Introduction to Microfluidics pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Oxford University Press

作者:Patrick Tabeling

出品人:

页数:312

译者:

出版时间:2010-05-01

价格:$ 62.15

装帧:Paperback

isbn号码:9780199588169

丛书系列:

图书标签:

Microfluidics
Lab-on-a-Chip
Biomedical Engineering
Microbiology
Chemistry
Physics
Fluid Dynamics
BioMEMS
Diagnostics
Analytical Chemistry

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具体描述

Microfluidics deals with fluids flowing in miniaturized systems, It is a young discipline, which is expected to substantially expand over the next few years, stimulated by the considerable development of applications in the pharmaceutical, biomedical and chemical engineering domains. The book is an introduction to this discipline. The first chapter presents a short historical background and discusses the main perspectives of the domain, at economical and scientific levels. Then the physics of miniaturization and the fluid mechanics of microflows are discussed. In the following three chapters, dispersion, electrical and thermal phenomena in miniaturized devices are presented. A brief introduction to microfabrication techniques is given in Chap VI and the book concludes by providing a few examples of microfluidic systems. The book is written in a simple, direct, pedagogical way; it emphasizes concepts and understanding, rather than technical detail. It offers a cross-disciplinary view of the field, embracing biological, chemical, physical and engineering perspectives. The book wil provide the reader with the concepts, methods and data they need to grasp situations which typically arise in microfluidic systems.

好的，这是一份关于一本名为《Introduction to Microfluidics》的书籍的详细内容简介，内容完全基于该主题，但不包含您提供的原书名本身： --- 书籍简介：《微尺度流体操控技术导论》聚焦：本书旨在为工程、物理、化学及生物科学等领域的初学者和研究人员，系统性地引入微流控技术（Microfluidics）的基础理论、关键设备、设计方法与前沿应用。它将微观尺度的流体行为置于一个清晰的物理框架下，引导读者从基础物理定律出发，逐步深入到复杂的系统集成与实际案例分析。第一部分：微尺度世界的物理基础 (The Physics of the Microscale) 本部分是理解微流控技术的基石，重点阐述流体在微米尺度下表现出的宏观尺度所不具备的特性。第一章：流体力学的尺度效应与纳维-斯托克斯方程（Scaling and the Navier-Stokes Equations）本章首先探讨了流体动力学从宏观世界（如管道中的水流）过渡到微观世界（如芯片内的液体流动）时所发生的根本性变化。我们引入雷诺数（Reynolds Number, $Re$）、佩克莱数（Peclet Number, $Pe$）和韦伯数（Weber Number, $We$）等关键无量纲参数，阐明在微流控系统中，惯性力如何迅速衰减，而粘性力占据主导地位，导致流动模式几乎总是层流（Laminar Flow）。随后，我们将详细解析描述流体运动的纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes Equations），并探讨在低 $Re$ 情况下，该方程如何简化为斯托克斯流（Stokes Flow）或Creeping Flow。对这些基础方程的深入理解，是设计高效微通道和预测流场分布的前提。第二章：界面现象与表面张力的支配地位（Interfacial Phenomena and Surface Tension Dominance）在微米甚至纳米尺度上，流体与流体、流体与固体之间的界面作用力（如表面张力、毛细力）变得极其重要。本章将侧重于： 1. 毛细现象与毛细数：解释液体如何在没有外加压力的情况下，仅凭表面张力驱动，在狭小通道中自发流动（如多孔介质中的传输）。 2. 接触角与润湿性：讨论固体表面能与液体表面能之间的相互作用，以及如何通过表面化学修饰（如亲水性/疏水性处理）来精确控制液滴的形状和移动轨迹。 3. 耶德勒-舒尔茨平衡（Young-Laplace Equation）：量化界面曲率与压力差之间的关系，这对于设计微泵和微阀门至关重要。第三章：传质与传热的增强机制（Enhanced Mass and Heat Transfer Mechanisms）由于层流的存在，微流控系统中依靠扩散进行物质混合的效率较低。本章将分析： 1. 纯扩散限制：阐述在典型层流条件下，溶质的混合主要依赖于时间和扩散系数，并引入扩散时间尺度的概念。 2. 对流-扩散耦合：介绍通过设计特殊通道结构（如螺旋形、蛇形通道）来增强流体的对流混合，从而克服扩散限制，实现快速、精准的混合。 3. 热梯度控制：讨论微通道内极高的比表面积如何导致快速的热交换，这对温度敏感的生物实验（如PCR、细胞培养）既是挑战也是机遇。 --- 第二部分：微流控芯片的设计与制造（Design and Fabrication of Microfluidic Devices）本部分将视角转向实际的“芯片工程”，涵盖从材料选择到结构制造的全过程。第四章：基底材料与软光刻技术（Substrate Materials and Soft Lithography）微流控设备的制造依赖于高精度和成本效益。本章重点介绍： 1. 材料选择：对比玻璃（高化学兼容性）、硅（高精度，适用于半导体工艺）以及聚合物（如PDMS、COC、PMMA）的优缺点，特别是聚二甲基硅氧烷（PDMS）在快速原型设计中的核心地位。 2. 软光刻（Soft Lithography）：详细介绍使用光刻胶（Photoresist）制作主模具（Master Mold）的过程，以及如何利用PDMS进行弹性复制和密封，这是当代微流控芯片制造的黄金标准。 3. 键合技术：探讨将流体层与覆盖层永久性或可逆性结合的方法，包括氧等离子体键合、热固化键合等，强调键合质量对防止泄漏和维持通道几何形状的关键性。第五章：主动与被动流体操控（Active and Passive Fluid Control）本章区分了无需外部驱动力的被动方法和需要能量输入的有源方法。 1. 被动流控（Passive Control）：集中讨论如何利用通道几何结构实现流体的分离、分流和聚焦。包括迷宫结构、分离器、收缩-扩张结构（Nozzles/Diffusers）以及赫斯顿（Herbst）分离器等。 2. 主动流控（Active Control）：介绍利用外部场实现流体精确调控的技术。重点是电润湿现象（Electrowetting-on-Dielectric, EWOD）在液滴操控中的应用，以及利用声波（Acoustophoresis）或磁场（Magnetophoresis）对微粒或细胞进行靶向捕获和分离。第六章：微泵、微阀与集成系统（Micropumps, Microvalves, and System Integration）构建一个功能性微流控系统需要精准的流体计量和控制。 1. 微泵技术：分析基于机械（如蠕动泵、薄膜泵）和非机械（如电渗透泵、热致动泵）的流体驱动方式，侧重于它们在提供稳定流量方面的局限性与优势。 2. 微阀门机制：探讨软光刻实现的气动控制阀（Pneumatic Valves）的工作原理，以及如何通过它们实现复杂的流体逻辑（AND/OR门），从而构建片上流体逻辑电路。 3. 系统集成：讨论如何将传感、反应和分离模块集成在一个单一的芯片平台上，实现“芯片上的实验室”（Lab-on-a-Chip）功能。 --- 第三部分：前沿应用领域（Advanced Applications）本部分展示了微流控技术在解决实际科学和工程问题中的强大潜力。第七章：微流控在生物医学工程中的应用（Biomedical Applications）微流控芯片因其精确的流体环境控制和极低的样本消耗量，已成为生物和医学研究的有力工具。 1. 单细胞分析（Single-Cell Analysis）：阐述如何使用液滴微流控技术（Droplet Microfluidics）来封装、培养和分析单个细胞或病毒颗粒，实现高通量的筛选。 2. 类器官芯片（Organ-on-a-Chip）：详细介绍如何利用微流控平台模拟生理环境（如血管灌注、机械应力），构建微型人体器官模型（如肺、肝、血管），用于药物毒性测试和疾病建模。 3. 即时检验（Point-of-Care, POC）诊断：探讨基于微流控的快速检测设备，如何实现血液、尿液或唾液样本的快速处理、分离和生物标志物的检测。第八章：化学合成与材料科学中的微流控（Microfluidics in Chemistry and Materials Science）本章关注微流控对化学反应动力学和新型材料合成的革新。 1. 连续流化学合成（Flow Chemistry）：解释微反应器如何提供极高的传热和传质效率，实现对反应温度和停留时间（Residence Time）的精确控制，从而提高反应的安全性、选择性和产率。 2. 单分散颗粒与胶体制造：重点介绍如何利用液滴作为“微反应器”，精确控制微珠、囊泡（Vesicles）或聚合物颗粒的尺寸和组成，这在药物递送系统和高分辨率成像探针制造中至关重要。 3. 微米/纳米结构制造：讨论利用微流控技术进行模板辅助的材料沉积和精确图案化，创造具有特定光学、电学或机械性能的先进功能材料。第九章：数据获取与分析（Data Acquisition and Analysis）微流控系统必须与先进的检测技术相结合才能发挥作用。本章讨论了如何从微小通道中获取可靠的、高分辨率的数据。 1. 光学检测方法：介绍常用的检测技术，包括荧光显微镜、共聚焦成像、白光干涉测量，以及如何根据实验需求选择合适的检测波长和采集速率。 2. 电化学与高灵敏度检测：讨论微电极阵列（MEA）在微流控芯片上的集成，用于实时监测离子浓度变化或细胞电生理活动。 3. 数据处理与自动化：探讨如何利用图像处理算法和机器学习方法，从高速采集的微流控实验图像中自动化地提取、量化和分析流体行为或生物学参数。 --- 本书的结构设计旨在确保读者不仅掌握微流控设备的设计和制造技能，更重要的是，能够深刻理解驱动这些现象的底层物理原理，从而有能力在未来的研究和工程项目中，创新性地应用和发展微流控技术。