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微流控系统的分类

微流控系统

微流量芯片是微全分析系统中的重要组成部分,微流体趣动和控制技术是实现微流体控制的前提和基础。目前,微流体的驱动和控制技术种类很多,采用的原理和形式也不尽相同。如按驱动原理来分,可分为压力驱动、电渗驱动、电水力驱动、表面张力驱动、热驱动、离心力驱动、重力驱动、电磁驱动、静电驱动等。如果按有无可动部件分,又可分为有阀驱动和无阀驱动。每一种驱动和控制方式的操作形式都各不同。微流体的影响因素众多、流动特征复杂,而且有时几种方式是组合在一起的。下面将按照驱动原理分类来对各种驱动和控制微流体的技术进行介绍。

1、压力驱动和控制

微流体的压力驱动和控制与宏观流体的原理基本相似,可以看作宏观流动驱动和控制技术的移植,都是依靠入口、出口和腔体内部的相对压差来驱动流体前进的。目前,利用压力驱动和控制微流体的方式有两种,一种是利用外部的蠕动泵或注射器与微流管道连接,通过前者的推动力驱动流体冲开管道中的阀门,在微流管道中向前流动,这种方式的主要缺点是不易于小型化,但它简单、容易实现、成本低廉,而且已经商业化;另一种方法是采用微机械技术制作的微流泵来提供压力差驱动流体前进。

2、电渗驱动和控制

电渗驱动是利用微流道表面存在的固定电荷进行驱动的。电渗流可以产生泵和阀的动作驱动微流体在微流管道中流动。电渗流产生的前提是与电解液接触的管壁上有不动的表面电荷,这种表面电荷来自于离子化基或者是液体中被强力吸附的电荷。在表面电荷的静电吸附和分子扩散的作用下,溶液中的抗衡离子就会在固液界面上形成双电层,而管道中央液体中的净电荷则几乎为零,双电层由紧密层和扩散层组成,其中紧密层的厚度约为1到2个离子的厚度。当在管道两端施加适当的电压时,在电场的作用下,固液两相就会在紧密层和扩散层之间的滑动面上发生相对运动。由于离子的溶剂化作用或黏滞力的作用,当形成扩散层的离子发生迁移时,这些离子就会携带着液体一同移动,因此形成了电渗流。

3、电流体力驱动和控制

电流驱动(简称EHD)驱动与控制由电场和流体中电荷的相互作用来产生驱动力,电流体驱动需要在流体中或固体-液体表面诱导产生自由电荷,通过电场与自由电荷的相互作用来驱动流体,它一般适用于导电率极低的液体。而电渗驱动主要依赖材料与液体本身产生的双电层与电场的相互作用来驱动流体,它适用于电解质溶液。

4、表面张力驱动和控制

    从原理上讲,如果能够在固-液表面产生某种特定的表面张力梯度,就可以驱动液体向特定的方向流动。一般产生这种表面张力梯度的方法有两种:一类方法是通过改变固体表面的湿润性,另一类方法是通过改变液体的成分或温度梯度。

利用表面张力主动进行微流体驱动和控制还是最近的事情,它只是处于实验研究阶段,要用于具体的微流体系统,还有很多技术问题需要解决。

5、热驱动和控制

热驱动和控制技术的操作过程一般是,通过给液体加热,使液体中产生气泡,气泡随着温度的增加而膨胀,从而驱动和控制液体流动。液体在只有一个开口的腔体中,当液体中的气泡随着温度增加而膨胀时,液体会直接从开口喷出,但当液体在两端开口的管道中时,这种驱动方法就不能实现液体的单向流动了。

利用对气泡不对称加热控制和驱动微流体的方法,所需加热电压小,没有可动部件,实现简单,而且易于控制电路和流体管道集成一体,是一种较理想的方法,但是目前达到的驱动速度较小,不易于控制,还需要进一步的改进。

6、离心力驱动和控制

利用离心力来进行微流体的驱动和控制的方法。采用光刻和注塑成型的方法在塑料圆盘上制作微流管道网络,靠近圆盘中心的供液池装载流体,当圆盘由马达带动旋转时,流体就在离心力的作用下沿着微流管道网络向远离圆心的方向运动,流体流速的大小可以通过调节马达转速来控制。

基于离心力进行微粒体驱动有很多优点:(1)它只需要一个普通的马达,功率消耗低,所需空间小;(2)对液体的物理化学性质不敏感,而且它不仅可以驱动液体,也可以驱动气体,因而适用范围广;(3)适用于驱动不同尺寸范围的管道中的流体;(4)离心力驱动技术可获得的流速范围大,调节方便。



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