Mikrofluidistiikka

Mikrofluidistiikka on mikroskooppisten neste- ja kaasuvirtausten hallintaa käsittelevä tieteen ja tekniikan ala. Mikrosysteemitekniikka on laajempi käsite, joka sisältää myös mikrofluidistiikan. 

Mikrofluidistiset sirut valmistetaan mikroteknologian keinoin pii-, lasi- tai polymeerikiekoille.
Tyypilliset tilavuudet ovat nano- ja pikolitroja, ja virtausnopeudet nano- ja mikrolitroja minuutissa. Mikrofluidistiikassa rakenteiden tyypillinen koko on kymmeniä mikrometrejä. Makromaailmaan verrattuna mikromaailmassa eri ilmiöt ovat tärkeitä, muun muassa pintajännitys ja kapillaarivoimat ovat vahvoja, kun taas painovoiman vaikutus voidaan jättää huomiotta (jolloin sirut toimivat esimerkiksi yhtä hyvin ylösalaisin asennettuina). Lähes kaikki virtaukset mikromaailmassa ovat laminaarisia, mikä tarkoittaa hallittuja virtauskenttiä, mutta toisaalta sekoittumisen hitautta. Toisaalta diffuusio on nopeaa, sillä etäisyydet ovat pieniä.

Terminologiaa 
Mikrofluidistiikan rinnalla käytetään paljon seuraavia termejä:

 MicroTAS, micro total analysis systems, erityisesti kemialliset sirut
 lab-on-a-chip, integroidun piirin nestevastine, monien fluiditoimintojen integrointi samalle sirulle
 BioMEMS, sillä useimmat biologiset systeemit ovat nestefaasissa, mutta tarkasti ottaen BioMEMS edellyttää mekaanisia liikkuvia osia, kuten DNA-pinseteissä tai mekaanisissa bioantureissa. Kuitenkin mikrofluidistisissa kanavissa virtaavat solut ja biomolekyylit, joille tehdään aktiivisia operaatiota kuten suodatusta, reaktioita tai detektiota, lasketaan mikrofluidistiikkaan
 power-MEMS komponenteissa on usein fluidi, kuten höyrykoneissa, rakettimoottoreissa, polttokennoissa, mutta on myös paljon ei-fluidistisia power-MEMS laitteita, kuten aurinkokennoja, radioaktiivista säteilyä tai ympäristön värähtelyjä tai hukkalämpöä hyödyntävät energiakeräimet
 mikroarrayt, muun muassa DNA-sirut, lasketaan usein mikrofluidistiikkaan, mutta niissä iso (mikrolitroja) nestepisara annostellaan staattisen näytespotin päälle, kun mikrofluidistiikassa nestettä liikutellaan sirulla annostelun jälkeen
 kemialliset anturit voivat käyttää samoja detektioperiaatteita kuin mikrofluidistiset sirut, mutta yleensä (mikro)anturi upotetaan isoon fluiditilavuuteen, kun taas mikrofluidistiikassa erittäin pieni nestemäärä annostellaan sirulle. 

Termit 
surface microfluidics
droplet microfluidics
EWOD (electrowetting on dielectric)
digital microfluidics
ovat synonyymejä, ja tarkoittavat pisaroiden liikuttelua kiekon pinnalla (vastakohtana kanavissa tapahtuvalle virtaukselle).

Nanofluidistiikassa kanavien, suuttimien ja suodattimien koot ovat 10 nm -1 µm. Nanofluidistiikassa rakenteiden ja molekyylien koko ovat samaa suuruusluokkaa, ja syntyy uusia ilmiöitä joita mikrofluidistiikassa ei nähdä. Esimerkiksi paineavusteisessa virtauksessa pienet partikkelit virtaavat hitaammin kuin suuret, sillä suuret partikkelit viettävät kaiken aikansa virtauksen keskiakselilla, jossa nopeus on suurin.

Historia 
Varhaisimmat mikrofluidistiset komponentit 1960-luvulla liittyivät ydintekniikkaan: uraanin diffuusioerotus,
EMP-kestävät nesteillä toteutetut logiikkapiirit ja radioaktiivisten aineiden nopeat analyysit.
1970-luvulla Stanfordin yliopistossa Steven Terry valmisti väitöskirjassaan piikiekolle kaasukromatografin,
jossa yhdistyivät injektio, erotuskanavat ja terminen detektori. Suomalainen Niilo Kaartinen kehitti
1980-luvulla mikroelektrotermofluidistiikaksi (METF) kutsuttua tekniikkaa, jossa kylmäblokkiin kytketty fluidipiiri
jäätyi, ja jäätynyt neste toimi itse itsensä venttiilinä, joka voitiin avata lämmittämällä halutusta kohdasta kanavistoa.

Laajempaa mielenkiintoa mikrofluidistiikka synnytti vasta 1990-luvun alussa Andreas Manzin tutkimusryhmän julkaistua kapillaarielektroforeesisirut lasikiekolla. Ensimmäinen mikrofluidistiikan erikoiskonferenssi MicroTAS pidettiin
1994 Enschedessä, Hollannissa. Katso MicroTAS konferenssi .

Tieteet mikrofluidistiikan taustalla 
Mikrofluidistiikka on vahvasti poikkitieteellistä. Mikroteknologian valmistusmenetelmiä (optinen litografia, printtaus, etsaus (valmistustekniikka), bondaus) käyttäen tehdään siruille kanavistoja, suodattamia, venttiilejä, pumppuja, suuttimia ja muita mikrorakenteita. Pintaominaisuuksia, muun muassa hydrofiilisyyttä tai -fobisuutta, säädetään monilla kemiallisilla märkäkäsittelyillä (esimerkiksi NaOH huuhtelu, Teflon-spray), ohutkalvojen ja molekyylikerroskalvojen (SAM, self-assembled monolayers) kasvatuksella tai plasmakäsittelyillä (esimerkiksi happiplasmaoksidoinnilla). Fysiikka ja virtausmekaniikka käsittelevät fluidien virtaus-, diffuusio-, ja lämmönsiirto-ominaisuuksia. Kolloidikemia käsittelee pienten (alle 100 nm) partikkeleiden ja pintojen vuorovaikutuksia. Kemiaa ja biologiaa tarvitaan lukuisissa sovelluksissa, sillä monet ilmiöt riippuvat herkästi olosuhteita, muun muassa pintojen sähköinen varautuminen on pH- ja lämpötilariippuvaa, samoin kuin proteiinien denaturaatio.

Sovellukset 
Mikrofluidistiikalla on suuri joukko sovellusalueita:

-kemiallinen analyysi (kapillaarielektroforeesi, kromatografia, massaspektrometria)

-kemiallinen synteesi (mikroreaktorit ja kombinatoriaalinen kemia)

-tietotekniikka (mustesuihkutulostus, elektroninen paperi, nestelogiikka)

-lääketiede ja biotekniikka (DNA PCR, biomolekyylien erotus ja tunnistus; solujen trapping, muokkaus ja analyysi)

-energia (polttoainesuuttimet, mikrogeneraattorit, mikropolttokennot)

Kirjoja 
Tabeling: Introduction to Microfludics
Nguyen & Wereley: Fundamentals and applications of microfluidics
Geschke, Klank, Tellemann: Microsystem Engineering of Lab-on-a-Chip Devices

Lehtiä 
Lab-on-a-Chip, Royal Society of Chemistry
Microfluidics Nanofluidics, Springer
Analytical Chemistry, ACS
Sensors and Actuators A: Physical, Elsevier
Sensors and Actuators B: Chemical, Elsevier
Journal of Micromechanics and Microengineering, IOP
Journal of MicroElectroMechanicalSystems, JMEMS, (IEEE & ASME)

Konferensseja 
MicroTAS konferenssi .

Elektroniikka