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微流控芯片流体的控制与驱动

微流控芯片是通过微细加工技术将微管道,微,微阀,微储液器,微电级,微检测原件和连接器等功能元件像集成电路一样,使它们集成在芯片材料(基片如:PDMS、PMMA、硅、纸、玻璃等)上的微全分析系统。面积一般约为几平方厘米。微流体的可控性是微流控芯片区别于点阵式芯片的基本特征,也是其被称为“主动式”芯片的原因。


微流控芯片流体的控制与驱动效果示意图

1.微流控芯片流体的驱动和控制基本概念

驱动:通过外力的作用驱动微流控芯片内的液体。

控制:控制流体的速度、方向开启关闭流动及混合液的流动。

汶颢微流控芯片流体的驱动和控制

简单来说,微流控芯片的主要形态特征是各种构型的微通道网络、微阀、微的集合体。一般地,在微流控系统中,主要是通过泵实现流体的驱动,它起着传输液流和分配液流的作用,掌控着整个过程的成败,是实现微流体控制的前提和基础。

如何使流体在通道中实现快速、均匀的混合和微型化、良好的控制、集成化的驱动,是微流控芯片发展中首先需要解决的关键问题。随着微流控芯片分离分析研究的扩展,芯片内的微通道往往需制成更复杂的网络结构,存在不同的交汇区域。微流控芯片上所需完成的是通道内流体的速度和流向的控制,完成自动化进样、分离、检测等单元,这样,对流体的驱动与控制就成为了微流控芯片所需解决问题的重中之重。

微流体控制是微流控芯片实验室的操作核心,涉及的进样,混合,反应,分离等过程无一不是在可控流体的运动中完成,阀则是流体控制的核心部分。基本的微流控技术有驱动(微泵)控制,微阀控制,芯片微通道构型控制,通道表面性质控制等,微流体的控制与驱动以电渗控制和微阀操作控制技术为主,微系统的层流效应与分子扩散效应也起着十分重要的作用。

电渗控制是指电场作用下,微通道中液体沿通道内壁作定向移动的现象、影响电渗流的因素包括通道表面的组成一缓冲液性质,外加电场强度,温度等,通过对这些影响因素的调节,改变通道内壁表面的电荷性质和密度,调节微通道网络中不同节点的电压值,就可控制电渗流即微流体的迁移速度和运行方向,完成较为复杂的混合,反应和分离等操作。

有报道利用聚合高分子电解质涂层,进行聚苯乙烯和丙烯酸为基质的微芯片通道内表面的涂层改性,从而控制微系统中液体的流动方向,甚至可以在一个通道内实现两个流向相反的液流的同时操作。

2.微流控芯片流体驱动设备

注射泵恒压泵离心进样仪(离心机)等。

2.1微流控的流体驱动方式

微流控的驱动方式有多种,根据不同的驱动原理,产生了多种微流体驱动方式。


微流体驱动系统分为:微流体机械驱动系统和微流体非机械驱动系统两大类。汶颢可提供各种型号微泵、微阀等微流体实验仪器设备


微流体机械驱动系统又分为:压电微泵、热气动微泵、静电微泵、气动微泵、电化学控制汞微泵、“无阀”往复微泵、离心力驱动系统、剪切力驱动。


微流体非机械驱动系统又分为:电渗微流体驱动系统、电流体动力微泵、磁流体动力微泵、重力驱动、非机械热气动微泵、热毛细作用微泵。

微流体驱动设备分类图

3.微流控芯片流体控制设备

电磁阀、转向阀、单向阀等。

微流体PDMS芯片流体控制设备微泵装配示意图

微流体PDMS芯片流体控制设备微泵装配示意图


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