모공 크기 제한은 모공을 만드는 데 사용되는 방법에 따라 설정됩니다. 모공은 기업 비밀이지만 전통적인 기계적 방법을 사용하는 경우가 많습니다[according to whom?].여기서 미세유체학이 영향을 미칠 수 있습니다.리소그래피 기반 미세 유체 장치 생산 또는 성형 공정을 사용하여 미세 유체 장치를 만들기 위한 재사용 가능한 금형 생산은 기존 기계보다 훨씬 작은 크기로 제한됩니다.1μm 이하의 임계 치수는 간단하게 제작할 수 있습니다.또, 약간의 노력과 코스트를 들이면, 100 nm 미만의 피쳐 사이즈를 확실히 패턴화할 수 있습니다.이를 통해 미세 유체 회로에 통합된 모공을 저렴하게 제작할 수 있으며, 모공 직경이 100nm의 크기에 도달하고 최소 입자 직경이 몇 가지 크기만큼 감소합니다.

그 결과, 이 테크놀로지의 상용화에 수반해, 미량 유체 입자의 계측과 사이징의 대학 베이스의 개발이 행해지고 있습니다.이 방법은 마이크로 유체 저항 펄스 감지(MRPS)라고 불립니다.

마이크로유체보조자기영동

미세 유체 장치에 대한 응용의 한 가지 주요 영역은 다양한 유체 또는 세포 유형을 분리 및 분류하는 것입니다.미세유체학 분야의 최근 발전은 미세유체 소자와 자기장의 [63]입자 이동이라는 자기영동과의 통합을 보여 왔다.이는 최소 하나의 자기 구성 요소를 포함하는 유체를 채널의 길이에 따라 자석이 배치된 마이크로 유체 채널을 통해 전송함으로써 달성할 수 있습니다.그러면 마이크로 유체 채널 내에 자기 활성 물질을 끌어당기는 자기장이 생성되어 유체의 자기 성분과 비자성 성분이 효과적으로 분리됩니다.이 기술은 수중에 있는 유체에 이미 자기 활성 물질이 포함되어 있는 산업 환경에서 쉽게 사용할 수 있습니다.예를 들어, 소수의 금속 불순물은 특정 소모성 액체, 즉 우유와 다른 [64]유제품에서 발견될 수 있습니다.편리하게도, 우유의 경우, 이러한 금속 오염물질 중 많은 것들이 상사성(carmagnetic)을 보인다.따라서 포장 전에 우유는 금속 오염 물질을 제거하기 위한 수단으로 자기 구배가 있는 채널을 통해 흐를 수 있습니다.

마이크로유체 보조 자기영동의 더 연구 지향적인 응용은 수없이 많고 일반적으로 세포 분리를 목표로 한다.이 작업을 수행하는 일반적인 방법에는 몇 가지 단계가 포함됩니다.우선, 대상 세포 유형을 목표로 하는 상사성 물질(일반적으로 미소/나노 입자 또는 상사성 유체)[65]이 기능화되어야 한다.이는 관심 세포 유형에 고유한 막 통과 단백질을 식별하고 그 후 상보적인 항원 또는 [64][66][67][68][69]항체로 자분자를 기능화함으로써 달성될 수 있다.일단 자성 입자가 기능하게 되면, 그들은 오직 관심 세포에만 결합하는 세포 혼합물에 분산됩니다.생성된 세포/입자 혼합물은 자기장이 있는 미세 유체 장치를 통해 흐를 수 있으며 나머지 세포와 대상 세포를 분리할 수 있습니다.

반대로 마이크로액적 또는 플러그 내의 효율적인 혼합을 촉진하기 위해 마이크로유체 보조 자기영동을 사용할 수 있다.이를 위해 마이크로드롭에 상사성 나노입자를 주입하고 빠르게 교류하는 자기장을 통과하는 직선 채널을 통해 흐른다.이로 인해 자분들이 물방울 안에서 빠르게 좌우로 밀려나 마이크로 물방울의 [68]내용물이 혼합됩니다.이것에 의해, 종래의 채널 베이스의 드롭렛 혼합에 필요한 번거로운 엔지니어링상의 고려사항이 불필요하게 됩니다.또한 다른 연구들은 라벨이 없는 세포 분리가 상자성 유체 안에 세포를 부유시키고 자기-아키메데스 [70][71]효과를 이용하여 가능할 수 있다는 것을 보여주었다.이것은 입자 기능화의 복잡성을 없애지만, 자기-아키메데스 현상과 이를 위해 어떻게 사용될 수 있는지를 완전히 이해하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다.이 목록은 미세 유체 보조 자기 영동의 다양한 응용 분야를 망라한 목록이 아닙니다. 위의 예는 현재와 미래의 응용 분야 모두에서 이 분리 기술의 다용성을 강조할 뿐입니다.

주요 응용 프로그램 영역

마이크로 유체 구조에는 마이크로 공압 시스템, 즉 오프 칩 유체(액체 펌프, 가스 밸브 등) 취급을 위한 마이크로 시스템 및 나노리터(nl) 및 피콜리터(pl) [72]부피의 온칩 취급을 위한 마이크로 유체 구조가 포함된다.지금까지 마이크로유체학의 가장 성공적인 상용 응용 분야는 잉크젯 프린트헤드입니다.[73]또한 마이크로 유체 제조의 진보는 제조업체가 저비용[74] 플라스틱으로 장치를 생산하고 부품 [75]품질을 자동으로 검증할 수 있음을 의미합니다.

미세유체학 기술의 발전은 효소 분석(예: 포도당 및 젖산 측정), DNA 분석(예: 중합효소 연쇄 반응 및 높은 처리량 배열), 단백질학 및 화학 [26][76]합성을 위한 분자 생물학 절차를 혁신하고 있습니다.마이크로유체 바이오칩의 기본 개념은 검체 전처리 및 검체 준비뿐만 아니라 검출과 같은 검사 작업을 하나의 [77][78]칩에 통합하는 것입니다.

바이오칩의 새로운 응용 분야는 임상 병리학, 특히 질병의 즉각적인 [79]관리 시점 진단입니다.또한, 마이크로 유체 공학 기반 장치는 생화학 독소 및 기타 위험한 [80]병원체에 대한 공기/물 샘플의 지속적인 샘플링과 실시간 테스트가 가능하며, 조기 경고를 위한 상시 "바이오 연기 경보" 역할을 할 수 있습니다.

마이크로 유체 기술은 생물학자들이 완전한 세포 환경을 제어할 수 있는 강력한 도구의 창조로 이어졌고, 새로운 의문과 발견으로 이어졌습니다.이 테크놀로지의 미생물 테크놀로지의 다양한 장점은 다음과 같습니다.

  • 성장을 포함한 일반적인 단세포 연구
  • 세포 노화: "어머니 기계"와 같은 미세 유체 장치는 수천 개의 개별 세포를 죽을 때까지 여러 세대에 걸쳐 추적할 수 있습니다.
  • 미세환경제어 : 기계환경에서 화학환경까지 다양
  • 단일 장치에 여러 개의 화학 입력을 통합하여 정확한 시공간 농도 변화
  • 부착 세포 또는 제한 염색체의 힘 측정: 마이크로 유체 장치에 갇힌 물체는 광학 핀셋 또는 기타 힘 생성 방법을 사용하여 직접 조작할 수 있습니다.
  • 스토크스 플로우, 광핀위저 또는 PDMS(Polydimethylsiloxane) 장치의 제어된 변형과 같은 외부력 발생 방법과 결합하여 셀을 가두고 제어된 힘을 발휘합니다.
  • 전계 적분
  • 칩에 심고 조직 배양
  • 항생제 내성: 미세 유체 장치는 미생물의 이종 환경으로 사용될 수 있습니다.이기종 환경에서는 미생물이 진화하기 쉽습니다.이것은 미생물의 진화 속도를 테스트하는 데/ 항생제 내성의 발달을 테스트하는 데 유용할 수 있다.

이러한 영역의 일부는 다음 섹션에서 자세히 설명합니다.

DNA칩(마이크로어레이)

초기 바이오칩은 DNA 마이크로어레이(예: Affymetrix의 GeneChip DNA 어레이)의 아이디어를 기반으로 했습니다. 이는 유리, 플라스틱 또는 실리콘 기판 조각으로, DNA 조각(프로브)이 현미경 배열에 부착됩니다.DNA 마이크로어레이와 마찬가지로 단백질 어레이는 칩 표면에 다수의 다른 포획제(가장 빈번한 모노클로널 항체)가 퇴적된 미니어레이로, 예를 들어 혈액과 같은 생물학적 샘플에서 단백질의 존재 및/또는 양을 결정하기 위해 사용된다.DNA와 단백질 배열의 단점은 제조 후 재구성할 수 없고 확장성이 없다는 것이다.디지털 마이크로 유체 공학은 디지털 PCR을 수행하기 위한 수단으로 설명되어 왔다.

분자생물학

마이크로어레이 외에도 바이오칩은 2차원 전기영동,[90] 전사체 분석 [91]및 PCR [92]증폭을 위해 설계되었습니다.다른 응용 분야로는 단백질과 DNA를 위한 다양한 전기영동 및 액체 크로마토그래피 응용, 세포 분리, 특히 세포 생존성 분석 및 미생물 [78]포획을 포함한 혈구 분리, 단백질 분석, 세포 조작 및 분석이 포함된다.

진화생물학

미세유체학과 조경생태학 및 나노유체학을 결합함으로써 세균 서식지의 국소 패치를 구축하여 분산통로로 연결함으로써 나노/마이크로 가공 유체경관을 구축할 수 있다.결과적인 풍경은 시공간에서 분산된 기회 패치의 공간 모자이크를 생성함으로써 적응적 [93]풍경의 물리적 구현으로 사용될 수 있다.이러한 유동적인 환경의 부분적인 특성은 메타포메이션 시스템에서 박테리아 세포를 적응시키는 연구를 가능하게 한다.이러한 합성 생태계에 있는 박테리아 시스템의 진화 생태계는 생물물리학을 이용하여 진화생물학의 문제를 해결할 수 있게 해준다.

세포 동작

주요 기사:미세유체세포배양

정밀하고 세심하게 제어된 화학 유인제 구배를 만드는 능력은 미세유체학을 운동성,[94] 화학작용 및 적은 미생물 집단에서 단기간에 항생제에 대한 내성을 진화/개발하는 능력을 연구하는 데 이상적인 도구로 만듭니다.박테리아를 포함한[95] 이러한 미생물들과 [96]해양 미생물 고리를 형성하는 광범위한 유기체들은 해양 생물 지구 화학의 많은 부분을 조절하는 데 책임이 있다.

마이크로유체학은 또한 듀로택틱(강직성) 구배를 쉽게 만들어줌으로써 듀로택시 연구에 큰 도움을 주었다.

세포생물물리학

개별 수영세균의 운동을 [97]교정함으로써 미세유체 구조를 이용하여 [98]운동세균군으로부터 기계적 운동을 추출할 수 있다.이렇게 하면 박테리아로 구동되는 로터를 [99][100]만들 수 있다.

광학

미세유체학과 광학의 결합은 전형적으로 광유체학으로 알려져 있다.광유체 디바이스의 예로는 조정 가능한 마이크로렌즈[101][102] 어레이 및 광유체 현미경을 들 수 있다.

마이크로 유체 흐름은 빠른 샘플 처리량, 대규모 샘플 모집단의 자동 이미징 및 3D [103][104]기능을 가능하게 합니다.또는 [105]초해상도입니다.

고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)

미세유체학 분야의 HPLC는 두 가지 형태가 있습니다.초기 설계에는 액체를 HPLC 칼럼에 흘린 후 용출액을 마이크로 유체 칩으로 옮기고 HPLC 칼럼을 마이크로 유체 칩에 직접 [106]부착하는 것이 포함되었습니다.초기 방법은 형광을 [107]측정하는 기계와 같은 특정 기계에서 더 쉽게 검출할 수 있는 장점이 있었다.보다 최근의 설계에서는 HPLC 컬럼을 마이크로 유체 칩에 완전히 통합했습니다.HPLC 컬럼을 마이크로유체 디바이스로 통합함으로써 얻을 수 있는 주요 장점은 소형 폼팩터입니다.이것에 의해, 1개의 마이크로유체 칩내에 추가의 기능을 조합할 수 있습니다.집적 칩은 유리와 폴리이미드를 포함한 여러 가지 다른 재료로 제작할 수도 있습니다. 이 재료는 많은 액체 기반 미세 유체 [108][109]소자에 사용되는 PDMS의 표준 재료와는 상당히 다릅니다.HPLC 마이크로 유체 칩의 용도에 따라 다른 압력이 필요할 수 있기 때문에 이는 중요한 기능입니다.PDMS는 유리 및 폴리이미드에 비해 고압 사용에 비해 실패합니다.HPLC 통합의 높은 범용성은 기둥과 [110]칩 사이의 연결 및 피팅을 방지하여 견고성을 보장합니다.미래에는 이러한 설계를 구축할 수 있기 때문에 마이크로유체학 분야는 계속해서 응용 분야를 확장할 수 있다.

마이크로 유체 장치 내 통합 HPLC 기둥을 둘러싼 잠재적 응용 분야는 지난 10-15년 동안 광범위한 것으로 입증되었습니다.이러한 컬럼의 통합은 단백질의 생물학적 분석과 같이 재료의 가용성이 낮거나 매우 비싼 곳에서 실험을 실행할 수 있게 한다.이러한 시약 부피의 감소는 단세포 단백질 분석과 같은 새로운 실험을 가능하게 하는데, 이는 이전 장치의 크기 제한으로 인해 이전에는 [111]큰 어려움을 겪었다.HPLC 칩 장치와 질량 분석과 같은 다른 분광 분석 방법의 결합을 [112]통해 단백질과 같은 원하는 종의 식별에 대한 신뢰도를 높일 수 있다.또한 마이크로 유체 칩은 내부 지연 라인과 함께 생성되어 구배 발생을 통해 HPLC를 더욱 개선할 수 있으므로 추가적인 [113]분리의 필요성을 줄일 수 있습니다.통합 HPLC 칩의 다른 실용적인 적용으로는 머리카락을 통한 사람[114] 내 약물 존재의 결정과 역상 액체 크로마토그래피를 [115]통한 펩타이드의 표기가 포함된다.

음향액적토출(ADE)

음향 액체 토출은 초음파 펄스를 사용하여 물리적 접촉 없이 적은 양의 유체(일반적으로 나노리터 또는 피콜리터)를 이동합니다.이 기술은 유체 샘플에 음향 에너지를 집중시켜 100만분의 1리터(피콜리터 = 10리터−12)의 작은 방울을 배출합니다.ADE 기술은 매우 완만한 과정이며, 단백질, 고분자량 DNA 및 살아있는 세포를 손상이나 생존력의 손실 없이 전달하는데 사용될 수 있다.이 기능을 통해 프로테오믹스 및 세포 기반 분석 등 다양한 응용 분야에 적합한 기술을 만들 수 있습니다.

연료 전지

상세 정보:전기 삼투압 펌프

마이크로 유체 연료 전지는 기존의 연료 전지가 [116][117][118]필요로 하는 물리적 장벽 없이 두 유체의 상호작용을 제어하기 위해 연료와 산화제를 분리하기 위해 층류 흐름을 사용할 수 있습니다.

우주생물학

우주의 다른 곳에 생명체가 존재할 가능성을 이해하기 위해, 우주 생물학자들은 은하계 외 [119]물체의 화학적 구성을 측정하는 데 관심이 있습니다.마이크로 유체 소자는 크기가 작고 기능이 다양하기 때문에 이러한 원격 샘플 [120][121][122]분석에 고유하게 적합합니다.이 유기물 함량은 외계의 시료로부터 마이크로칩 캐피럴리 전기영동 [123]및 선택적 형광염료를 사용하여 평가할 수 있다.이 장치들은 아미노산,[124] 펩타이드,[125] 지방산,[126] 그리고 단순 알데히드, 케톤,[127] 티올을 [128]검출할 수 있다.이 분석들이 함께 결합되면 생명체의 핵심 요소들을 강력하게 발견할 수 있고, 기능하는 외계 [129]생명체에 대한 우리의 탐구에 도움이 될 수 있을 것이다.

식품 과학

액체 미세유체학, 종이 미세유체학, 랩 온 어 칩과 같은 미세유체학 기술은 식품 과학의 영역에서 다양한 범주로 [130]사용되고 있습니다.더 적은 시약으로 실험을 할 수 있기 때문에 영양,[131][132][130] 식품 가공, 식품 안전에 대한 연구는 미세 유체 기술로부터 이익을 얻는다.

식품 가공은 유화제나 방부제 첨가와 같은 식품에서 선반 안정성을 가능하게 하는 능력을 필요로 한다.액체 미세유체학 같은 기술은 달성 가능한 물방울의 정밀도로 인해 기존의 균질화에 의해 생성된 것보다 더 제어되고 복잡한 유화액을 만드는 데 사용됩니다.또, 「공급되는 에너지의 5%만이 에멀젼의 생성에 사용되고 나머지는 열로서 소멸한다」[133]라고 하는 균질화에 비해, 미세유체학을 이용하는 것이 에너지 효율이 높고, 이러한 방법에는 메리트가 있지만, 현재는 [134]상용화에 필요한 대규모 생산 능력이 결여되어 있다.미세유체학은 식품 화학과 식품 [130][134]가공의 혁신을 가능하게 하기 때문에 연구에도 사용된다.식품 공학 연구의 한 예는 식품 가공 산업, 특히 유화 [135]강화 작업을 위해 잠재적인 식품 가공 산업 용도의 물방울 생산을 연구하기 위해 제작된 새로운 마이크로 3D 프린팅 장치입니다.

종이와 액체 미세 유체 공학은 소량의 원치 않는 박테리아나 화학 물질을 검출할 수 있는 장치를 가능하게 하여 식품 안전과 [136]분석에 유용하게 만듭니다.종이 기반의 마이크로 유체 장치는 종종 마이크로 유체 기반 분석 장치(μFluidic paper-based analysis device, microPAD)라고 불리며 스마트폰으로 검출할 수 있는 비색 반응에 의해 육류 속의 질산염,[137] 방부제,[138] 항생제 등의 물질을 검출할 수 있다.이 방법들은 액체 크로마토그래피와 같은 전통적인 기술에 비해 반응물질, 공간, 시간을 덜 사용하기 때문에 연구되고 있다.①알레르기나 [137]불내증이 있는 분들에게 관심있는 가정탐지 테스트도 가능합니다.종이 기반의 방법 외에도, 연구는 액체 기반의 미세 유체 공학이 국내외 식품 [140]산업의 농업 해역에서 생존 가능한 박테리아 오염을 확인하는 데 필요한 시간을 대폭 단축할 수 있다는 것을 보여준다.

장래의 방향

맞춤형 암 치료를 위한 미세 유체학

맞춤형 암 치료는 환자의 진단과 배경을 바탕으로 조정된 방법입니다.마이크로유체 테크놀로지는, 스루풋이 향상해, 시간과 코스트를 삭감하는 것과 동시에, 기밀 검출을 가능하게 합니다.맞춤형 암 치료를 위해서는 종양 구성과 약물 민감성이 매우 중요하다.[141]

생체마커의 상태에 근거해 환자의 약물 반응을 예측하거나 특정 [142]세포의 비정형 존재에 근거해 질병의 심각도와 진행을 예측할 수 있다.Drop-qPCR은 물방울이 재사용 가능한 모세혈관 안에서 운반되어 다른 일정한 온도와 형광 검출로 유지되는 두 영역을 번갈아 흐르는 액체 미세 유체 기술입니다.Her2를 [141]검출하는 것은 낮은 오염 위험으로 효율적일 수 있습니다.TaqMan 프로브에 의한 KRAS 돌연변이를 검출하기 위해 디지털 액적 기반의 PCR 방법을 사용할 수 있으며, 변이 유전자 [143]비율 검출을 향상시킬 수 있다.또한 유방암 또는 전립선암 환자의 수술 후 질환 진행 상황을 정확하게 예측하는 것이 수술 후 치료의 결정에 필수적이다.세심하게 배합된 세포외 매트릭스 혼합물로 코팅된 단순한 미세 유체 챔버.72시간의 성장 후 종양 생검을 통해 얻은 세포와 [144]영상에 의한 세포에 대한 철저한 평가에 사용됩니다.

미세유체학은 또한 순환 종양 세포(CTCs) 및 비 CTCs 액체 생체검사 분석에도 적합합니다.비드는 CTCs 분리칩(iCHIP)[145]에서 양성 선택을 위해 항상피세포접착분자(EpCAM) 항체와 결합한다.CTC는 종양 미세환경의 산성화와 막 캐패시턴스 [146][147]차이를 이용해 검출할 수도 있다.CTC는 마이크로 유체 장치에 의해 혈액에서 분리되고 온칩으로 배양되며, 한 번의 분석으로 더 많은 생물학적 정보를 포착할 수 있는 방법이 될 수 있습니다.예를 들어, 40가지 약물 또는 약물 [148]조합의 세포 생존율을 테스트하는 데 사용할 수 있습니다.종양유래 세포외 소포를 소변에서 분리하여 일체형 이중여과 미세유체 장치로 검출할 수 있으며, 혈액에서 분리하여 전기화학검출법으로 [149][150]검출할 수도 있다.

종양 물질은 미세 유체 장치를 통해 검출에 직접 사용될 수 있습니다.1차 세포를 검사하기 위해서는 암세포와 비암세포를 구분하는 것이 종종 필요하다.작은 협착을 통과하는 세포 용량에 기초한 미세 유체 칩은 세포 종류를 분류하고 [151]전이를 할 수 있다.액체 기반의 미세유체 소자는 1차 종양 샘플에서 직접 높은 정확도로 다양한 약물 또는 약물의 조합을 선별할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.이 전략을 개선하기 위해, 형광 바코드와 결합된 순차적 약물 칵테일 방식을 사용하는 마이크로 유체 프로그램이 더 [152]효율적입니다.또 다른 고급 전략은 희귀한 [153]CTC의 약물 민감도를 예측할 수 있는 부유 마이크로 채널 공진기를 사용하여 단세포의 성장률을 감지하는 것이다.

미세유체학 장치는 또한 항암제 테스트를 돕기 위해 종양 미세 환경을 시뮬레이션할 수 있다.2D 또는 3D 세포 배양을 가진 미세 유체 장치는 다양한 암 시스템(폐암 및 난소암 등)에 대한 구상체를 분석하는 데 사용될 수 있으며, 여러 항암제 및 독성 테스트에 필수적입니다.이 전략은 spheroid의 throughput과 생산을 증가시킴으로써 개선할 수 있습니다.예를 들어, 3D 세포 배양용 한 방울 기반 미세 유체 장치는 [154]칩당 500개의 스페로이드를 생성합니다.이러한 스페로이드들은 분석과 감시를 위해 다른 환경에서 더 오래 배양될 수 있다.또 다른 진보된 기술은 장기 온 칩으로, 여러 기관을 시뮬레이션하여 모방하는 혈관과 모방하는 pH, 산소뿐만 아니라 모방하는 혈관에 기반하여 약물 대사와 활성을 결정하는 데 사용될 수 있습니다.약물과 인간 장기 [154]환경 간의 관계를 분석하기 위해서입니다.

최근의 전략은 단세포 크로마틴 면역침습(ChiP) sequ액적에서의 배열로, 액체 기반의 단세포 RNA 배열과 DNA 바코드 항체를 조합함으로써 작동하며, 유전자형과 표현형에 의한 종양 이질성을 탐색하여 개인화된 항암제를 선택하고 암 [155]재발을 방지할 수 있다.

전반적으로, 미세 유체 기술은 개인화된 암 치료와 미래의 암 치료를 위한 새로운 방법을 가져올 수 있는 강력한 잠재력을 가지고 있다.그러나 유전자 또는 바이오마커의 정보량, 신뢰할 수 없는 장비 또는 임상 운영과의 인터페이스 어려움에 기초하여 이러한 방법을 임상 치료와 통합하는 것은 여전히 어려운 과제이다.

마이크로 유체 약물 검사:[156]

온칩 특성:[157]

강의실의 마이크로 유체 공학:온칩산염기적정[158]

패혈증은 며칠이 아니라 몇 분 안에 발견됩니다.

미세 유체 장치용 다중 각도 영상 잠금 해제

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