Microfluidic Technologies for Miniaturized Analysis Systems pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Hardt, Steffen (EDT)/ Schonfeld, Friedhelm (EDT)

出品人:

页数:644

译者:

出版时间:2007-11

价格:$ 236.17

装帧:HRD

isbn号码:9780387285979

丛书系列:

图书标签:

• Microfluidics
• Lab-on-a-Chip
• Miniaturization
• Analytical Chemistry
• Biotechnology
• Micro Total Analysis Systems
• Diagnostics
• Sensors
• Fluid Dynamics
• BioMEMS

微流控技术在微型化分析系统中的应用：一部全面而深入的探索 书籍概述 本书旨在为读者提供一个关于微流控技术（Microfluidics）在构建高度集成化、便携式微型化分析系统（Miniaturized Analytical Systems, MAS）领域的全面视角。它不仅仅是一本理论介绍，更是一本深度融合了基础科学原理、工程实践、材料科学以及前沿应用案例的综合性技术手册。本书特别关注如何利用微米甚至纳米尺度的流体控制，实现对极微量样本的高效处理、分离、检测和分析，从而彻底革新传统实验室分析的模式。 核心内容模块 本书结构严谨，分为五个主要部分，层层递进，确保读者能从理论基石构建起对整个微流控领域的深刻理解。 第一部分：微流控基础与流体动力学（The Foundations of Microfluidics） 本部分深入探讨了在微纳尺度下流体行为的独特物理规律，这是理解和设计微流控芯片的关键。 1. 微观尺度的流体力学： 详细阐述了牛顿流体和非牛顿流体在微通道中的流动特性。重点分析了低雷诺数（Reynolds number）环境下的层流特性、扩散与传质的支配作用，以及表面张力、毛细作用力在微通道中的重要性。引入了界面张力和润湿性对流体驱动和传输的影响模型。 2. 驱动与控制机制： 系统介绍了实现微量液体精确运动的各种主动和被动驱动方法。 被动驱动： 详细分析了毛细驱动（Capillary action）的理论模型，包括通道几何形状、表面能对驱动力的量化计算。 主动驱动： 全面覆盖了基于压力（如泵、气动系统）和基于电场（如电渗流（Electroosmotic Flow, EOF）、电润湿（Electrowetting））的控制技术。重点分析了EOF的产生机理、影响因素（如缓冲液pH值、表面电荷密度）及其在分离和混合中的应用。 3. 微通道设计原理： 探讨了影响微流控系统性能的关键几何参数。包括通道尺寸（宽度、深度）、长径比、弯曲度对压降和流速分布的影响。引入了先进的拓扑结构设计，如迷宫式通道、蛇形通道、以及用于实现复杂多步骤操作的集成网络设计。 第二部分：微流控芯片的制造与集成（Fabrication and Integration） 本部分聚焦于如何将理论设计转化为可操作的物理器件，涵盖了从材料选择到复杂系统集成的全过程。 1. 关键材料选择： 详细对比了不同材料在微流控制造中的优缺点。 聚合物基材： 深入探讨了PDMS（聚二甲基硅氧烷）的优越性（光学透明性、柔韧性、易加工性），及其在软光刻（Soft Lithography）中的应用，包括键合技术（如氧等离子体键合）。 硬质基材： 分析了玻璃、硅基材在需要高分辨率、耐化学腐蚀或高压操作环境下的适用性，以及湿法刻蚀和干法刻蚀（如深反应离子刻蚀，DRIE）技术。 新型材料： 探讨了热塑性塑料（如PMMA, COC, COP）的热压合技术，以及3D打印技术（如SLA, DLP）在快速原型制作和复杂三维结构制造中的潜力。 2. 制造工艺流程： 详细介绍了从掩模版制作到最终器件封装的标准工业和实验室制造流程。重点讲解了光刻技术（Photolithography）在制作高精度特征尺寸中的作用，以及表面功能化技术，用于调控通道内壁的润湿性和生物相容性。 3. 多层与三维集成： 阐述了如何通过层叠和键合技术构建多通道、多功能的复杂三维微流控芯片，实现多个分析步骤的顺序集成，是构建“芯片上的实验室”（Lab-on-a-Chip, LOC）的关键。 第三部分：微流控在分离与检测中的应用（Separation and Detection in Microdevices） 本部分将理论与工程实践相结合，展示了微流控技术如何实现传统分析方法的微型化和优化。 1. 微流控分离技术： 电泳分离： 重点分析了微通道内毛细管电泳（Capillary Electrophoresis, CE）的理论基础，包括迁移率、分离效率（塔板数）的提升，以及与微流控驱动结合的优势。 微流控色谱： 讨论了在微通道内填充固定相实现高效分离（如微柱床色谱）的技术挑战与进展，尤其关注颗粒固定相的装填技术和反冲效应的抑制。 粒径与密度分离： 介绍了基于流体力学（如剪切场分离、惯性聚焦）和声场（如声流控，Acoustofluidics）的无标记细胞和颗粒分离技术，无需使用化学试剂或昂贵的传感器。 2. 微尺度检测集成： 讨论了将光学、电化学和生物传感器直接集成到微流控路径中的方法。 光学检测： 详细介绍了荧光检测、吸光度测量（微光纤耦合、内置波导结构）在微通道内的灵敏度优化和背景噪声抑制技术。 电化学传感： 阐述了如何利用微电极阵列（Microelectrode Arrays, MEAs）在微环境中实现高灵敏度的氧化还原反应监测、DNA杂交或免疫分析。 第四部分：芯片上的实验室（Lab-on-a-Chip, LOC）与系统集成 本部分将焦点放在将分散的微流控单元操作模块整合为一个功能完整的自动化分析系统。 1. 自动化样本处理： 探讨了从样本采集、预处理（如细胞裂解、核酸提取、血浆分离）到试剂混合与分配的自动化流程。重点关注如何通过阀门阵列、数字微流控（Digital Microfluidics, DMF）技术实现对离散液滴的精确操纵和编程。 2. 液滴微流控（Droplet Microfluidics）： 这是一个高度专业化的分支。本书详细分析了如何通过剪切流或T形结构稳定地生成单分散的油包水（W/O）或水包油（O/W）液滴。深入探讨了液滴在微通道中的传输动力学、液滴的合并、分裂、以及利用液滴进行高通量筛选和单细胞分析的原理。 3. 系统级优化与人机交互： 讨论了如何将微流控芯片、驱动电子元件、光学读取设备和控制软件进行模块化集成。涉及实时数据采集、反馈控制回路的设计，以及用户友好的界面设计，以确保非专业用户也能便捷地操作复杂的分析系统。 第五部分：前沿应用与未来展望（Frontier Applications and Outlook） 本书最后一部分着眼于微流控技术在生物医学、环境监测和化学合成领域的实际落地案例，并展望了未来的发展趋势。 1. 生物医学诊断： 详细介绍基于微流控的即时检验（Point-of-Care Testing, POCT）设备，包括快速病原体检测、循环肿瘤细胞（CTC）捕获与分析、以及单细胞基因组学分析平台。 2. 药物开发与筛选： 讨论了微流控在构建“器官芯片”（Organ-on-a-Chip）模型中的核心作用，如何通过精确控制微环境（如营养、剪切应力）来模拟人体生理功能，用于药物毒性筛选和个性化医疗方案的验证。 3. 绿色化学与合成： 阐述了微反应器（Microreactors）在精细化学品和药物中间体合成中的优势，包括卓越的传热传质效率带来的反应速率提升、安全性的提高以及连续流化学的实现。 4. 未来挑战与机遇： 总结了当前微流控技术面临的瓶颈，如大规模、低成本的制造标准化、系统级的可靠性验证，以及与新兴技术（如AI驱动的自动化分析）的深度融合方向。 --- 读者对象： 本书适合材料科学、生物工程、化学工程、电子工程等相关专业的本科高年级学生、研究生、科研人员以及在医疗设备、体外诊断（IVD）行业工作的工程师。它为希望从基础理论跨越到实际工程应用的专业人士提供了坚实的知识框架。

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