微流控流量控制系统(流体流量驱动泵) - 汶颢股份
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微流控流量控制系统(流体流量驱动泵)

微流控领域,有时经常需要使用外力把所需要的液体推进微流控芯片内,这些外力可由外部的微流控驱动或者微流控流量控制系统提供。

目前主要使用4种类型的流量控制系统:

1、蠕动泵和循环泵

2、微量注射泵

3、压力控制器

4、带有流量开关矩阵阀的压力控制器

针对具体的微流控应用需求,每一种流量控制系统都有其自身的优势和劣势。

1、蠕动泵和循环泵

当研究人员需要使实验样品在微流控芯片或微流控器件内部进行连续循环流动时,蠕动泵和循环泵便可以实现这种实验需求。蠕动泵的图片请见下图。由于这两种类型的驱动泵不能实现精确的流量控制,所以,这两类泵在微流控研究中使用的越来越少了。当需要对液体实现高精度的循环流动控制时,可以使用具有压力控制器或者微量注射泵的循环实验装置。

微流控蠕动泵

微流控蠕动泵

此外,由于使用现代的PID或者bang-bang反馈控制技术,结合自家对微流控领域应用需求的精密调教,某些蠕动泵也可以达到较高的流量控制精度和快速的时间响应

 

蠕动泵和循环泵的优缺点如下:

优点:

1)易于安装;

2)实验的液体量不受限制;

3)可注入相同的样品。

缺点:

1)流量有较强的脉冲波动,较大的震动和噪声;

2)导管老化会造成可靠性降低。

2、微量注射泵

微量注射泵在微流控领域是最经常使用的一种流量控制系统,微流注射泵的参考图片如下图所示。微量注射泵可分为两类:经典注射泵—价格便宜但是会产生流量振荡;无脉动的微流控微量注射泵—价格偏贵但是可以提供更高的流量稳定性。如果您决定使用常规或经典的注射泵,请时刻记住一个事实是:在低流速下,您实验中的液体流动会不太稳定即会产生流动振荡。

汶颢微量注射泵

汶颢微流控微量注射泵

微量注射泵的主要优势是易于使用。无脉冲注射泵的主要弱点是响应性(时间响应的快慢),因为它取决于微流控的实验设置。微流控芯片内的流量变化需要几秒到几个小时后才能达到稳定的流速即液体的流量变化会持续数秒到几个小时。这种响应性的弊端也是微量注射泵在数个应用领域如微液滴的制备内应用的主要限制因素。

不过,从2013年和2014年之后,可以采用新的解决方案来解决这些问题如使用更加精密的电动马达(马达的电机步进非常小,达到微米或者纳米的步长。),增加注射泵微机械部件接触的精密度,注射泵机械部件的生产质量,实验装置的流阻,实验用导管和芯片的弹性与高流阻特性等。

微量注射泵的优缺点如下

优点:

1)允许快速设置微流控实验装置;

2)新型无脉冲的注射泵产生的流动稳定性低于1%;

3)注射液体量对于长时间的实验来讲是可知的;

4)微量注射泵产生的最大压力在几百个bar左右;

5)器件内的平均流量不会因器件流阻的实际变化而发生变化(注射泵因高压而发生停止运动除外)。

缺点:

1)流量的响应时间在几秒到几小时内变化,这依赖于流体的阻力。响应时间的快慢可通过使用特定的微流体导管来进行调节;

2)没有流量计,在暂态过程(几秒到几个小时)中,用户不知道实际的液体流量;

3)如果器件的流阻增加(如因通道堵塞或灰尘产生),微量注射泵产生的压力会无限制的增加。产生的压力增加到一定程度便会反过来损坏器件;

4)微量注射泵无法实现死端通道(类似集成微流控阀)内流体的流量控制;

5)注射泵驱动的液体体积总量是有限制的,而不是无限的;

6)如果需要知道流体系统内部的压力,那么需要压力传感器;

7)即使是使用无脉冲的微量注射泵,也需要根据具体的实验条件来仔细的选择注射器的大小,以此来避免注射泵的步进电机造成的液体流量的周期性脉动;

8)流量的脉冲振荡效应可以通过使用一致性的微流体导管来进行降低。

3、带有流量计的压力控制器

压力控制器是一种压力驱动的流量控制系统,它会对液体储存罐或储液池内的液体样品施加压力。对液体施加压力后,样品就会平滑的注入到您的微流控芯片内。当微流控研究人员需要快速的响应性和较高的稳定性时,研究人员主要使用压力控制器,因为压力控制器可以在微流控芯片的通道内在80 ms的快速响应时间内建立无脉冲的液体流动。使用压力驱动液体的流动,压力变化会在流体装置内无延迟的进行传播,从而导致快速的流量切换。此外,由于没有涉及到运动的机械部件,不论您的液体流速是多少,压力驱动的流量都会保持平滑且不会有脉冲的波动。现代微流体压力控制器也可以允许您同时控制压力和液体的流速(通过集成具有反馈环路的流量计)。当微流控研究人员需要较高的流量响应性,较高的流量稳定性和较高的流量精度以及处理芯片的死端/封闭通道或者需要较大的样品体积时,他们此时主要使用的就是压力控制器。

压力控制器的优缺点如下:

优点:

1)压力源允许无脉冲的流量流动;

2)驱动液体的体积量可达到几升的液体量;

3)响应时间可达到80 ms;

4)允许死端或者封闭通道内的液体控制;

5)当使用流量计时,允许同时控制液体的流量和压力。

缺点:

1)最高压力的限制,目前压力控制器的最高输出压力可达到8 bars;

2)当压力不平衡时,尤其是在多个输入口进行流量切换时,压力控制器可能会产生倒流(可使用开关阀门来解决这种倒流现象)。

4、带有流量开关矩阵阀的压力控制器

对于一些微流控应用,研究人员使用耦合流量开关矩阵阀的压力控制器。当研究人员需要快速的流量切换且没有倒流(避免样品污染或者瞬时停止流动)时,他们主要使用流量开关矩阵阀。当需要高精度的流速控制时,研究人员也可以使用震动阀或集成PDMS蠕动泵。因为当保持实验装置的成本在合理的范围内时,它们有能力在微流控芯片的通道内实现即时的停止流动,和/或者同时在多个芯片通道内控制液体的流动。

带有流量开关矩阵阀的压力控制器的优缺点:

优点:

1)当控制较多数量的微流体通道时,成本会更低;

2)当结合高精度的压力控制器使用时,流量控制的精度会更高;

3)有能力控制死端或者封闭通道内的压力;

4)有能力实现微流体器件内部的液体的瞬时停止流动;

5)有能力实现快速样品的切换而不会产生任何的倒流;

6)有能力控制和监视液体的流速和压力(当结合使用具有流速反馈环路的压力控制器时)。

缺点:

1)当涉及少量的微流体通道时,每个通道的价格会比较昂贵;

2)实验装置的复杂性:切换阀门需要液体流动源或流速源。

流量阀是主动元件,它允许流体通道内液体流动的打开、关闭和方向调节。流量切换阀最好配合压力控制器使用,因为关闭连接到正在工作的注射泵的通道会导致压力的无限增加,压力的增加会损坏流体系统。

为什么不推荐单独的压力控制器用于快速和干净样品的切换?

压力控制器允许微流控芯片内快速的样品切换(80 ms),但是需要在全部的输入通道入口达到完美的压力平衡,以此来避免倒流和样品污染。实现干净和快速流量调节的唯一方式是使用具有流量切换阀的压力控制器。切换阀需要放置在液体储液池和微流控芯片之间的通路上。由于液体是不可压缩的,压力将会即时的把液体推入到芯片内,液体流量的变化也会与阀门打开的反应时间(25 ms或者更低)有关。此外,由于微流控芯片和流量切换阀之间的导管充满液体(液体是不可压缩的),它避免了输入毛细管之间的倒流和污染。

 

为什么使用切换阀来实现微流控芯片内液体流动的即时停止?

当使用压力控制器时,液体罐或者储液池内的流体静压力的变化会使达到压力平衡变得非常困难。同步流量切换阀的使用(例如微流体多路复用器)使您可以同时连接所有的微流体通道。由于液体是不可压缩的,切换阀使您可以得到实时的液体流动停止而不会发生任何残余的流动。

 

不同类型的微流控流量控制系统的性能图表

不同类型的微流控流量控制系统的性能图表

蓝色较淡的表示匹配性较差,蓝色较重的表示匹配的很好



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