ไมโครฟลูอิดิกส์หมายถึงระบบที่จัดการของเหลว ปริมาณน้อย (10 ⁻⁹ถึง 10 ⁻¹⁸ลิตร) โดยใช้ช่องทางขนาดเล็กที่มีขนาดตั้งแต่สิบถึงหลายร้อยไมโครเมตร เป็นสาขาสหวิทยาการที่เกี่ยวข้องกับการวิเคราะห์โมเลกุลชีววิทยาโมเลกุลและไมโครอิเล็กทรอนิกส์ [ ^{1 ] มี}การประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติในการออกแบบระบบที่ประมวลผลของเหลวปริมาณน้อยเพื่อให้ได้มัลติเพล็กซ์ระบบอัตโนมัติ และการคัดกรองที่มีปริมาณงานสูงไมโครฟลูอิดิกส์เกิดขึ้นในช่วงต้นทศวรรษ 1980 และถูกนำไปใช้ในการพัฒนาหัวพิมพ์อิงค์เจ็ท ชิปดีเอ็นเอ เทคโนโลยี แล็บออนอะชิประบบขับเคลื่อนขนาดเล็ก และเทคโนโลยีความร้อนขนาดเล็ก

โดยทั่วไป ระบบไมโครฟลูอิดิกส์ทำหน้าที่ขนส่ง ผสม แยก หรือประมวลผลของเหลว การใช้งานต่างๆ อาศัยการควบคุมของเหลวแบบพาสซีฟโดยใช้แรงคาปิลลารีในรูปแบบขององค์ประกอบปรับเปลี่ยนการไหลแบบคาปิลลารี คล้ายกับตัวต้านทานการไหลและตัวเร่งการไหล ในบางการใช้งาน อาจมีการใช้กลไกการกระตุ้นภายนอกเพิ่มเติมเพื่อการขนส่งของเหลวในทิศทางที่กำหนด ตัวอย่างเช่น ตัวขับแบบหมุนที่ใช้แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางในการขนส่งของเหลวบนชิปแบบพาสซีฟ ไมโครฟลูอิดิกส์แบบแอคทีฟหมายถึงการจัดการของเหลวที่ใช้งานอย่างกำหนดโดยส่วนประกอบแบบแอคทีฟ (ไมโคร) เช่นไมโครปั๊มหรือไมโครวาล์วไมโครปั๊มจ่ายของเหลวอย่างต่อเนื่องหรือใช้สำหรับการจ่ายยา ไมโครวาล์วกำหนดทิศทางการไหลหรือโหมดการเคลื่อนที่ของของเหลวที่สูบ บ่อยครั้ง กระบวนการที่ปกติทำในห้องปฏิบัติการจะถูกย่อส่วนลงบนชิปเดียว ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและความคล่องตัว และลดปริมาณตัวอย่างและสารเคมี

พฤติกรรมของของเหลวในระดับไมโครอาจแตกต่างจากพฤติกรรมของ "ของเหลวระดับมหภาค" ตรงที่ปัจจัยต่างๆ เช่นแรงตึงผิวการกระจายพลังงาน และความต้านทานของของเหลว เริ่มมีบทบาทเด่นในระบบ แทนที่จะเป็นผลกระทบจากแรงเฉื่อย ไมโครฟลูอิดิกส์ศึกษาว่าพฤติกรรมเหล่านี้เปลี่ยนแปลงไปอย่างไร และจะจัดการกับมันอย่างไร หรือจะนำไปใช้ประโยชน์ในรูปแบบใหม่ได้อย่างไร^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

ในระดับขนาดเล็ก (ขนาดช่องประมาณ 100 นาโนเมตรถึง 500 ไมโครเมตร ) คุณสมบัติบางอย่างที่ไม่เป็นไปตามสัญชาตญาณปรากฏขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งเลขเรย์โนลด์ (ซึ่งเปรียบเทียบผลของโมเมนตัมของของไหลกับผลของความหนืด ) อาจต่ำมาก ผลที่ตามมาประการหนึ่งคือของไหลที่ไหลร่วมกันไม่จำเป็นต้องผสมกันในความหมายดั้งเดิม เนื่องจากกระแสไหลจะกลายเป็นแบบราบเรียบแทนที่จะเป็นแบบปั่นป่วนการขนส่งโมเลกุลระหว่างกันมักจะต้องผ่านการแพร่กระจาย^{[ 7 ]}

ยังสามารถรับประกันความเฉพาะเจาะจงสูงของคุณสมบัติทางเคมีและกายภาพ (ความเข้มข้น, pH, อุณหภูมิ, แรงเฉือน ฯลฯ) ซึ่งส่งผลให้สภาวะปฏิกิริยามีความสม่ำเสมอมากขึ้นและได้ผลิตภัณฑ์ที่มีคุณภาพสูงขึ้นในปฏิกิริยาแบบขั้นตอนเดียวและหลายขั้นตอน^{[ 8 ] [ 9 ]}

การไหลของไมโครฟลูอิดิกจำเป็นต้องถูกจำกัดด้วยขนาดความยาวทางเรขาคณิตเท่านั้น – รูปแบบและวิธีการที่ใช้เพื่อให้ได้ข้อจำกัดทางเรขาคณิตดังกล่าวขึ้นอยู่กับการใช้งานที่ต้องการเป็นอย่างมาก^{[ 10 ]}ตามธรรมเนียม การไหลของไมโครฟลูอิดิกจะถูกสร้างขึ้นภายในช่องปิดที่มีหน้าตัดของช่องอยู่ในลำดับ 10 μm x 10 μm แต่ละวิธีเหล่านี้มีเทคนิคที่เกี่ยวข้องของตนเองเพื่อรักษาการไหลของของเหลวที่แข็งแรง ซึ่งได้รับการพัฒนามาหลายปีแล้ว

พฤติกรรมของของเหลวและการควบคุมในไมโครแชนเนลแบบเปิดได้รับความสนใจในช่วงประมาณปี 2548 ^{[ 11 ]}และนำไปประยุกต์ใช้ในการเก็บตัวอย่างจากอากาศสู่ของเหลว^{[ 12 ] [ 13 ]}และโครมาโทกราฟี^{[ 14 ]}ในไมโครฟลูอิดิกส์แบบเปิดขอบเขตอย่างน้อยหนึ่งด้านของระบบจะถูกกำจัดออกไป ทำให้ของเหลวสัมผัสกับอากาศหรือส่วนต่อประสานอื่น (เช่น ของเหลว) ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}ข้อดีของไมโครฟลูอิดิกส์แบบเปิด ได้แก่ การเข้าถึงของเหลวที่ไหลเพื่อการแทรกแซง พื้นผิวของเหลว-ก๊าซที่ใหญ่ขึ้น และการเกิดฟองอากาศที่ลดลง^{[ 18 ] [ 15 ] [ 17 ] [ 19 ]} ข้อดีอีกประการหนึ่งของไมโครฟลูอิดิกส์แบบเปิดคือความสามารถในการรวมระบบแบบเปิดเข้ากับการไหลของของเหลวที่ขับเคลื่อนด้วยแรงตึงผิว ซึ่งช่วยขจัดความจำเป็นในการใช้วิธีการสูบภายนอก เช่น ปั๊มแบบเพริสตัลติกหรือปั๊มแบบเข็มฉีดยา^{[ 20 ]}อุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกแบบเปิดยังผลิตได้ง่ายและราคาไม่แพงด้วยการกัด การขึ้นรูปด้วยความร้อน และการปั๊มขึ้นรูปด้วยความร้อน^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}นอกจากนี้ ไมโครฟลูอิดิกแบบเปิดยังช่วยขจัดความจำเป็นในการติดกาวหรือยึดฝาครอบสำหรับอุปกรณ์ ซึ่งอาจเป็นอันตรายต่อการไหลของของเหลวในท่อแคปิลลารี ตัวอย่างของไมโครฟลูอิดิกแบบเปิด ได้แก่ ไมโครฟลูอิดิกแบบช่องเปิด ไมโครฟลูอิดิกแบบราง ไมโครฟลูอิดิกแบบกระดาษและไมโครฟลูอิดิกแบบเส้นด้าย^{[ 15 ] [ 20 ] [ 25 ]} ข้อเสียของระบบแบบเปิด ได้แก่ ความไวต่อการระเหย^{[ 26 ]}การปนเปื้อน^{[ 27 ]}และอัตราการไหลที่จำกัด^{[ 17 ]}

ไมโครฟลูอิดิกส์แบบไหลต่อเนื่องอาศัยการควบคุมการไหลของของเหลวในสภาวะคงที่ผ่านช่องแคบหรือตัวกลางที่มีรูพรุน โดยส่วนใหญ่โดยการเร่งหรือขัดขวางการไหลของของเหลวในองค์ประกอบแคปิลลารี^{[ 28 ]}ในไมโครฟลูอิดิกส์แบบใช้กระดาษ องค์ประกอบแคปิลลารีสามารถทำได้โดยการเปลี่ยนแปลงรูปทรงเรขาคณิตของหน้าตัดอย่างง่าย โดยทั่วไป การกระตุ้นการไหลของของเหลวจะดำเนินการโดยแหล่งความดัน ภายนอก ปั๊ม เชิงกลภายนอก ไมโครปั๊มเชิงกลแบบรวมหรือโดยการรวมกันของแรงแคปิลลารีและกลไกอิเล็กโทรไคเนติก^{[ 29 ] [ 30 ]} การทำงานของไมโครฟลูอิดิกส์แบบไหลต่อเนื่องเป็นแนวทางหลักเนื่องจากง่ายต่อการใช้งานและมีความไวต่อปัญหาการปนเปื้อนของโปรตีนน้อยกว่า อุปกรณ์แบบไหลต่อเนื่องเหมาะสมสำหรับการใช้งานทางชีวเคมีที่กำหนดไว้อย่างดีและง่ายหลายอย่าง และสำหรับงานบางอย่าง เช่น การแยกสารเคมี แต่ไม่เหมาะสมสำหรับงานที่ต้องการความยืดหยุ่นสูงหรือการจัดการของเหลว ระบบช่องทางปิดเหล่านี้โดยเนื้อแท้แล้วยากต่อการบูรณาการและขยายขนาด เนื่องจากพารามิเตอร์ที่ควบคุมสนามการไหลจะแตกต่างกันไปตามเส้นทางการไหล ทำให้การไหลของของเหลว ณ ตำแหน่งใดตำแหน่งหนึ่งขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของระบบทั้งหมด นอกจากนี้ โครงสร้างจุลภาคที่สลักอย่างถาวรยังนำไปสู่ข้อจำกัดในการปรับเปลี่ยนโครงสร้างและความสามารถในการทนต่อความผิดพลาดที่ต่ำอีกด้วย

ความสามารถในการตรวจสอบกระบวนการในระบบการไหลต่อเนื่องสามารถทำได้ด้วยเซ็นเซอร์การไหลแบบไมโครฟลูอิดิกที่มีความไวสูงโดยใช้ เทคโนโลยี MEMSซึ่งให้ความละเอียดในระดับนาโนลิตร^{[ 31 ]}

ไมโครฟลูอิดิกส์แบบหยดแตกต่างจากไมโครฟลูอิดิกส์แบบต่อเนื่อง ไมโครฟลูอิดิกส์แบบหยดจะจัดการปริมาตรของของเหลวที่ไม่ผสมกันในเฟสที่ไม่เข้ากันด้วยเลขเรย์โนลด์ต่ำและระบอบการไหลแบบลามินาร์ ความสนใจในระบบไมโครฟลูอิดิกส์แบบหยดเพิ่มขึ้นอย่างมากในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา ไมโครดรอปเล็ตช่วยให้สามารถจัดการปริมาตรของของเหลวขนาดเล็ก (μL ถึง fL) ได้อย่างสะดวก ให้การผสม การห่อหุ้ม การคัดแยก และการตรวจจับที่ดีขึ้น และเหมาะสำหรับการทดลองที่มีปริมาณงานสูง^{[ 33 ]}การใช้ประโยชน์จากข้อดีของไมโครฟลูอิดิกส์แบบหยดอย่างมีประสิทธิภาพต้องอาศัยความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับการสร้างหยด^{[ 34 ]}เพื่อดำเนินการเชิงตรรกะต่างๆ^{[ 35 ] [ 36 ]}เช่น การจัดการหยด^{[ 37 ]}การคัดแยกหยด^{[ 38 ]}การรวมหยด^{[ 39 ]}และการแตกตัวของหยด^{[ 40 ]}

ทางเลือกอื่นนอกเหนือจากระบบการไหลต่อเนื่องแบบปิดช่องข้างต้น ได้แก่ โครงสร้างแบบเปิดใหม่ ซึ่งหยดน้ำที่แยกจากกันและควบคุมได้อย่างอิสระจะถูกจัดการบนพื้นผิวโดยใช้อิเล็กโทรเว ตติ้ง ตามแนวคิดของไมโครอิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัล วิธีการนี้เรียกว่าไมโครฟลูอิดิกส์ดิจิทัล Le Pesant และคณะเป็นผู้บุกเบิกการใช้แรงอิเล็กโทรแคปิลลารีเพื่อเคลื่อนย้ายหยดน้ำบนรางดิจิทัล^{[ 41 ]} "ทรานซิสเตอร์ของเหลว" ที่บุกเบิกโดย Cytonix ^{[ 42 ]}ก็มีบทบาทเช่นกัน เทคโนโลยีนี้ได้รับการพัฒนาเชิงพาณิชย์โดยมหาวิทยาลัย Duke ในเวลาต่อมา การใช้หยดน้ำปริมาตรหน่วยที่แยกจากกัน^{[ 34 ]} ฟังก์ชันไมโครฟลูอิดิกส์สามารถลดลงเหลือชุดของการดำเนินการพื้นฐานที่ทำซ้ำ เช่น การเคลื่อนย้ายของเหลวหนึ่งหน่วยในระยะทางหนึ่งหน่วย วิธีการ "แปลงเป็นดิจิทัล" นี้ช่วยอำนวยความสะดวกในการใช้แนวทางแบบลำดับชั้นและแบบเซลล์สำหรับการออกแบบไบโอชิปไมโครฟลูอิดิกส์ ดังนั้น ไมโครฟลูอิดิกส์ดิจิทัลจึงนำเสนอสถาปัตยกรรมระบบที่ยืดหยุ่นและปรับขนาดได้ รวมถึงความสามารถในการทนต่อข้อผิดพลาด สูง นอกจากนี้ เนื่องจากหยดแต่ละหยดสามารถควบคุมได้อย่างอิสระ ระบบเหล่านี้จึงมีความสามารถในการปรับเปลี่ยนโครงสร้างแบบไดนามิก ซึ่งกลุ่มของเซลล์หน่วยในอาร์เรย์ไมโครฟลูอิดิกสามารถปรับเปลี่ยนโครงสร้างเพื่อเปลี่ยนฟังก์ชันการทำงานในระหว่างการดำเนินการทดสอบทางชีวภาพหลายชุดพร้อมกัน แม้ว่าหยดจะถูกจัดการในช่องไมโครฟลูอิดิกที่จำกัด แต่เนื่องจากการควบคุมหยดไม่ได้เป็นอิสระ จึงไม่ควรสับสนกับ "ไมโครฟลูอิดิกแบบดิจิทัล" วิธีการกระตุ้นทั่วไปวิธีหนึ่งสำหรับไมโครฟลูอิดิกแบบดิจิทัลคือการเปียกด้วยไฟฟ้าบนไดอิเล็กทริก ( EWOD ) ^{[ 43 ]}แอปพลิเคชันแล็บออนอะชิปจำนวนมากได้รับการสาธิตภายในกระบวนทัศน์ไมโครฟลูอิดิกแบบดิจิทัลโดยใช้การเปียกด้วยไฟฟ้า

มีการเสนออุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกส์แบบกระดาษเพื่อจัดหาระบบวินิจฉัยทางการแพทย์แบบพกพา ราคาถูก และใช้งานง่าย^{[ 44 ]} ไมโครฟลูอิดิกส์แบบกระดาษอาศัยปรากฏการณ์การแทรกซึมของเส้นเลือดฝอยในตัวกลางที่มีรูพรุน^{[ 45 ]}เพื่อปรับการแทรกซึมของของเหลวในพื้นผิวที่มีรูพรุน เช่น กระดาษ ในสองและสามมิติ โครงสร้างรูพรุน ความสามารถในการเปียก และรูปทรงเรขาคณิตของอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกส์สามารถควบคุมได้ ในขณะที่ความหนืดและอัตราการระเหยของของเหลวมีบทบาทสำคัญยิ่งขึ้น อุปกรณ์ดังกล่าวจำนวนมากมีสิ่งกีดขวางที่ไม่ชอบน้ำบนกระดาษที่ชอบน้ำซึ่งขนส่งสารละลายในน้ำไปยังช่องทางออกซึ่งปฏิกิริยาทางชีวภาพเกิดขึ้น^{[ 46 ]}ไมโครฟลูอิดิกส์แบบกระดาษถือเป็นไบโอเซนเซอร์แบบพกพาสำหรับจุดดูแลที่ใช้ในสถานที่ห่างไกลซึ่งไม่สามารถเข้าถึงเครื่องมือวินิจฉัยทางการแพทย์ขั้นสูงได้^{[ 47 ]}การใช้งานในปัจจุบัน ได้แก่ การตรวจจับกลูโคสแบบพกพา^{[ 48 ]}และการทดสอบสิ่งแวดล้อม^{[ 49 ]}โดยหวังว่าจะเข้าถึงพื้นที่ที่ขาดแคลนเครื่องมือวินิจฉัยทางการแพทย์ขั้นสูง

หนึ่งในพื้นที่การใช้งานที่เป็นไปได้คือการตรวจจับอนุภาคในของเหลว การตรวจจับอนุภาคขนาดเล็กที่อยู่ในของเหลวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1 μm มักทำได้โดยใช้เครื่องนับอนุภาค Coulterซึ่งจะสร้างสัญญาณไฟฟ้าเมื่อของเหลวที่มีการนำไฟฟ้าต่ำ เช่นน้ำเกลือไหลผ่านรูพรุนขนาดเล็ก (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 100 μm) ทำให้เกิดสัญญาณไฟฟ้าที่แปรผันตรงกับอัตราส่วนของปริมาตรอนุภาคต่อปริมาตรรูพรุน หลักการทางฟิสิกส์เบื้องหลังนั้นค่อนข้างง่าย อธิบายไว้ในเอกสารคลาสสิกโดย DeBlois และ Bean ^{[ 50 ]}และการใช้งานครั้งแรกอธิบายไว้ในสิทธิบัตรดั้งเดิมของ Coulter ^{[ 51 ]}นี่คือวิธีการที่ใช้ในการวัดขนาดและนับเม็ดเลือดแดง (erythrocytes ) และเม็ดเลือดขาว (leukocytes ) สำหรับการวิเคราะห์เลือดมาตรฐาน คำศัพท์ทั่วไปสำหรับวิธีการนี้คือการตรวจจับพัลส์แบบต้านทาน (resistive pulse sensingหรือ RPS) ส่วนการนับแบบ Coulter เป็นเครื่องหมายการค้า อย่างไรก็ตาม วิธี RPS ไม่ได้ผลดีสำหรับอนุภาคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่ำกว่า 1 ไมโครเมตร เนื่องจากอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน ลดลงต่ำกว่าขีดจำกัดที่สามารถตรวจจับได้อย่างน่าเชื่อถือ ซึ่งส่วนใหญ่กำหนดโดยขนาดของรูพรุนที่สารวิเคราะห์ผ่าน และสัญญาณรบกวนขาเข้าของ เครื่องขยายสัญญาณขั้นแรก

ข้อจำกัดของขนาดรูพรุนในเครื่องนับอนุภาคแบบ RPS Coulter ดั้งเดิมนั้นถูกกำหนดโดยวิธีการสร้างรูพรุน ซึ่งแม้จะเป็นความลับทางการค้า แต่ก็มีแนวโน้มสูงที่จะใช้กรรมวิธีเชิงกลแบบดั้งเดิม นี่คือจุดที่เทคโนโลยีไมโครฟลูอิดิกส์สามารถเข้ามามีบทบาทได้: การผลิตอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกส์โดยใช้ กระบวนการ ลิโทก ราฟี หรือที่น่าจะเป็นไปได้มากกว่าคือการผลิตแม่พิมพ์ที่ใช้ซ้ำได้สำหรับการสร้างอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกส์โดยใช้กระบวนการ ขึ้นรูปนั้นมีข้อจำกัดอยู่ที่ขนาดที่เล็กกว่าการผลิตด้วยเครื่องจักร แบบดั้งเดิมมาก ขนาดที่สำคัญลงไปถึง 1 ไมโครเมตรสามารถผลิตได้ง่าย และด้วยความพยายามและค่าใช้จ่ายที่มากขึ้นอีกเล็กน้อย ก็สามารถสร้างลวดลายที่มีขนาดต่ำกว่า 100 นาโนเมตรได้อย่างน่าเชื่อถือเช่นกัน สิ่งนี้ทำให้สามารถผลิตรูพรุนที่รวมอยู่ในวงจรไมโครฟลูอิดิกส์ได้ในราคาประหยัด โดยที่เส้นผ่านศูนย์กลางของรูพรุนสามารถมีขนาดได้ถึงประมาณ 100 นาโนเมตร พร้อมกับการลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคขั้นต่ำลงหลายลำดับความ magnitud

ด้วยเหตุนี้ จึงมีการพัฒนาการนับและวัดขนาดอนุภาคไมโครฟลูอิดิกในระดับมหาวิทยาลัย^{[ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]}พร้อมกับการนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้ในเชิงพาณิชย์ วิธีนี้เรียกว่าการตรวจจับพัลส์ต้านทาน ไมโครฟลูอิดิก (MRPS)

การประยุกต์ใช้อุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกอย่างหนึ่งคือการแยกและการคัดแยกของเหลวหรือเซลล์ประเภทต่างๆ อุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกได้รับการบูรณาการเข้ากับแมกเนโตโฟเรซิส : การเคลื่อนที่ของอนุภาคโดยสนามแม่เหล็ก^{[ 55 ]}สามารถทำได้โดยการส่งของเหลวที่มีส่วนประกอบแม่เหล็กอย่างน้อยหนึ่งชนิดผ่านช่องไมโครฟลูอิดิกที่มีแม่เหล็กวางอยู่ตามความยาวของช่อง ซึ่งจะสร้างสนามแม่เหล็กภายในช่องไมโครฟลูอิดิกที่ดึงดูด สารที่มีคุณสมบัติ แม่เหล็กเข้าหา ทำให้สามารถแยกส่วนประกอบแม่เหล็กและส่วนประกอบที่ไม่ใช่แม่เหล็กของของเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพ เทคนิคนี้สามารถนำไปใช้ได้ง่ายใน สภาพแวดล้อม ทางอุตสาหกรรมที่ของเหลวที่มีอยู่มีวัสดุที่มีคุณสมบัติแม่เหล็กอยู่แล้ว ตัวอย่างเช่นสิ่งเจือปนที่เป็นโลหะ จำนวนเล็กน้อย อาจเข้าไปในของเหลวที่บริโภคได้บางชนิด เช่นนมและผลิตภัณฑ์นม อื่นๆ ^{[ 56 ]}ในกรณีของนมนั้น สารปนเปื้อนที่เป็นโลหะหลายชนิดแสดงคุณสมบัติพาราแมกเนติซึม ดังนั้น ก่อนการบรรจุ นมสามารถไหลผ่านช่องที่มีการไล่ระดับสนามแม่เหล็กเพื่อเป็นวิธีการทำให้บริสุทธิ์สารปนเปื้อนที่เป็นโลหะ

การแยก เซลล์ เป็นสิ่งที่น่าสนใจในไมโครฟลูอิดิกส์ สามารถทำได้โดยขั้นตอนแรก ต้อง ใช้ สารพาราแมกเนติก (โดยปกติจะเป็นไมโคร/ นาโนอนุภาคหรือของเหลวพาราแมกเนติก ) ^{[ 57 ]} ที่ได้รับ การปรับแต่งให้สามารถกำหนดเป้าหมายเซลล์ชนิดที่ต้องการได้ ซึ่งสามารถทำได้โดยการระบุโปรตีนทรานส์เมมเบรนที่มีลักษณะเฉพาะของเซลล์ชนิดที่ต้องการ จากนั้นจึงปรับแต่งอนุภาคแม่เหล็กด้วยแอนติเจนหรือแอนติบอดี ที่เข้าคู่กัน ^{[ 56 ] [ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]}เมื่ออนุภาคแม่เหล็กได้รับการปรับแต่งแล้ว อนุภาคเหล่านั้นจะถูกกระจายในส่วนผสมของเซลล์ โดยจะจับกับเซลล์ที่ต้องการเท่านั้น จากนั้นส่วนผสมของเซลล์/อนุภาคที่ได้สามารถไหลผ่านอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกส์ที่มีสนามแม่เหล็กเพื่อแยกเซลล์เป้าหมายออกจากส่วนที่เหลือ

ในทางกลับกัน การใช้ไมโครฟลูอิดิกช่วยในการเคลื่อนที่ด้วยสนามแม่เหล็กอาจใช้เพื่ออำนวยความสะดวกในการผสมอย่างมีประสิทธิภาพภายในไมโครดรอปเล็ตหรือปลั๊ก เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ ไมโครดรอปเล็ตจะถูกฉีดด้วยอนุภาคนาโนพาราแมกเนติกและไหลผ่านช่องทางตรงซึ่งผ่านสนามแม่เหล็กที่สลับกันอย่างรวดเร็ว สิ่งนี้ทำให้อนุภาคแม่เหล็กถูกผลักจากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่งอย่างรวดเร็วภายในดรอปเล็ตและส่งผลให้เกิดการผสมของเนื้อหาในไมโครดรอปเล็ต^{[ 60 ]}ซึ่งช่วยขจัดความจำเป็นในการพิจารณาทางวิศวกรรมที่ยุ่งยากซึ่งจำเป็นสำหรับการผสมดรอปเล็ตแบบดั้งเดิมโดยใช้ช่องทาง งานวิจัยอื่น ๆ ยังแสดงให้เห็นว่าการแยกเซลล์แบบไม่ใช้ฉลากอาจเป็นไปได้โดยการแขวนเซลล์ในของเหลวพาราแมกเนติกและใช้ประโยชน์จากผลของแม่เหล็กอาร์คิมีดีส^{[ 62 ] [ 63 ]}แม้ว่าสิ่งนี้จะขจัดความซับซ้อนของการทำงานของอนุภาค แต่ก็ยังต้องการการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อทำความเข้าใจปรากฏการณ์แม่เหล็กอาร์คิมีดีสอย่างเต็มที่และวิธีการนำไปใช้เพื่อจุดประสงค์นี้ นี่ไม่ใช่รายการที่ครบถ้วนของการใช้งานต่างๆ ของการเคลื่อนที่ด้วยสนามแม่เหล็กที่ช่วยด้วยไมโครฟลูอิดิก ตัวอย่างข้างต้นเป็นเพียงการเน้นให้เห็นถึงความสามารถรอบด้านของเทคนิคการแยก นี้ ในการใช้งานทั้งในปัจจุบันและอนาคต

โครงสร้างไมโครฟลูอิดิกส์ประกอบด้วยระบบไมโครนิวแมติก เช่น ไมโครซิสเต็มสำหรับการจัดการของเหลวนอกชิป (ปั๊มของเหลว วาล์วก๊าซ ฯลฯ) และโครงสร้างไมโครฟลูอิดิกส์สำหรับการจัดการปริมาตรระดับนาโนลิตร (nl) และพิโคลิตร (pl) บนชิป^{[ 64 ]} จนถึงปัจจุบัน การใช้งานเชิงพาณิชย์ที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดของไมโครฟลูอิดิกส์คือหัวพิมพ์อิงค์เจ็ท^{[ 65 ]}นอกจากนี้ ความก้าวหน้าในการผลิตไมโครฟลูอิดิกส์หมายความว่าผู้ผลิตสามารถผลิตอุปกรณ์ในพลาสติกราคาประหยัด เช่นโพลีเมทิลเมทาคริเลต (PMMA) โพลีสไตรีนโพลีเมอร์โอเลฟินแบบ วงจร (COP) และโพลีไวนิล คลอไรด์ (PVC) ^{[ 66 ] [ 67 ]}และตรวจสอบคุณภาพชิ้นส่วนโดยอัตโนมัติ^{[ 68 ]}อุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกส์มักจะผลิตขึ้นครั้งแรกโดยใช้วิธีการผลิต เช่น ซอฟต์ลิโทกราฟี การกัดขนาดเล็ก หรือการตัดเฉือนด้วยเลเซอร์ เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของการออกแบบไมโครแชนเนลก่อนที่จะเปลี่ยนไปใช้กระบวนการผลิตเทอร์โมพลาสติกที่ปรับขนาดได้ เช่น การฉีดขึ้นรูป

ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีไมโครฟลูอิดิกส์สัญญาว่าจะปรับปรุง กระบวนการ ทางชีววิทยาโมเลกุลสำหรับการวิเคราะห์เอนไซม์ (เช่น การ ทดสอบ กลูโคสและแลคเตท ) การวิเคราะห์ ดีเอ็นเอ (เช่นปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิ เมอเรสและ การจัดลำดับแบบความเร็วสูง) โปรตีโอมิกส์และในการสังเคราะห์ทางเคมี^{[ 28 ] [ 69 ]}ไบโอชิปไมโครฟลูอิดิกส์รวม การดำเนินการ ทดสอบเช่น การตรวจจับ เข้ากับการเตรียมตัวอย่างและการบำบัดล่วงหน้า^{[ 70 ] [ 71 ]}

พื้นที่การประยุกต์ใช้ไบโอชิปที่น่าสนใจคือพยาธิวิทยาทางคลินิกโดยเฉพาะการวินิจฉัยโรคณจุดดูแล^{[ 72 ]}นอกจากนี้ อุปกรณ์ที่ใช้ไมโครฟลูอิดิกส์ซึ่งสามารถสุ่มตัวอย่างอย่างต่อเนื่องและทดสอบตัวอย่างอากาศ/น้ำแบบเรียลไทม์สำหรับสารพิษ ทางชีวเคมี และเชื้อโรคอันตรายอื่นๆ^{[ 73 ]} สามารถทำหน้าที่เป็น "สัญญาณเตือนควันชีวภาพ"ที่ทำงานตลอดเวลาเพื่อการเตือนล่วงหน้า

เทคโนโลยีไมโครฟลูอิดิกส์ได้มอบเครื่องมือให้แก่นักชีววิทยาในการควบคุมสภาพแวดล้อมภายในเซลล์ ข้อดีที่อาจเกิดขึ้นจากเทคโนโลยีนี้สำหรับจุลชีววิทยามีดังต่อไปนี้:

• การศึกษาเซลล์เดี่ยวทั่วไปรวมถึงการเจริญเติบโต^{[ 74 ] [ 33 ]}
• การแก่ตัวของเซลล์: อุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิก เช่น "เครื่องแม่" ช่วยให้สามารถติดตามเซลล์แต่ละเซลล์ได้หลายพันเซลล์เป็นเวลาหลายชั่วอายุคนจนกระทั่งเซลล์เหล่านั้นตาย^{[ 74 ]}
• การควบคุมสภาพแวดล้อมระดับจุลภาค: ตั้งแต่สภาพแวดล้อมเชิงกล^{[ 75 ]}ไปจนถึงสภาพแวดล้อมทางเคมี^{[ 76 ] [ 77 ]}
• การไล่ระดับความเข้มข้นเชิงพื้นที่และเวลาที่แม่นยำโดยการรวมอินพุตทางเคมีหลายรายการเข้ากับอุปกรณ์เดียว^{[ 78 ]}
• การวัดแรงของเซลล์ที่ยึดติดหรือโครโมโซมที่ถูกจำกัด: วัตถุที่ติดอยู่ในอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกสามารถจัดการได้โดยตรงโดยใช้แหนบแสงหรือวิธีการสร้างแรงอื่นๆ^{[ 79 ]}
• การจำกัดเซลล์และการใช้แรงควบคุมโดยการเชื่อมต่อกับวิธีการสร้างแรงภายนอก เช่นการไหลของสโตกส์แหนบแสงหรือการเปลี่ยนรูปที่ควบคุมได้ของอุปกรณ์ PDMS ( โพลีไดเมทิลไซลอกเซน ) ^{[ 79 ] [ 80 ] [ 81 ]}
• การบูรณาการสนามไฟฟ้า^{[ 81 ]}
• พืชบนชิปและการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อพืช^{[ 82 ]}
• การดื้อยาปฏิชีวนะ: อุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกสามารถใช้เป็นสภาพแวดล้อมที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันสำหรับจุลินทรีย์ ในสภาพแวดล้อมที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน จุลินทรีย์จะสามารถวิวัฒนาการได้ง่ายขึ้น ซึ่งอาจเป็นประโยชน์สำหรับการทดสอบการเร่งวิวัฒนาการของจุลินทรีย์ / สำหรับการทดสอบการพัฒนาการดื้อยาปฏิชีวนะ
• การหลอมรวมของไวรัส: อุปกรณ์เหล่านี้ยังช่วยให้สามารถศึกษาขั้นตอนและเงื่อนไขต่างๆ ที่จำเป็นสำหรับไวรัสในการจับและเข้าสู่เซลล์โฮสต์ได้ ข้อมูลเกี่ยวกับประสิทธิภาพ จลนศาสตร์ และขั้นตอนเฉพาะของกระบวนการจับและหลอมรวมสามารถรับได้โดยใช้เซลล์การไหลแบบไมโครฟลูอิดิก^{[ 83 ]}
• การประยุกต์ใช้ออร์แกนบนชิป: ตัวอย่างเช่น ออร์แกนอยด์สามารถใช้ในการจำลองโรคด้วยเซลล์ที่ได้จากผู้ป่วย หรือสามารถใช้ในการตรวจสอบการพัฒนาของเนื้อเยื่อต่างๆ (เช่น ระบบประสาท) ในมนุษย์และสัตว์อื่นๆ^{[ 84 ]}

บางประเด็นเหล่านี้จะมีการอธิบายเพิ่มเติมในหัวข้อด้านล่างนี้:

ระบบไมโครฟลูอิดิกใช้กันอย่างแพร่หลายในการเตรียมอนุภาคนาโนและไมโคร เนื่องจากการผสมในระดับไมโคร การโฟกัสการไหลแบบลามินาร์ และการสร้างหยดสามารถควบคุมขนาดอนุภาค การกระจายขนาด องค์ประกอบ และความสามารถในการทำซ้ำได้ การใช้งานรวมถึงการเตรียมอนุภาคนาโนพอลิเมอร์ อนุภาคนาโนที่ใช้ไขมัน ไลโปโซม อิมัลชัน ไมโครแคปซูล และลูกปัดไฮโดรเจลสำหรับการส่งยา การวินิจฉัย วิศวกรรมเนื้อเยื่อ และการห่อหุ้มทางชีวภาพ^{[ 85 ]}

ในสูตรที่มีไขมันเป็นส่วนประกอบ การผสมอย่างรวดเร็วของเฟสไขมันอินทรีย์กับเฟสน้ำในไมโครแชนเนลสามารถส่งเสริมการประกอบตัวเองของเวสิเคิลหรืออนุภาคนาโนไขมันได้ แนวทางไมโครฟลูอิดิกถูกนำมาใช้ในการผลิตไลโปโซมและนาโนเวชภัณฑ์ที่มีไขมันเป็นส่วนประกอบ โดยที่สภาวะการไหล องค์ประกอบของตัวทำละลาย ความเข้มข้นของไขมัน และกระบวนการขั้นปลายน้ำส่งผลต่อประชากรอนุภาคสุดท้าย^{[ 86 ] [ 87 ]}

วิธีการไมโครฟลูอิดิกและวิธีการหยดแบบควบคุมที่เกี่ยวข้องยังใช้ในการสร้างอนุภาคขนาดเล็กและลูกปัดไฮโดรเจล ในระบบอัลจิเนตและไฮโดรเจลอื่นๆ การสร้างหยดตามด้วยการเชื่อมโยงข้ามสามารถผลิตลูกปัดหรือไมโครแคปซูลสำหรับการห่อหุ้มเซลล์ การปลดปล่อยแบบควบคุม และการประยุกต์ใช้ในวิศวกรรมเนื้อเยื่อ^{[ 88 ]}

ไบโอชิปรุ่นแรกๆ นั้นใช้แนวคิดของไมโครอาร์เรย์ดีเอ็นเอเช่น GeneChip DNAarray จากAffymetrixซึ่งเป็นแผ่นกระจก พลาสติก หรือซิลิคอน ที่มีชิ้นส่วนดีเอ็นเอ (โพรบ) ติดอยู่บนนั้นในรูปแบบอาร์เรย์ขนาดเล็ก คล้ายกับไมโครอาร์เรย์ดีเอ็นเออาร์เรย์โปรตีนก็เป็นอาร์เรย์ขนาดเล็กที่มีสารจับยึดหลายชนิด ซึ่งส่วนใหญ่เป็นโมโนโคลนอลแอนติบอดีถูกนำมาวางไว้บนพื้นผิวชิป ใช้ในการตรวจสอบการมีอยู่และ/หรือปริมาณของโปรตีนในตัวอย่างทางชีวภาพ เช่นเลือดข้อเสียของอาร์เรย์ดีเอ็นเอและโปรตีนคือไม่สามารถปรับเปลี่ยนหรือขยายขนาดได้หลังจากการผลิตไมโครฟลูอิดิกส์แบบดิจิทัลได้รับการอธิบายว่าเป็นวิธีการในการทำDigital PCR

นอกจากไมโครอาร์เรย์แล้ว ไบโอชิปยังได้รับการออกแบบสำหรับการอิเล็กโทรโฟเรซิส^{แบบสองมิติ [ 89 ] การวิเคราะห์ทรานสคริปโตม [} 90 ^{] และ}การขยาย^{สัญญาณ PCR [} 91 ] การ^{ใช้งานอื่น}ๆ ได้แก่ การอิเล็กโทรโฟเรซิสและโครมาโทกราฟีของเหลว ต่างๆ สำหรับโปรตีนและDNAการแยกเซลล์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการแยกเซลล์เม็ดเลือด การวิเคราะห์โปรตีน การจัดการและการวิเคราะห์เซลล์ รวมถึงการวิเคราะห์ความมีชีวิตของเซลล์^{[ 33 ]}และการดักจับจุลินทรีย์^{[ 71 ]}

โดยการผสมผสานไมโครฟลูอิดิกส์เข้ากับนิเวศวิทยาภูมิทัศน์และนาโนฟลูอิดิกส์สามารถสร้างภูมิทัศน์ของเหลวที่ผลิตด้วยนาโน/ไมโครได้โดยการสร้างพื้นที่เฉพาะที่ของแหล่งที่อยู่อาศัย ของ แบคทีเรีย และเชื่อมต่อกันด้วยทางเดินกระจายตัว ภูมิทัศน์ที่ได้สามารถใช้เป็นการนำภูมิทัศน์แบบปรับตัวมา ใช้ในเชิงกายภาพ ได้^{[ 92 ]} โดยการสร้างโมเสกเชิงพื้นที่ของพื้นที่แห่งโอกาสที่กระจายตัวอยู่ในอวกาศและเวลา ลักษณะที่เป็นหย่อมๆ ของภูมิทัศน์ของเหลวเหล่านี้ช่วยให้สามารถศึกษาการปรับตัวของเซลล์แบคทีเรียในระบบเมตาประชากร ได้ นิเวศวิทยาเชิงวิวัฒนาการ ของระบบแบคทีเรียเหล่านี้ใน ระบบนิเวศสังเคราะห์เหล่านี้ช่วยให้สามารถใช้ชีวฟิสิกส์เพื่อตอบคำถามในชีววิทยาเชิงวิวัฒนาการได้

ความสามารถในการสร้าง การไล่ระดับ สารเคมีดึงดูด ที่แม่นยำและควบคุมอย่างระมัดระวัง ทำให้ไมโครฟลูอิดิกส์เป็นเครื่องมือที่เหมาะสมในการศึกษาการเคลื่อนที่^{[ 93 ]}การเคลื่อนที่ตามสารเคมี และความสามารถในการวิวัฒนาการ/พัฒนาความต้านทานต่อยาปฏิชีวนะในประชากรจุลินทรีย์ขนาดเล็กและในช่วงเวลาสั้น ๆ จุลินทรีย์เหล่านี้รวมถึงแบคทีเรีย^{[ 94 ]}และสิ่งมีชีวิตหลากหลายชนิดที่ประกอบเป็นวงจรจุลินทรีย์ในทะเล[ 95 ^{]ซึ่งรับผิดชอบ}ในการควบคุมชีวธรณีเคมีของมหาสมุทรเป็นส่วนใหญ่

เทคโนโลยีไมโครฟลูอิดิกส์ยังช่วยอย่างมากในการศึกษาพฤติกรรมการเคลื่อนที่ ตามความแข็ง (durotaxis ) โดยอำนวยความสะดวกในการสร้างการไล่ระดับความแข็ง (durotactic gradients)

ด้วยการปรับการเคลื่อนที่ของแบคทีเรียที่ว่ายน้ำแต่ละตัว^{[ 96 ]} โครงสร้างไมโครฟลูอิดิกสามารถใช้เพื่อดึงการเคลื่อนที่เชิงกลจากประชากรของเซลล์แบคทีเรียที่เคลื่อนที่ได้^{[ 97 ]} ด้วยวิธีนี้จึงสามารถสร้างโรเตอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยแบคทีเรียได้^{[ 98 ] [ 99 ]}

การรวมกันของไมโครฟลูอิดิกส์และออปติกส์โดยทั่วไปเรียกว่าออปโตฟลูอิดิกส์ตัวอย่างของอุปกรณ์ออปโตฟลูอิดิกส์ ได้แก่ อาร์เรย์ไมโครเลนส์ที่ปรับได้^{[ 100 ] [ 101 ]}และกล้องจุลทรรศน์ออปโตฟลูอิดิกส์

การไหลของไมโครฟลูอิดิกช่วยให้สามารถประมวลผลตัวอย่างได้อย่างรวดเร็ว การถ่ายภาพอัตโนมัติของประชากรตัวอย่างขนาดใหญ่ รวมถึงความสามารถแบบ 3 มิติ^{[ 102 ] [ 103 ]}หรือความละเอียดสูงพิเศษ^{[ 104 ]}

เนื่องจากความกังวลด้านความปลอดภัยและต้นทุนการดำเนินงานที่เพิ่มขึ้นของวิธีการวิเคราะห์ทั่วไป ( ICP-MS , ICP-AASและICP-OES ^{[ 105 ]} ) ห้องปฏิบัติการโฟโตนิกส์บนชิป (PhLOC) จึงกลายเป็นเครื่องมือที่ได้รับความนิยมมากขึ้นสำหรับการวิเคราะห์แอคติไนด์และไนเตรตในกากกัมมันตรังสีที่ใช้แล้ว PhLOC ใช้หลักการของการประยุกต์ใช้สเปกโทรสโกปี RamanและUV-Vis-NIR พร้อมกัน ^{[ 106 ]}ซึ่งช่วยให้สามารถวิเคราะห์ส่วนผสมที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งมีแอคติไนด์หลายชนิดในสถานะออกซิเดชันที่แตกต่างกัน^{[ 107 ]}การวัดที่ทำด้วยวิธีการเหล่านี้ได้รับการตรวจสอบความถูกต้องในระดับมวลรวมสำหรับการทดสอบทางอุตสาหกรรม^{[ 105 ] [ 108 ]}และพบว่ามีความแปรปรวนต่ำกว่ามากในระดับไมโครสเกล^{[ 109 ]}พบว่าวิธีการนี้มีค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงโมลาร์ (UV-Vis) ที่สอดคล้องกับค่าที่ทราบในเอกสารทางวิชาการในช่วงความเข้มข้นที่ค่อนข้างกว้างสำหรับ 150 μL ^{[ 107 ]}ผ่านการยืดช่องทางการวัด และเป็นไปตามกฎของเบียร์ในระดับไมโครสำหรับ U(IV) ^{[ 110 ]}ด้วยการพัฒนาวิธีการสเปกโตรโฟโตเมตริกในการวิเคราะห์เชื้อเพลิงใช้แล้ว จึงได้สร้างวิธีการออนไลน์สำหรับการวัดปริมาณสารตั้งต้น ซึ่งช่วยเพิ่มอัตราการวิเคราะห์ตัวอย่างและลดขนาดของความเบี่ยงเบนที่ตรวจพบได้ภายในกระบวนการแปรรูป^{[ 108 ]}

ด้วยการประยุกต์ใช้ PhLOC ความยืดหยุ่นและความปลอดภัยของวิธีการดำเนินงานจึงเพิ่มขึ้น เนื่องจากการวิเคราะห์เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วเกี่ยวข้องกับสภาวะที่รุนแรงมาก การใช้อุปกรณ์แบบใช้แล้วทิ้งและผลิตได้อย่างรวดเร็ว (โดยใช้วัสดุที่หล่อได้และ/หรือแกะสลักได้ เช่น PDMS, PMMA และแก้ว^{[ 111 ]} ) จึงเป็นประโยชน์ แม้ว่าจะต้องพิจารณาความสมบูรณ์ของวัสดุภายใต้สภาวะที่รุนแรงเป็นพิเศษก็ตาม^{[ 110 ]}ด้วยการใช้การเชื่อมต่อใยแก้วนำแสง อุปกรณ์สามารถแยกออกจากเครื่องมือวัด ป้องกันความเสียหายจากรังสี และลดการสัมผัสรังสีที่เป็นอันตรายของบุคลากรในห้องปฏิบัติการ ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่สามารถทำได้ในระดับห้องปฏิบัติการหรือด้วยมาตรฐานการวิเคราะห์แบบเดิม^{[ 107 ]}การหดตัวของอุปกรณ์ยังช่วยให้สามารถใช้สารวิเคราะห์ในปริมาณที่น้อยลง ลดปริมาณของเสียที่เกิดขึ้นและการสัมผัสกับวัสดุอันตราย^{[ 107 ]}

ขณะนี้กำลังมีการประเมินการขยาย PhLOC เพื่อย่อส่วนการวิจัยวงจรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ทั้งหมด โดยมีการสาธิตขั้นตอนของ กระบวนการ PUREXในระดับไมโครสเกลได้สำเร็จ^{[ 106 ]}ในทำนองเดียวกัน เทคโนโลยีไมโครฟลูอิดิกที่พัฒนาขึ้นสำหรับการวิเคราะห์เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วคาดว่าจะขยายไปสู่การวิเคราะห์แอคติไนด์ แลนทานไนด์ และโลหะทรานซิชันอื่นๆ โดยไม่ต้องดัดแปลงมากนัก^{[ 107 ]}

โครมาโทกราฟีของเหลวประสิทธิภาพสูง (HPLC) ในสาขาไมโครฟลูอิดิกส์มีสองรูปแบบที่แตกต่างกัน การออกแบบในยุคแรกๆ นั้นรวมถึงการไหลของของเหลวผ่านคอลัมน์ HPLC จากนั้นถ่ายโอนของเหลวที่ถูกชะออกมาไปยังชิปไมโครฟลูอิดิกส์ และการติดคอลัมน์ HPLC เข้ากับชิปไมโครฟลูอิดิกส์โดยตรง^{[ 112 ]}วิธีการในยุคแรกๆ มีข้อดีคือตรวจจับได้ง่ายกว่าจากเครื่องมือบางชนิด เช่น เครื่องมือที่วัดการเรืองแสง^{[ 113 ]}คอลัมน์ HPLC ได้ถูกรวมเข้ากับชิปไมโครฟลูอิดิกส์แล้ว ข้อได้เปรียบหลักของการรวมคอลัมน์ HPLC เข้ากับอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกส์คือขนาดที่เล็กลง ซึ่งช่วยให้สามารถรวมคุณสมบัติเพิ่มเติมไว้ในชิปไมโครฟลูอิดิกส์เดียวได้ ชิปแบบบูรณาการยังสามารถผลิตจากวัสดุที่แตกต่างกันหลายชนิด รวมถึงแก้วและโพลีอิไมด์ ซึ่งแตกต่างจากวัสดุมาตรฐานอย่างPDMSที่ใช้ในอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกส์แบบหยดหลายชนิด^{[ 114 ] [ 115 ]}นี่เป็นคุณสมบัติที่สำคัญเนื่องจากการใช้งานชิปไมโครฟลูอิดิกส์ HPLC ที่แตกต่างกันอาจต้องการแรงดันที่แตกต่างกัน PDMS ล้มเหลวเมื่อเปรียบเทียบกับการใช้งานแรงดันสูงเมื่อเทียบกับแก้วและโพลีอิไมด์ ความหลากหลายสูงของการรวม HPLC ช่วยให้มั่นใจถึงความแข็งแกร่งโดยหลีกเลี่ยงการเชื่อมต่อและข้อต่อระหว่างคอลัมน์และชิป^{[ 116 ]}ความสามารถในการสร้างต่อยอดจากการออกแบบดังกล่าวในอนาคตทำให้สาขาไมโครฟลูอิดิกส์สามารถขยายการใช้งานที่มีศักยภาพต่อไปได้

ศักยภาพในการใช้งานของคอลัมน์ HPLC แบบบูรณาการภายในอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกได้รับการพิสูจน์แล้วว่ากว้างขวางในช่วง 10-15 ปีที่ผ่านมา การบูรณาการคอลัมน์ดังกล่าวช่วยให้สามารถทำการทดลองได้ในกรณีที่วัสดุมีจำกัดหรือมีราคาแพงมาก เช่น ในการวิเคราะห์โปรตีนทางชีววิทยา การลดปริมาณรีเอเจนต์นี้ช่วยให้สามารถทำการทดลองใหม่ๆ เช่น การวิเคราะห์โปรตีนในเซลล์เดียว ซึ่งก่อนหน้านี้ทำได้ยากมากเนื่องจากข้อจำกัดด้านขนาดของอุปกรณ์ก่อนหน้านี้^{[ 117 ]}การเชื่อมต่ออุปกรณ์ HPLC-chip กับวิธีการสเปกโทรเมตรีอื่นๆ เช่น แมสสเปกโทรเมตรี ช่วยเพิ่มความมั่นใจในการระบุชนิดของสารที่ต้องการ เช่น โปรตีน^{[ 118 ]}ชิปไมโครฟลูอิดิกยังถูกสร้างขึ้นโดยมีสายหน่วงเวลาภายในที่ช่วยให้สามารถสร้างเกรเดียนต์เพื่อปรับปรุง HPLC ให้ดียิ่งขึ้น ซึ่งสามารถลดความจำเป็นในการแยกเพิ่มเติมได้^{[ 119 ]}การใช้งานจริงอื่นๆ ของชิป HPLC แบบบูรณาการ ได้แก่ การตรวจสอบการมีอยู่ของยาในบุคคลผ่านทางเส้นผม^{[ 120 ]}และการติดฉลากเปปไทด์ผ่านโครมาโทกราฟีของเหลวแบบย้อนกลับ^{[ 121 ]}

การพ่นหยดของเหลวด้วยคลื่น เสียง ( Acoustic droplet ejectionหรือ ADE) ใช้คลื่นเสียงอัลตราซาวนด์ ในการเคลื่อนย้าย ของเหลวปริมาณน้อย (โดยทั่วไปคือระดับนาโนลิตรหรือพิโคลิตร) โดยไม่ต้องสัมผัสทางกายภาพ เทคโนโลยีนี้จะโฟกัสพลังงานเสียงไปที่ตัวอย่างของเหลวเพื่อพ่นหยดของเหลวที่มีขนาดเล็กมากถึงหนึ่งในล้านล้านของลิตร (พิโคลิตร = ^10⁻¹²ลิตร) เทคโนโลยี ADE เป็นกระบวนการที่อ่อนโยนมาก และสามารถใช้ในการถ่ายโอนโปรตีน ดีเอ็นเอที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง และเซลล์ที่มีชีวิตโดยไม่เกิดความเสียหายหรือสูญเสียความสามารถในการอยู่รอด คุณสมบัตินี้ทำให้เทคโนโลยีนี้เหมาะสำหรับงานประยุกต์ที่หลากหลาย รวมถึงโปรตีโอมิกส์และการทดสอบแบบใช้เซลล์

เซลล์เชื้อเพลิงไมโครฟลูอิดิกสามารถใช้การไหลแบบลามินาร์เพื่อแยกเชื้อเพลิงและสารออกซิไดซ์เพื่อควบคุมปฏิสัมพันธ์ของของเหลวทั้งสองโดยไม่ต้องใช้สิ่งกีดขวางทางกายภาพที่เซลล์เชื้อเพลิงแบบดั้งเดิมต้องการ^{[ 122 ] [ 123 ] [ 124 ]}

เพื่อทำความเข้าใจความเป็นไปได้ของการมีสิ่งมีชีวิตอยู่ที่อื่นในจักรวาลนักชีววิทยาอวกาศจึงสนใจที่จะวัดองค์ประกอบทางเคมีของวัตถุนอกโลก^{[ 125 ]}เนื่องจากขนาดที่เล็กและฟังก์ชันการทำงานที่หลากหลาย อุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกจึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการวิเคราะห์ตัวอย่างระยะไกลเหล่านี้^{[ 126 ] [ 127 ] [ 128 ]} จากตัวอย่างนอกโลก สามารถประเมินปริมาณสารอินทรีย์ได้โดยใช้ไมโครชิปแคปิลลารีอิเล็กโทรโฟเรซิสและสีย้อมเรืองแสงแบบเลือกได้^{[ 129 ]} อุปกรณ์เหล่านี้สามารถตรวจจับกรดอะมิโน [ ^{130 ]}เปปไทด์ [ ^{131 ] กรด}ไขมัน[ ^{132 ] และ}อัลดีไฮด์ คีโตน [ 133 ] และไทออลอย่างง่าย[ 134 ]การ^{วิเคราะห์เหล่านี้}เมื่อรวมกัน^{แล้วจะช่วยให้}สามารถตรวจจับส่วนประกอบสำคัญของสิ่งมีชีวิตได้อย่างมีประสิทธิภาพ และหวังว่าจะช่วยในการค้นหาสิ่งมีชีวิตนอกโลกที่ทำงานได้^{[ 135 ]}

เทคนิคไมโครฟลูอิดิก เช่น ไมโครฟลูอิดิกแบบหยด ไมโครฟลูอิดิกแบบกระดาษ และแล็บออนอะชิปถูกนำมาใช้ในสาขาวิทยาศาสตร์อาหารในหลากหลายประเภท^{[ 136 ]}การวิจัยด้านโภชนาการ^{[ 137 ] [ 138 ]}การแปรรูปอาหาร และความปลอดภัยของอาหารได้รับประโยชน์จากเทคนิคไมโครฟลูอิดิก เนื่องจากสามารถทำการทดลองได้โดยใช้สารเคมีน้อยลง^{[ 136 ]}

การแปรรูปอาหารจำเป็นต้องมีความสามารถในการรักษาความคงตัวของอาหาร เช่น อิมัลชันหรือการเติมสารกันบูด เทคนิคต่างๆ เช่น ไมโครฟลูอิดิกส์แบบหยดถูกนำมาใช้เพื่อสร้างอิมัลชันที่มีการควบคุมและซับซ้อนกว่าที่สร้างโดยวิธีการโฮโมจีไนเซชันแบบดั้งเดิม เนื่องจากความแม่นยำของหยดที่สามารถทำได้ การใช้ไมโครฟลูอิดิกส์สำหรับอิมัลชันยังประหยัดพลังงานมากกว่าเมื่อเทียบกับโฮโมจีไนเซชัน ซึ่ง "ใช้พลังงานเพียง 5% ในการสร้างอิมัลชัน ส่วนที่เหลือจะกระจายไปเป็นความร้อน" ^{[ 139 ]}แม้ว่าวิธีการเหล่านี้จะมีประโยชน์ แต่ปัจจุบันยังขาดความสามารถในการผลิตในระดับใหญ่ที่จำเป็นสำหรับการจำหน่ายเชิงพาณิชย์^{[ 140 ]}ไมโครฟลูอิดิกส์ยังถูกนำมาใช้ในการวิจัย เนื่องจากช่วยให้เกิดนวัตกรรมในด้านเคมีอาหารและการแปรรูปอาหาร^{[ 136 ] [ 140 ]}ตัวอย่างหนึ่งในการวิจัยด้านวิศวกรรมอาหารคืออุปกรณ์พิมพ์ 3 มิติขนาดเล็กแบบใหม่ที่สร้างขึ้นเพื่อวิจัยการผลิตหยดสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมแปรรูปอาหาร โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการทำงานกับอิมัลชันที่ได้รับการปรับปรุง^{[ 141 ]}

ไมโครฟลูอิดิกส์แบบกระดาษและหยดช่วยให้สามารถสร้างอุปกรณ์ที่สามารถตรวจจับแบคทีเรียหรือสารเคมีที่ไม่พึงประสงค์ในปริมาณน้อย ทำให้มีประโยชน์ในด้านความปลอดภัยของอาหารและการวิเคราะห์^{[ 142 ]}อุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกส์แบบกระดาษมักถูกเรียกว่าอุปกรณ์วิเคราะห์ไมโครฟลูอิดิกส์แบบกระดาษ (μPADs) และสามารถตรวจจับสิ่งต่างๆ เช่น ไนเตรต^{[ 143 ]}สารกันบูด^{[ 144 ]}หรือยาปฏิชีวนะ^{[ 145 ]}ในเนื้อสัตว์โดยปฏิกิริยาสีที่สามารถตรวจจับได้ด้วยสมาร์ทโฟน วิธีการเหล่านี้กำลังได้รับการวิจัยเนื่องจากใช้สารตั้งต้น พื้นที่ และเวลาน้อยกว่าเมื่อเทียบกับเทคนิคแบบดั้งเดิม เช่น โครมาโทกราฟีของเหลว μPADs ยังทำให้การทดสอบการตรวจจับที่บ้านเป็นไปได้ ซึ่งเป็นที่น่าสนใจสำหรับผู้ที่มีอาการแพ้และไม่ทนต่อ อาหาร ^{[ 143 ]}นอกเหนือจากวิธีการแบบกระดาษแล้ว การวิจัยยังแสดงให้เห็นว่าไมโครฟลูอิดิกส์แบบหยดมีแนวโน้มที่ดีในการลดเวลาที่จำเป็นในการยืนยันการปนเปื้อนของแบคทีเรียที่มีชีวิตในน้ำทางการเกษตรในอุตสาหกรรมอาหารทั้งในประเทศและต่างประเทศได้อย่างมาก^{[ 142 ]}

การรักษาโรคมะเร็งแบบเฉพาะบุคคลเป็นวิธีการที่ปรับแต่งตามการวินิจฉัยและประวัติของผู้ป่วย เทคโนโลยีไมโครฟลูอิดิกนำเสนอการตรวจจับที่ไวด้วยปริมาณงานที่สูงขึ้น รวมถึงลดเวลาและต้นทุน สำหรับการรักษาโรคมะเร็งแบบเฉพาะบุคคล องค์ประกอบของเนื้องอกและความไวต่อยาเป็นสิ่งสำคัญมาก^{[ 146 ]}

การตอบสนองต่อยาของผู้ป่วยสามารถทำนายได้จากสถานะของไบโอมาร์กเกอร์หรือความรุนแรงและการลุกลามของโรคสามารถทำนายได้จากการปรากฏตัวของเซลล์ที่ผิดปกติ^{[ 147 ]} Drop - qPCRเป็น เทคโนโลยี ไมโครฟลูอิดิกแบบหยดซึ่งหยดจะถูกขนส่งในหลอดแคปิลลารีที่ใช้ซ้ำได้และไหลผ่านสองพื้นที่ที่รักษาอุณหภูมิคงที่ต่างกันสลับกันและตรวจจับฟลูออเรสเซนซ์ วิธีนี้มีประสิทธิภาพและมีความเสี่ยงต่อการปนเปื้อนต่ำในการตรวจจับHer2 [ ^{146 ] วิธี} PCR แบบดิจิทัลที่ใช้หยดสามารถใช้ตรวจจับ การกลายพันธุ์ ของ KRASด้วยโพรบ TaqManเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการตรวจจับอัตราส่วนของยีนกลายพันธุ์^{[ 148 ]}นอกจากนี้ การทำนายการลุกลามของโรคหลังการผ่าตัดใน ผู้ป่วย มะเร็งเต้านม  หรือมะเร็งต่อมลูกหมาก อย่างแม่นยำ เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการกำหนดการรักษาหลังการผ่าตัด ห้องไมโครฟลูอิดิกแบบง่ายที่เคลือบด้วยส่วนผสมของเมทริกซ์นอกเซลล์ที่คิดค้นขึ้นอย่างระมัดระวังจะใช้สำหรับเซลล์ที่ได้จากการ ตรวจ ชิ้นเนื้อ เนื้องอก หลังจากการเจริญเติบโต 72 ชั่วโมงและการประเมินเซลล์อย่างละเอียดโดยการถ่ายภาพ^{[ 149 ]}

ไมโครฟลูอิดิกส์ยังเหมาะสำหรับ การวิเคราะห์ เซลล์มะเร็งที่หมุนเวียน (CTCs)และเซลล์ที่ไม่ใช่CTCs ในการวิเคราะห์ ตัวอย่างของเหลวด้วยลูกปัดจะเชื่อมต่อกับแอนติบอดีต่อโมเลกุลการยึดเกาะของเซลล์เยื่อบุผิว (EpCAM)เพื่อการคัดเลือกเชิง บวก ใน ชิปแยก CTCs (iCHIP) [ ^{150 ] นอกจาก} นี้ยังสามารถตรวจจับCTCs ได้โดยใช้การทำให้สภาพ แวดล้อมจุลภาคของเนื้องอก เป็นกรด และความแตกต่างของความจุของเยื่อหุ้มเซลล์^{[ 151 ] [ 152 ]} CTCsจะถูกแยกออกจากเลือดโดยอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกส์ และเพาะเลี้ยงบนชิปซึ่งอาจเป็นวิธีในการเก็บข้อมูลทางชีวภาพเพิ่มเติมในการวิเคราะห์ครั้งเดียว ตัวอย่างเช่น สามารถใช้เพื่อทดสอบอัตราการรอดชีวิตของเซลล์ของยาหรือยาผสมที่แตกต่างกัน 40 ชนิด^{[ 153 ]}ถุงนอกเซลล์ที่ได้จากเนื้องอกสามารถแยกออกจากปัสสาวะและตรวจจับได้โดยอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกส์แบบกรองสองชั้นแบบบูรณาการ นอกจากนี้ยังสามารถแยกออกจากเลือดและตรวจจับได้ด้วยวิธีการตรวจจับทางไฟฟ้าเคมีโดย ใช้ การทดสอบเอนไซม์แบบขยายสองระดับ^{[ 154 ] [ 155 ]}

วัสดุเนื้องอกสามารถใช้ตรวจจับได้โดยตรงผ่านอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิก ในการคัดกรองเซลล์ปฐมภูมิสำหรับยา มักจำเป็นต้องแยกแยะเซลล์มะเร็งออกจากเซลล์ที่ไม่เป็นมะเร็งชิปไมโครฟลูอิดิกที่ใช้ความสามารถของเซลล์ในการผ่านช่องแคบเล็ก ๆ สามารถคัดแยกประเภทเซลล์และการแพร่กระจายได้ [ ^{156 ] อุปกรณ์}ไมโครฟลูอิดิกแบบหยดมีศักยภาพในการคัดกรองยาที่แตกต่างกันหรือการผสมผสานของยาโดยตรงบน ตัวอย่าง เนื้องอกปฐมภูมิด้วยความแม่นยำสูง เพื่อปรับปรุงกลยุทธ์นี้ โปรแกรมไมโครฟลูอิดิกที่มีลำดับการผสมยาควบคู่กับบาร์โค้ดเรืองแสงจะมีประสิทธิภาพมากขึ้น^{[ 157 ]}กลยุทธ์ขั้นสูงอีกอย่างหนึ่งคือการตรวจจับอัตราการเติบโตของเซลล์เดี่ยวโดยใช้ตัวเรโซเนเตอร์ไมโครแชนเนลแบบแขวนลอย ซึ่งสามารถทำนายความไวต่อยาของCTC ที่หายาก ได้^{[ 158 ]}

อุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกส์ยังสามารถจำลองสภาพแวดล้อมจุลภาคของเนื้องอกเพื่อช่วยในการทดสอบยาต้านมะเร็ง อุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกส์ที่มีการเพาะเลี้ยงเซลล์แบบ 2 มิติหรือ 3 มิติสามารถใช้ในการวิเคราะห์สเฟียรอยด์สำหรับระบบมะเร็งต่างๆ (เช่นมะเร็งปอดและมะเร็งรังไข่ ) และมีความสำคัญสำหรับการทดสอบยาต้านมะเร็งหลายชนิดและการทดสอบความเป็นพิษ กลยุทธ์นี้สามารถปรับปรุงได้โดยการเพิ่มปริมาณการผลิตสเฟียรอยด์ ตัวอย่างเช่นอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกส์แบบหยด สำหรับ การเพาะเลี้ยงเซลล์แบบ 3 มิติหนึ่งเครื่องสามารถ ผลิตสเฟียรอยด์ได้ 500 ชิ้นต่อชิป^{[ 159 ]}สเฟียรอยด์เหล่านี้สามารถเพาะเลี้ยงได้นานขึ้นในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันเพื่อวิเคราะห์และตรวจสอบ เทคโนโลยีขั้นสูงอีกอย่างหนึ่งคืออวัยวะบนชิปซึ่งสามารถใช้จำลองอวัยวะหลายส่วนเพื่อกำหนดการเผาผลาญและกิจกรรมของยาโดยอาศัย การเลียนแบบ หลอดเลือดรวมถึงการเลียนแบบค่าpHออกซิเจน...เพื่อวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างยาและสภาพแวดล้อมของอวัยวะมนุษย์^{[ 159 ]}

กลยุทธ์หนึ่งที่เกี่ยวข้องกับการลำดับดีเอ็นเอแบบโครมาตินอิมมูโนพรีซิปิเทชัน (ChiP) ใน เซลล์เดี่ยว คือดรอปเล็ตซึ่งทำงานโดยการรวมการลำดับอาร์เอ็นเอ ในเซลล์เดี่ยวแบบดรอปเล็ต เข้ากับ แอนติบอดี ที่มีบาร์โค้ดดีเอ็นเอ ซึ่งอาจใช้เพื่อสำรวจความแตกต่างของเนื้องอกตามจีโนไทป์และฟีโนไทป์เพื่อเลือกยาต้านมะเร็งเฉพาะบุคคลและป้องกันการกลับมาเป็นซ้ำของมะเร็ง^{[ 160 ]}

นอกเหนือจากการใช้งานทางการแพทย์และชีววิทยาแล้ว ไมโครฟลูอิดิกส์ยังถูกนำมาใช้ในการตรวจจับและควบคุมมลพิษ แม้ว่าไมโครฟลูอิดิกส์จะใช้เฉพาะกับอนุภาคขนาดไมครอนเท่านั้น แต่ห้องปฏิบัติการบนชิปแบบใหม่ที่ผสานการรวมตัวของอนุภาคขนาดนาโนเข้ากับไมโครฟลูอิดิกส์แบบเฉื่อยเกลียวสำหรับการตรวจจับนาโนพลาสติกและไมโครพลาสติกขนาดเล็กมากจากสิ่งแวดล้อมได้อย่างรวดเร็ว^{[ 161 ]}

ความก้าวหน้าที่สำคัญอย่างหนึ่งในสาขานี้คือการพัฒนา ระบบ อิเล็กโทรโฟเรซิสแบบเส้นเลือดฝอย (CE) แบบบูรณาการบนไมโครชิปดังที่Z. Hugh Fanและ D. Jed. Harrison ได้แสดงให้เห็น พวกเขาสร้างชิปแก้วแบบแบนที่รวมหัวฉีดตัวอย่างและช่องแยกโดยใช้ เทคนิค การผลิต ขนาดเล็ก การตั้งค่านี้ทำให้สามารถแยกกรดอะมิโน ได้อย่างรวดเร็ว ในเวลาเพียงไม่กี่วินาที โดยบรรลุประสิทธิภาพการแยกสูงถึง 6800 เพลทเชิงทฤษฎีการใช้สนามไฟฟ้า สูง ซึ่งเป็นไปได้เนื่องจากมวลความร้อนและการนำความร้อนของแก้ว ช่วยลดผลกระทบจากความร้อนจูล ทำให้ระบบมีประสิทธิภาพสูงและรวดเร็ว นวัตกรรมดังกล่าวเน้นย้ำถึงศักยภาพของอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกในเคมีวิเคราะห์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานที่ต้องการการวิเคราะห์ที่รวดเร็วและแม่นยำ^{[ 162 ]}

• ไลบรารีการจำลองขั้นสูง
• ไมโครฟลูอิดิกส์แบบหยด
• ฟลูอิดิกส์
• อิเล็กโทรไคเนติกส์ประจุเหนี่ยวนำ
• วงจรของเหลวแบบบูรณาการ
• ห้องทดลองบนชิป
• การเพาะเลี้ยงเซลล์แบบไมโครฟลูอิดิก
• สเปกโทรสโกปีการปรับเปลี่ยนไมโครฟลูอิดิก
• ไมโครฟิสิโอเมตรี
• ไมโครปั๊ม
• ไมโครวาล์ว
• uFluids@Home
• ไมโครฟลูอิดิกส์แบบกระดาษ

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับไมโครฟลูอิดิกส์

เว็บไซต์ Wikibooks มีข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับหัวข้อ: ไมโครฟลูอิดิกส์

Scholiaมีโปรไฟล์หัวข้อสำหรับMicrofluidics