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マイクロ流体工学とは、10～数百マイクロメートルの小さなチャネルを使用して少量の流体（10⁻⁹ ～ 10⁻¹⁸リットル）を操作するシステムのことです。これは、分子分析、分子生物学、マイクロエレクトロニクスを含む学際的な分野です。[ 1 ]少量の流体を処理して多重化、自動化、ハイスループットスクリーニングを実現するシステムの設計に実用的な応用があります。マイクロ流体工学は1980年代初頭に登場し、インクジェットプリントヘッド、DNAチップ、ラボオンチップ技術、マイクロ推進、マイクロ熱技術の開発に使用されています。
一般的に、マイクロ流体システムは流体の輸送、混合、分離、またはその他の処理を行います。さまざまなアプリケーションでは、毛細管力を利用した受動的な流体制御が用いられ、流量抵抗器や流量加速器に似た毛細管流調整要素が使用されます。一部のアプリケーションでは、媒体の方向性のある輸送のために外部駆動手段も併用されます。例えば、受動チップ上で流体を輸送するために遠心力を加える回転駆動装置などがあります。能動マイクロ流体とは、マイクロポンプやマイクロバルブなどの能動的な（マイクロ）コンポーネントによる作動流体の明確な操作を指します。マイクロポンプは流体を連続的に供給したり、分注に使用されます。マイクロバルブは、ポンプで送られる液体の流れ方向や移動モードを決定します。多くの場合、通常は実験室で行われるプロセスが単一のチップ上に小型化され、効率と可動性が向上し、サンプルと試薬の量を削減できます。
マイクロスケールでの流体の挙動は、慣性効果とは対照的に、表面張力、エネルギー散逸、流体抵抗などの要因がシステムを支配するようになるため、「マクロ流体」の挙動とは異なる場合があります。マイクロ流体学は、これらの挙動がどのように変化するか、また、それらをどのように回避したり、新しい用途に利用したりできるかを研究します。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]
小さなスケール（チャネルサイズが約 100ナノメートルから 500マイクロメートル）では、直感に反する特性がいくつか現れます。特に、レイノルズ数（流体の運動量の影響と粘性の影響を比較する値）が非常に低くなることがあります。その結果、流れが乱流ではなく層流になるため、共流する流体は必ずしも従来の意味で混合するわけではなく、それらの間の分子輸送は多くの場合拡散によって行われる必要があります。[ 7 ]
化学的および物理的特性（濃度、pH、温度、せん断力など）の高い特異性も確保できるため、単段階および多段階反応において、より均一な反応条件とより高品質の製品が得られます。[ 8 ] [ 9 ]
マイクロ流体の流れは、幾何学的長さスケールによってのみ制約される必要があり、そのような幾何学的制約を達成するために使用される様式と方法は、対象となるアプリケーションに大きく依存します。[ 10 ]従来、マイクロ流体の流れは、チャネルの断面が 10 μm x 10 μm 程度の閉じたチャネル内で生成されてきました。これらの各方法には、長年にわたって成熟してきた、安定した流体の流れを維持するための独自の関連技術があります。
開放型マイクロチャネルにおける流体の挙動とその制御は、2005 年頃に注目を集め[ 11 ]、空気から液体へのサンプル収集[ 12 ] [ 13 ]やクロマトグラフィー[ 14 ]に応用されました。開放型マイクロ流体では、システムの少なくとも 1 つの境界が取り除かれ、流体が空気または別の界面 (つまり液体) に露出します。[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]開放型マイクロ流体の利点には、介入のために流れる液体にアクセスできること、より大きな液気表面積、および気泡形成の最小化が含まれます。[ 18 ] [ 15 ] [ 17 ] [ 19 ] 開放型マイクロ流体のもう 1 つの利点は、開放システムを表面張力駆動流体流と統合できることであり、これにより、蠕動ポンプやシリンジポンプなどの外部ポンプ方式が不要になります。[ 20 ]オープンマイクロ流体デバイスは、フライス加工、熱成形、ホットエンボス加工によって簡単に安価に製造できます。[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]さらに、オープンマイクロ流体では、毛細管流に悪影響を与える可能性のあるデバイスのカバーを接着または接合する必要がありません。オープンマイクロ流体の例には、オープンチャネルマイクロ流体、レールベースマイクロ流体、紙ベース、および糸ベースのマイクロ流体があります。[ 15 ] [ 20 ] [ 25 ] オープンシステムの欠点には、蒸発、[ 26 ]汚染、[ 27 ]および流量の制限[ 17 ]に対する脆弱性があります。
連続流マイクロ流体は、主に毛細管要素内の流体の流れを加速または阻害することによって、狭いチャネルまたは多孔質媒体を通る定常状態の液体の流れを制御することに依存しています。 [ 28 ]紙ベースのマイクロ流体では、毛細管要素は、セクションの形状を単純に変更することによって実現できます。一般に、液体の流れのアクチュエーションは、外部圧力源、外部機械ポンプ、統合された機械式マイクロポンプ、または毛細管力と電気動学的メカニズムの組み合わせによって実現されます。[ 29 ] [ 30 ] 連続流マイクロ流体操作は、実装が容易で、タンパク質汚染の問題に敏感ではないため、主流のアプローチです。連続流デバイスは、多くの明確に定義された単純な生化学的アプリケーションや、化学分離などの特定のタスクには適していますが、高度な柔軟性や流体操作を必要とするタスクにはあまり適していません。これらの閉鎖型流路システムは、流れ場を支配するパラメータが流路に沿って変化するため、特定の場所での流体の流れがシステム全体の特性に依存するという性質上、統合や拡張が困難です。また、永久的にエッチングされた微細構造は、再構成の制限や耐障害性の低さにもつながります。
連続フローシステムにおけるプロセス監視機能は、ナノリットル範囲までの分解能を提供するMEMS技術に基づく高感度マイクロ流体フローセンサーによって実現できる。 [ 31 ]
液滴ベースのマイクロ流体は連続マイクロ流体とは異なり、低レイノルズ数と層流領域で混ざり合わない相の離散的な体積の流体を操作します。液滴ベースのマイクロ流体システムへの関心は過去数十年間で大幅に高まっています。マイクロ液滴は、微小な体積（μLからfL）の流体を簡単に扱うことができ、より優れた混合、カプセル化、選別、およびセンシングを提供し、ハイスループット実験に適しています。[ 33 ]液滴ベースのマイクロ流体の利点を効率的に活用するには、液滴生成[ 34 ]を深く理解し、液滴操作[ 37 ] 、液滴選別[ 38 ]、液滴合体[39]、および液滴分裂[ 40 ]などのさまざまな論理操作[ 35 ] [ 36 ]を実行する必要があります。
上記の閉鎖チャネル連続流システムの代替案としては、基板上で電気湿潤を用いて個別に制御可能な液滴を操作する新しい開放構造が挙げられる。デジタルマイクロエレクトロニクスの類推に倣い、このアプローチはデジタルマイクロ流体と呼ばれている。Le Pesant らは、電気毛細管力を用いて液滴をデジタルトラック上で移動させる方法を先駆的に開発した。[ 41 ] Cytonix が先駆的に開発した「流体トランジスタ」[ 42 ]も重要な役割を果たした。この技術はその後、デューク大学によって商業化された。[ 34 ]単位体積の液滴を個別に用いることで 、マイクロ流体機能を、1単位の流体を1単位の距離だけ移動させるという一連の繰り返し基本操作に還元することができる。この「デジタル化」手法により、マイクロ流体バイオチップ設計に階層的かつ細胞ベースのアプローチを採用することが可能になる。したがって、デジタルマイクロ流体は、柔軟で拡張性の高いシステムアーキテクチャと高い耐障害性を提供する。さらに、各液滴は独立して制御できるため、これらのシステムは動的な再構成可能性も備えており、マイクロ流体アレイ内のユニットセルのグループを再構成して、一連のバイオアッセイの同時実行中にその機能を変更することができます。液滴は閉じ込められたマイクロ流体チャネル内で操作されますが、液滴の制御は独立していないため、「デジタルマイクロ流体」と混同してはいけません。デジタルマイクロ流体の一般的なアクチュエーション方法の1つは、誘電体上の電気湿潤（EWOD）です。[ 43 ]電気湿潤を使用したデジタルマイクロ流体パラダイム内で、多くのラボオンチップアプリケーションが実証されています。
紙ベースのマイクロ流体デバイスは、持ち運び可能で安価で使いやすい医療診断システムを提供するものとして提案されています。[ 44 ] 紙ベースのマイクロ流体は、多孔質媒体における毛細管浸透現象に依存しています。[ 45 ]紙などの多孔質基板における流体浸透を2次元および3次元で調整するために、マイクロ流体デバイスの細孔構造、濡れ性、形状を制御できますが、液体の粘度と蒸発速度も重要な役割を果たします。このようなデバイスの多くは、親水性紙上に疎水性バリアを備えており、水溶液を生物学的反応が起こる出口まで受動的に輸送します。[ 46 ]紙ベースのマイクロ流体は、高度な医療診断ツールが利用できない遠隔地で使用される、持ち運び可能なポイントオブケアバイオセンサーとして考えられています。[ 47 ]現在のアプリケーションには、持ち運び可能なグルコース検出[ 48 ]や環境検査[ 49 ]などがあり、高度な医療診断ツールが不足している地域に到達することが期待されています。
応用分野の一つとして、流体中の粒子検出が挙げられます。直径約 1 μm までの流体中の微粒子の検出は、通常、コールター カウンターを使用して行われます。コールター カウンターでは、生理食塩水などの弱導電性流体が小さな (直径約 100 μm) 細孔を通過する際に電気信号が生成され、粒子の体積と細孔の体積の比に直接比例する電気信号が生成されます。この背後にある物理は比較的単純で、DeBlois と Bean による古典的な論文[ 50 ]で説明されており、実装はコールターの元の特許で初めて説明されています[ 51 ] 。これは、標準的な血液分析で赤血球 (赤血球) や白血球 (白血球) のサイズと数を計測するために使用される方法です。この方法の一般的な用語は抵抗パルスセンシング(RPS) であり、コールター計数は商標です。しかし、RPS法は直径1μm以下の粒子には適していません。信号対雑音比が、分析対象物が通過する細孔のサイズや第1段増幅器の入力ノイズによって決まる、確実に検出可能な限界を下回るためです。
従来のRPSコールターカウンターにおける細孔サイズの制限は、細孔の作製方法によって決まります。この方法は企業秘密ですが、おそらく従来型の機械的方法が用いられていると考えられます。ここでマイクロ流体技術が大きな効果を発揮します。リソグラフィーを用いたマイクロ流体デバイスの製造、あるいはより正確には、成形プロセスを用いてマイクロ流体デバイスを作製するための再利用可能な金型の製造は、従来の機械加工よりもはるかに小さいサイズに制限されます。1μmまでの重要な寸法は容易に作製でき、さらに少しの労力と費用をかければ、100nm以下の特徴サイズも確実にパターン化できます。これにより、細孔径が100nm程度まで達するマイクロ流体回路に組み込まれた細孔を低コストで製造することが可能になり、同時に最小粒子径も数桁縮小できます。
その結果、大学を拠点としたマイクロ流体粒子計数およびサイズ測定の開発が進み[ 52 ] [ 53 ] [ 54 ] 、この技術の商業化も進んでいる。この方法はマイクロ流体抵抗パルスセンシング（MRPS）と呼ばれている。
マイクロ流体デバイスの応用例の1つは、異なる流体または細胞タイプの分離と選別です。マイクロ流体デバイスは、磁場による粒子の移動である磁気泳動と統合されています。[ 55 ]これは、少なくとも1つの磁性成分を含む流体を、チャネルの長さに沿って磁石が配置されたマイクロ流体チャネルに通すことによって実現できます。これにより、マイクロ流体チャネル内に磁場が生成され、磁気活性物質が引き寄せられ、流体の磁性成分と非磁性成分が効果的に分離されます。この技術は、すでに磁気活性物質を含む流体を扱う産業環境で容易に利用できます。たとえば、少量の金属不純物が、牛乳やその他の乳製品などの特定の飲料液体に混入することがあります。[ 56 ]都合の良いことに、牛乳の場合、これらの金属汚染物質の多くは常磁性を示します。したがって、包装前に、牛乳を磁場勾配のあるチャネルに通すことで、金属汚染物質を精製することができます。
マイクロ流体工学では細胞分離が注目されています。これは、まず、目的の細胞タイプを標的とするように常磁性物質（通常はマイクロ/ナノ粒子または常磁性流体）[ 57 ]を機能化することによって実現できます。これは、目的の細胞タイプに特有の膜貫通タンパク質を特定し、その後、相補的な抗原または抗体で磁性粒子を機能化することによって実現できます。[ 56 ] [ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]磁性粒子が機能化されたら、細胞混合物に分散され、目的の細胞のみに結合します。得られた細胞/粒子混合物を磁場のあるマイクロ流体デバイスに流すと、標的細胞を他の細胞から分離できます。
逆に、マイクロ流体支援磁気泳動は、マイクロ液滴またはプラグ内での効率的な混合を促進するために使用できます。これを実現するには、常磁性ナノ粒子をマイクロ液滴に注入し、急速に変化する磁場を通過する直線チャネルを通過させます。これにより、液滴内で磁性粒子が左右に急速に押し出され、マイクロ液滴の内容物が混合されます。[ 60 ]これにより、従来のチャネルベースの液滴混合に必要な面倒なエンジニアリング上の考慮事項が不要になります。他の研究では、細胞を常磁性流体に懸濁し、磁気アルキメデス効果を利用することで、ラベルフリーの細胞分離が可能になることも示されています。[ 62 ] [ 63 ]これにより、粒子機能化の複雑さは解消されますが、磁気アルキメデス現象を完全に理解し、この目的にどのように使用できるかを知るには、さらなる研究が必要です。これは、マイクロ流体支援磁気泳動のさまざまなアプリケーションの網羅的なリストではありません。上記の例は、この分離技術が現在および将来の用途においていかに汎用性が高いかを強調するに過ぎない。
マイクロ流体構造には、マイクロ空気圧システム、すなわちチップ外の流体を扱うためのマイクロシステム（液体ポンプ、ガスバルブなど）と、チップ上でナノリットル（nl）およびピコリットル（pl）の容量を扱うためのマイクロ流体構造が含まれます。[ 64 ] 現在までに、マイクロ流体の最も成功した商用アプリケーションはインクジェットプリントヘッドです。[ 65 ]さらに、マイクロ流体製造の進歩により、メーカーはポリメタクリル酸メチル（PMMA）、ポリスチレン、環状オレフィンポリマー（COP）、ポリ塩化ビニル（PVC）などの低コストのプラスチックでデバイスを製造し[ 66 ] [ 67 ]、部品の品質を自動的に検証することができます。[ 68 ]マイクロ流体デバイスは、射出成形などの拡張可能な熱可塑性樹脂製造プロセスに移行する前に、マイクロチャネル設計を検証するために、ソフトリソグラフィー、マイクロフライス加工、レーザー加工などの製造方法を使用して最初に製造されることがよくあります。
マイクロ流体技術の進歩により、酵素分析（例： グルコースおよび乳酸アッセイ）、DNA分析（例：ポリメラーゼ連鎖反応およびハイスループットシーケンス）、プロテオミクス、および化学合成における分子生物学の手順が改善されることが期待されています。 [ 28 ] [ 69 ]マイクロ流体バイオチップは、検出などのアッセイ操作をサンプル前処理およびサンプル調製と統合します。 [ 70 ] [ 71 ]
バイオチップの有望な応用分野は臨床病理学、特に疾患のポイントオブケア診断である。[ 72 ]さらに、生化学的毒素やその他の危険な病原体について空気/水サンプルを連続的にサンプリングしリアルタイムで検査できるマイクロ流体ベースのデバイス[ 73 ]は、早期警告のための常時作動の「バイオスモークアラーム」として機能することができる。
マイクロ流体技術は、生物学者が細胞環境を制御するためのツールを提供してきた。微生物学におけるこの技術の潜在的な利点は以下のとおりである。
これらの分野の一部については、以下のセクションでさらに詳しく説明します。
初期のバイオチップは、 DNAマイクロアレイのアイデアに基づいており、例えばアフィメトリクスのGeneChip DNAアレイは、ガラス、プラスチック、またはシリコン基板上にDNA断片（プローブ）が微細な配列で固定されている。DNAマイクロアレイと同様に、タンパク質アレイは、多数の異なる捕捉剤（最も頻繁にはモノクローナル抗体）がチップ表面に堆積された小型アレイであり、血液などの生物学的サンプル中のタンパク質の存在および/または量を決定するために使用される。DNAアレイとタンパク質アレイの欠点は、製造後に再構成も拡張もできないことである。デジタルマイクロ流体は、デジタルPCRを実行する手段として説明されている。
マイクロアレイに加えて、バイオチップは二次元電気泳動[ 85 ] 、トランスクリプトーム解析[ 86 ]、PCR増幅[ 87 ]用に設計されている。その他の用途としては、タンパク質やDNAの様々な電気泳動や液体クロマトグラフィー、細胞分離（特に血球分離）、タンパク質分析、細胞操作および細胞生存率分析[ 33 ]を含む分析、微生物の捕捉[ 71 ]などがある。
マイクロ流体工学と景観生態学およびナノ流体工学を組み合わせることにより、細菌の生息地の局所的なパッチを構築し、分散回廊でそれらを接続することにより、ナノ/マイクロ加工された流体景観を構築できます。結果として得られる景観は、空間と時間に分布する機会のパッチの空間モザイクを生成することにより、適応景観の物理的実装として使用できます[ 88 ] 。これらの流体景観のパッチ状の性質により、メタ個体群システム における適応する細菌細胞を研究できます。これらの合成生態系におけるこれらの細菌システムの進化生態学により、生物物理学を使用して進化生物学の問題に取り組むことができます。
精密かつ慎重に制御された化学誘引物質勾配を作成できる能力により、マイクロ流体工学は、微生物の小集団における運動性[ 89 ] 、走化性、および抗生物質に対する耐性の進化/発達能力を短期間で研究するための理想的なツールとなっています。これらの微生物には、細菌[ 90 ]や、海洋の生物地球化学の大部分を制御する役割を担う海洋微生物ループ[ 91 ]を形成する幅広い生物が含まれます。
マイクロ流体技術は、硬度勾配（硬さ勾配）の生成を容易にすることで、硬度走性の研究にも大きく貢献してきた。
個々の遊泳細菌の動きを整流することで、[ 92 ] マイクロ流体構造を使用して、運動性細菌細胞の集団から機械的な動きを取り出すことができます。[ 93 ] この方法で、細菌駆動ローターを構築できます。[ 94 ] [ 95 ]
マイクロ流体と光学の融合は、一般的にオプトフルイディクスとして知られています。オプトフルイディクスデバイスの例としては、調整可能なマイクロレンズアレイ[ 96 ] [ 97 ]やオプトフルイディクス顕微鏡などがあります。
マイクロ流体フローは、高速なサンプル処理、大規模なサンプル集団の自動イメージング、3D機能[ 98 ] [ 99 ] 、または超解像度[ 100 ]を可能にします。
一般的な分析方法（ ICP-MS、ICP-AAS、ICP-OES [ 101 ] ）の安全性の懸念と運用コストの増加により、フォトニクスラボオンチップ（PhLOC）は、使用済み核廃棄物中のアクチニドと硝酸塩の分析にますます普及しているツールとなっています。PhLOCは、ラマン分光法とUV-Vis-NIR分光法の同時適用に基づいており、[ 102 ]異なる酸化状態の複数のアクチニドを含むより複雑な混合物の分析を可能にします。[ 103 ]これらの方法で行われた測定は、工業試験のためにバルクレベルで検証されており、[ 101 ] [ 104 ]マイクロスケールでははるかに低い分散が観察されています。[ 105 ]このアプローチでは、測定チャネルを延長することにより、150 μL の比較的広い濃度範囲にわたって既知の文献値と一致するモル吸光係数 (UV-Vis) が得られ、U(IV) のマイクロスケールでベールの法則に従うことがわかっています。 [ 106 ]使用済み燃料を分析するための分光光度法の開発により、反応物量のオンライン測定法が作成され、サンプルを分析できる速度が向上し、再処理内で検出可能な偏差の大きさが減少します。[ 104 ]
PhLOC の適用により、操作方法の柔軟性と安全性が向上します。使用済み核燃料の分析は極めて過酷な条件を伴うため、使い捨てで迅速に製造できるデバイス (PDMS、PMMA、ガラスなどの鋳造可能および/または彫刻可能な材料に基づく[ 107 ] ) の適用は有利ですが、特定の過酷な条件下では材料の完全性を考慮する必要があります。[ 106 ]光ファイバー結合を使用することで、デバイスを計測機器から隔離することができ、放射線による損傷を防ぎ、実験室の職員が潜在的に有害な放射線に曝されるのを最小限に抑えることができます。これは、実験室規模でも、従来の分析標準でも不可能でした。[ 103 ]デバイスが小型化されることで、分析対象物の使用量を少なくすることができ、発生する廃棄物の量と有害物質への曝露を減らすことができます。[ 103 ]
PhLOCを拡張して核燃料サイクル全体の研究を小型化する試みが現在評価されており、PUREXプロセスの各ステップはマイクロスケールで実証されている。[ 102 ]同様に、使用済み核燃料の分析用に開発されたマイクロ流体技術は、ほとんど変更を加えることなく、他のアクチニド、ランタニド、遷移金属の分析にも水平方向に拡張されると予測されている。[ 103 ]
マイクロ流体分野における高性能液体クロマトグラフィー（HPLC）には、2つの異なる形態があります。初期の設計では、液体をHPLCカラムに通し、溶出液をマイクロ流体チップに移送し、HPLCカラムをマイクロ流体チップに直接取り付けていました。[ 108 ]初期の方法には、蛍光を測定する装置など、特定の装置からの検出が容易であるという利点がありました。[ 109 ] HPLCカラムはマイクロ流体チップに統合されています。HPLCカラムをマイクロ流体デバイスに統合する主な利点は、より小さなフォームファクタを実現できることであり、これにより、1つのマイクロ流体チップ内に追加の機能を組み合わせることができます。統合されたチップは、多くの異なる液滴ベースのマイクロ流体デバイスで使用されている標準材料であるPDMSとはかなり異なるガラスやポリイミドなど、複数の異なる材料から製造することもできます。[ 110 ] [ 111 ]これは、HPLCマイクロ流体チップのさまざまなアプリケーションで異なる圧力が必要になる可能性があるため、重要な特徴です。 PDMSは、ガラスやポリイミドと比較して、高圧用途では劣ります。HPLC統合の高い汎用性により、カラムとチップ間の接続や継手を避けることで堅牢性が確保されます。[ 112 ]将来的にこれらの設計を基に構築できる能力により、マイクロ流体工学の分野は潜在的な用途を拡大し続けることができます。
マイクロ流体デバイスに統合されたHPLCカラムに関する潜在的な応用は、過去10～15年で拡大していることが証明されています。このようなカラムの統合により、タンパク質の生物学的分析のように、材料の入手が困難または非常に高価な実験を実行できるようになります。試薬量の削減により、以前のデバイスのサイズ制限のために以前は非常に困難だった単一細胞タンパク質分析などの新しい実験が可能になります。[ 113 ] HPLCチップデバイスを質量分析などの他の分光法と組み合わせることで、タンパク質などの目的の種の同定に対する信頼性が向上します。[ 114 ]マイクロ流体チップは、HPLCをさらに改善するためにグラジエント生成を可能にする内部遅延線も作成されており、さらなる分離の必要性を減らすことができます。[ 115 ]統合されたHPLCチップのその他の実用的な応用には、毛髪による人の薬物存在の検出[ 116 ]や逆相液体クロマトグラフィーによるペプチドの標識化[ 117 ]などがあります。
音響液滴噴射（ADE）は、超音波パルスを用いて、物理的な接触なしに少量の液体（通常はナノリットルまたはピコリットル）を移動させる技術です。この技術は、流体サンプルに音響エネルギーを集中させ、1リットルの100万分の1（ピコリットル＝ 10⁻¹²リットル）という極めて小さな液滴を噴射します。ADE技術は非常に穏やかなプロセスであり、タンパク質、高分子量DNA、生細胞を損傷や生存率の低下なく移送することができます。この特性により、プロテオミクスや細胞ベースのアッセイなど、幅広い用途に適した技術となっています。
マイクロ流体燃料電池は、層流を利用して燃料と酸化剤を分離し、従来の燃料電池に必要な物理的障壁なしに2つの流体の相互作用を制御できます。[ 118 ] [ 119 ] [ 120 ]
宇宙の他の場所に生命が存在する可能性を理解するために、宇宙生物学者は惑星外天体の化学組成の測定に関心を持っている。[ 121 ]マイクロ流体デバイスは、その小型サイズと幅広い機能性から、このような遠隔サンプル分析に特に適している。[ 122 ] [ 123 ] [ 124 ] 地球外サンプルから、マイクロチップキャピラリー電気泳動と選択的蛍光色素を使用して有機物含有量を評価することができる。[ 125 ] これらのデバイスは、アミノ酸、[ 126 ]ペプチド、[ 127 ]脂肪酸、[ 128 ]および単純なアルデヒド、ケトン、[ 129 ]およびチオールを検出することができる。[ 130 ]これらの分析を組み合わせることで、生命の主要構成要素を強力に検出することができ、うまくいけば、機能する地球外生命の探索に役立つだろう。[ 131 ]
液滴マイクロ流体、ペーパーマイクロ流体、ラボオンチップなどのマイクロ流体技術は、食品科学の分野でさまざまなカテゴリーで使用されています。[ 132 ]栄養学、[ 133 ] [ 134 ]食品加工、食品安全の研究は、実験に使用できる試薬が少ないため、マイクロ流体技術の恩恵を受けています。[ 132 ]
食品加工では、乳化や保存料の添加など、食品の保存安定性を高める能力が求められます。液滴マイクロ流体などの技術は、液滴の精度が達成可能であるため、従来の均質化によって作られる乳化物よりも制御され、より複雑な乳化物を作るために使用されます。乳化にマイクロ流体を使用することは、均質化と比較してエネルギー効率も高く、「供給されたエネルギーのわずか 5% だけが乳化物の生成に使用され、残りは熱として散逸する」のです。[ 135 ]これらの方法は利点がありますが、現在、商業化に必要な大規模生産能力が不足しています。[ 136 ]マイクロ流体は、食品化学や食品加工における革新を可能にするため、研究にも使用されています。[ 132 ] [ 136 ]食品工学研究の一例として、特に乳化の強化に関する研究において、食品加工業界での使用を想定した液滴生成の研究のために製造された新しいマイクロ 3D プリント デバイスがあります。[ 137 ]
紙と液滴のマイクロ流体技術により、微量の不要な細菌や化学物質を検出できるデバイスが実現し、食品の安全性や分析に役立つ。[ 138 ]紙ベースのマイクロ流体デバイスは、マイクロ流体紙ベース分析デバイス（μPAD）と呼ばれることが多く、硝酸塩[ 139 ]、保存料[ 140 ] 、抗生物質[ 141 ]などを、スマートフォンで検出できる比色反応によって肉から検出できる。これらの方法は、液体クロマトグラフィーなどの従来の技術と比較して、反応物、スペース、時間が少なくて済むため、研究されている。μPADは家庭での検出テストも可能にするため、アレルギーや不耐性のある人にとって興味深い。[ 139 ]紙ベースの方法に加えて、液滴ベースのマイクロ流体技術は、国内外の食品産業における農業用水の生存可能な細菌汚染を確認するのに必要な時間を大幅に短縮できる可能性を示していることが研究で明らかになっている。[ 138 ]
個別化がん治療は、患者の診断と背景に基づいて調整された方法です。マイクロ流体技術は、高スループットで高感度な検出を提供するとともに、時間とコストを削減します。個別化がん治療では、腫瘍の構成と薬剤感受性が非常に重要です。[ 142 ]
患者の薬物反応はバイオマーカーの状態に基づいて予測でき、疾患の重症度と進行は特定の細胞の異常な存在に基づいて予測できます。[ 143 ] Drop - qPCRは、液滴が再利用可能な毛細管で輸送され、異なる一定温度に維持された2つの領域を交互に流れ、蛍光検出を行う液滴マイクロ流体技術です。汚染リスクが低く、 Her2の検出に効率的です。[ 142 ]デジタル液滴ベースのPCR法は、 TaqManプローブを使用してKRAS変異を検出し、変異遺伝子比の検出を強化するために使用できます。 [ 144 ]さらに、乳がん または前立腺がん患者の術後疾患進行の正確な予測は、術後治療を決定するために不可欠です。慎重に調製された細胞外マトリックス混合物でコーティングされた単純なマイクロ流体チャンバーは、72時間培養し、画像による細胞の徹底的な評価を行った後、腫瘍生検から得られた細胞に使用されます。[ 145 ]
マイクロ流体技術は、循環腫瘍細胞（CTC）および非CTCの液体生検分析にも適しています。ビーズは、 CTC分離チップ（iCHIP）での陽性選択のために抗上皮細胞接着分子（EpCAM）抗体と結合します。[ 146 ] CTCは、腫瘍微小環境の酸性化と膜容量の差を利用して検出することもできます。[ 147 ] [ 148 ] CTCは、マイクロ流体デバイスによって血液から分離され、チップ上で培養されます。これは、単一の分析でより多くの生物学的情報を捉える方法になり得ます。たとえば、40種類の異なる薬剤または薬剤の組み合わせの細胞生存率をテストするために使用できます。[ 149 ]腫瘍由来の細胞外小胞は、尿から分離され、統合された二重ろ過マイクロ流体デバイスによって検出できます。また、血液から分離され、 2段階増幅酵素アッセイによる電気化学センシング法によって検出することもできます。[ 150 ] [ 151 ]
腫瘍物質はマイクロ流体デバイスを介して直接検出に使用できます。薬剤の一次細胞をスクリーニングするには、癌細胞と非癌細胞を区別する必要がある場合がよくあります。細胞が小さな狭窄部を通過する能力に基づくマイクロ流体チップは、細胞の種類、転移を分類できます。[ 152 ]液滴ベースのマイクロ流体デバイスは、さまざまな薬剤または薬剤の組み合わせを、一次腫瘍サンプル上で高精度で直接スクリーニングする可能性を秘めています。この戦略を改善するために、蛍光バーコードと組み合わせた薬剤カクテルの逐次的な方法によるマイクロ流体プログラムがより効率的です。[ 153 ]もう1つの高度な戦略は、懸架されたマイクロチャネル共振器を使用して単一細胞の増殖率を検出することであり、これにより希少なCTCの薬剤感受性を予測できます。[ 154 ]
マイクロ流体デバイスは、抗がん剤の試験に役立つ腫瘍微小環境をシミュレートすることもできます。2Dまたは3D細胞培養を備えたマイクロ流体デバイスは、さまざまな癌システム（肺癌や卵巣癌など）のスフェロイドを分析するために使用でき、複数の抗がん剤および毒性試験に不可欠です。この戦略は、スフェロイドのスループットと生産量を増やすことで改善できます。たとえば、3D細胞培養用の液滴ベースのマイクロ流体デバイス1つは、チップあたり500個のスフェロイドを生成します。[ 155 ]これらのスフェロイドは、分析および監視するために、さまざまな環境でより長く培養できます。もう1つの先進技術は、オルガンオンチップであり、血管を模倣して薬物の代謝と活性を決定するために複数の臓器をシミュレートしたり、 pH、酸素などを模倣して薬物とヒトの臓器環境との関係を分析するために使用できます。[ 155 ]
単一細胞クロマチン免疫沈降（ChiP）シーケンスに関連する戦略の1つはドロップレットであり、ドロップレットベースの単一細胞RNAシーケンスとDNAバーコード抗体を組み合わせることで機能し、遺伝子型と表現型による腫瘍の不均一性を探索して個別化された抗がん剤を選択し、がんの再発を防ぐ可能性がある。[ 156 ]
医療や生物学的応用以外にも、マイクロ流体技術は汚染の検出と制御に利用されてきた。マイクロ流体技術は主にミクロンサイズの粒子に用いられるが、ナノサイズの粒子凝集とらせん慣性マイクロ流体技術を統合した新しいラボオンチップにより、環境中のナノプラスチックや非常に小さなマイクロプラスチックを迅速に検出することが可能になった。[ 157 ]
この分野における重要な進歩の一つは、Z. Hugh FanとD. Jed. Harrisonによって実証された、マイクロチップ上に統合されたキャピラリー電気泳動（CE）システムの開発である。彼らは、マイクロマシニング技術を用いて、サンプルインジェクターと分離チャネルを組み込んだ平面ガラスチップを作成した。この構成により、わずか数秒でアミノ酸を迅速に分離することができ、理論段数最大6800で高い分離効率を達成した。ガラスの熱容量と熱伝導率によって可能になった高電界の使用により、ジュール熱の影響が最小限に抑えられ、システムは非常に効率的かつ高速になった。このような革新は、特に迅速かつ正確な分析を必要とするアプリケーションにおいて、分析化学におけるマイクロ流体デバイスの可能性を強調している。[ 158 ]
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