mikrofluidik

Mikrofluidik ist ein interdisziplinäres Fachgebiet, das die Manipulation kleiner Flüssigkeitsmengen in Kanälen mikroskopischer Dimensionen untersucht. Typische Kanalabmessungen liegen im Bereich von zehn bis tausend Mikrometern. Mikrofluidische Chips integrieren Funktionen wie Mischen, Reagieren, Trennen und Analysieren auf kleinem Raum; daraus ergibt sich der Begriff Lab-on-a-Chip. Das hohe Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis führt zu charakteristischen Effekten wie laminarem Fluss und schnellen Diffusionsprozessen.

Zentrale Prinzipien sind laminare Strömung bei typischen Reynolds-Zahlen deutlich unter 1, was Mischprozesse überwiegend durch Diffusion bestimmt. Oberflächenspannung, Kapillarwirkung und elektrokinetische Effekte ermöglichen eine präzise Steuerung von Fluss, Tropfen und Reaktionen. Mikrofluidische Systeme nutzen verschiedene Antriebsarten: druckgetriebene Strömung durch Pumpen oder Druckdifferenzen, elektroosmotische Fluss, dielektrische Mikrofluidik, digitale Mikrofluidik und zentrifugale Ansätze. Es gibt kontinuierliche Systeme und tropfenbasierte Systeme, bei denen Bläschen als eigenständige Reaktionskammern fungieren.

Materialien und Herstellung: Typische Materialien sind Polydimethylsiloxan (PDMS) für Soft-Lithography, Glas, Silizium und thermoplastische Kunststoffe wie PMMA oder COC. Die Herstellung erfolgt häufig durch Fotolithographie gefolgt von Soft-Lithography oder Bonding der Kanäle auf Substrate. Fortschritte in 3D-Druck und Spritzgießen ermöglichen kostengünstigere Serienfertigung und komplexe Geometrien.

Aufbauarten und Detektion: Mikrofluidische Chips kombinieren oft mehrere Funktionen, einschließlich Sensorik. Detektion erfolgt überwiegend optisch (Fluoreszenz, Absorption) oder elektrochemisch, ergänzt durch integrierte oder anschlussfähige Detektoren. Anwendungen reichen von Diagnostik und Point-of-Care-Test bis zu Hochdurchsatz-Screening, Genomik, Proteomik, Zellanalytik und chemischer Synthese.

Geschichte und Bedeutung: Die Konzepte entstanden in den 1990er Jahren unter dem Begriff Lab-on-a-Chip; der Durchbruch kam durch Soft-Lithography und den Einsatz von PDMS. Seitdem hat Mikrofluidik die Entwicklung kompakter, automatisierter Analysesysteme vorangetrieben, wobei Fertigung, Reproduzierbarkeit und Integration weiter im Fokus stehen.