微流控芯片开发中控制流体的重要系统

ITL创新器械开发

微流控是广泛用于微尺度上操作和控制流体的重要工具和技术。在微流控芯片中，通常需要稳定的定向流体泵来控制流体流动，其具有小型、易于集成、易于制造和环境友好等特点。

下面我们总结了一些最常见的微流控泵技术。

微流体输送的主动方法

注射泵

顾名思义，注射泵通过推动注射器来输送液体，泵自动计算注射器的表面积和推动注射器以提供所需流体的速度。

注射泵易于集成到微流控芯片中，是微流控中最常见的流体输送系统。它支持从单个注射器到多通道注射器，允许同时输送多个试剂，更先进的模型还可以注入和提取流体，支持以特定的模式输送流体。

虽然注射泵是实验室和研发机构的理想选择，但它们并不适用于POCT等便携式设备。

优势

● 简单且成本较低

● 快速简便的微流控设置

● 流动稳定性好

● 允许定义实验中使用的流体总体积

● 可以编程，以创建复杂的流动剖面

缺点

● 对流速响应时间取决于流体阻力

● 如果没有流量传感器，则无法测量特定时间的流速

● 容易发生管道堵塞可能导至压力积聚，并最终导至注射泵故障

● 液体分配量受到注射泵体积的限制，使长时间的实验过程更复杂

蠕动泵

蠕动泵的工作原理是通过连接到圆形泵壳中转子的多个滚柱挤压流体管，迫使流体沿给定方向通过管道。虽然它在流速中产生强大的脉冲，但允许流体的连续循环，适合在长时间的实验中使用。蠕动泵是非流体接触操作，泵送的流体和泵送系统本身被管壁隔开的，适用于在监测污染风险或使用危险介质的应用中。

优势

● 设置简单

● 流体的连续循环允许无限的分配量

● 相同样品可以再循环（在闭环系统中）

● 多个通道可以并行独立操作

● 适用于输送高粘度流体

缺点

● 流速的高振荡

● 产生明显的振动和噪音

● 不可编程，无法创建复杂的流动剖面

● 脉动量大，不适合用于高精度的实验中

压力泵

压力泵是通过对储液罐加压来控制流量，迫使样品离开储液罐并进入通道中。在将样品注入微流控芯片之前，储液罐可用于搅拌样品，并防止沉淀，储液罐还可以轻松控制温度。有一些压力泵需要压力或真空管来给储液罐加压，但更先进的泵不需要任何压力源。

优势

● 压力驱动流量确保无脉冲流量

● 可以使用于大样本量

● 快速响应压力变化，快速控制流量

● 控制复杂的微通道中的流体

● 通过流量传感器可以准确地控制系统中的流量和压力

缺点

● 压力控制器不易达到高压状态

● 压力不平衡可能导至系统中出现回流

● 成本相对较高

微流体输送的被动方法

上述方法都是有源技术，这意味着它们需要外部电源才能工作。而被动方法不需要任何外部电源也可以促使流体在微流控装置中流动。这对于设计便于携带的POCT仪器和诊断应用程序来说是一个非常有用的技术。

被动技术使用惯性力或毛细管力来输送流体，包括：

毛细管

毛细管微流控是被动驱动微流控芯片中应用最广泛的方法之一。毛细作用是指利用固体壁之间的分子间力来控制流体运动。毛细力可以足够强大到克服摩擦和重力。在微通道中利用毛细管力传输液体类似于在植物中输送水和养分一样。

重力驱动（静水压力）

液体柱产生静水压力，它可用于驱动样品穿过通道或对其加压。通常，一根足够长的管子会产生足够的静水压力，以克服微通道中的压降，该管子会连接到端口，并在液柱压力的作用下驱动样品通过微通道。

透析

渗透是分子通过渗透膜从高浓度区域传输到另一低浓度区域以达到平衡浓度的过程，从而产生基于渗透的压力来控制流体。与其他被动方法相比，该技术通常需要更复杂的设置。

压力驱动微流体

通过手动加压将样品推过微通道的方法。通过用手指按压储存样品的储液罐或通过吸液管引入样品来实现。虽然这种方法是最简单的被动流体输送技术，但当压降过高时，不能使用。

真空

该方法利用产生负压的优势，通过微通道吸入液体。

选择合适的微泵方法是开发POCT微流控系统的重要技术难题。而用于POCT微流控系统的被动微泵为此类挑战提供了有效的解决方案，特别是基于毛细管力的被动微泵和基于特定材料的空气溶解度和透气性的空气传输具有简单、易用和低成本等优势，使其成为POCT的最佳选择。

微流控设计需要考虑多方面的因素，并基于丰富的实践经验，将那些有前景的想法从概念转变为商业化的产品。在微流体技术发展这十几年来，ITL与众多国际知名公司合作设计开发了多款微流控芯片以及相关的仪器，对于微流控技术在体外诊断产品设计中涉及到的样本采集、试剂存储、混合、运输及各种泵和阀门的设计、光学技术、加热技术及废液管理等方面都有丰富的经验和成功的案例，能开发用于各种不同领域的微流控芯片，通过设计仪器自定义流体泵的结构使其在体外诊断设备中更精准地运送和混匀液体，提供更好的微流控制和自动化，达到更高精密度和更良好的易用性，帮助客户快速将创新技术转化为用户友好、经济高效、临床上安全有效的商业产品。

如果您有任何关于微流控芯片研发以及相关仪器设计开发的需求，欢迎与我们探讨。