Арт. MUX Recirculation
Плюсы и минусы систем для управления микрофлюидным потоком
|
Исследователи используют 4 типа микрофлюидных систем управления потоком:
Выбирать систему нужно исходя от конкретного применения. Для специфических применений исследователи также используют другие виды регулирования потока: гидростатическое давление, электромотические насосы и т.д. |
|
Микрофлюидные системы управления потоком: перистальтические и рециркуляционные насосы
|
|
Перистальтические насосы и рециркуляционные насосы используются в микрофлюидике, когда исследователям необходимо, чтобы образцы непрерывно циркулировали внутри устройства. Поскольку этот вид насосов не позволяет точно регулировать скорость потока, они постепенно становятся все менее используемыми в микрофлюидных исследованиях. Когда требуется точность, исследователи чаще используют установку рециркуляции на базе контроллера давления или шприцевого насоса. |
|
Преимущества |
Недостатки |
|
Простота настройки |
Скорость потока нестабильна, вибрации и шум |
|
Работа с неограниченным количеством жидкости |
Ненадежность из-за старения труб |
|
Возможность повторного введения одного и того же образца |
Микрофлюидные системы управления потоком: шприцевые насосы
|
|
Шприцевые насосы являются наиболее часто используемыми системами управления потоком в микрофлюидике, несмотря на то, что в последние 5 лет исследователи начали использовать альтернативные системы управления потоком. Шприцевые насосы можно разделить на две категории. Классические бюджетные шприцевые, которые создают колебания потока при работе на низких скоростях потока, и дорогие шприцевые насосы, которые обеспечивают стабильный поток. Мы приведем информацию о вторых. |
Главное преимущество шприцев заключается в простоте использования. Изменение потока внутри чипов может занять от нескольких секунд до нескольких часов. А недостаток шприцевых насосов – большее время отклика, зависящее от микрофлюидной установки.
|
Преимущества |
Недостатки |
|
Шприцевые насосы обычно требуют мало времени для настройки. |
Время отклика скорости потока может варьироваться от секунд до часов в зависимости от сопротивления жидкости. Этот эффект может быть сведен к минимуму с помощью специальных микрофлюидных трубок. |
|
Новые шприцевые насосы обеспечивают стабильный поток |
Без датчиков скорости потока пользователь не может знать фактическую скорость потока в течение короткого периода (от секунд до часов). |
|
Количество дозируемой жидкости может быть известно для длительного эксперимента, а не только для кратковременного. |
Если жидкостное сопротивление устройства увеличивается (например, из-за засорения канала или пыли), давление, создаваемое шприцевым насосом, неограниченно возрастает и может привести к разрушению устройства. |
|
Максимальное давление, создаваемое шприцевым насосом, может составлять несколько сотен бар. (Шприцевые насосы высокого давления не обеспечивают стабильный поток, но их используют в нанофлюидике). |
Невозможно регулирование скорости потока в тупиковых каналах (например, во встроенных клапанах). |
|
Средняя скорость потока в устройстве не изменяется при изменениях жидкостного сопротивления устройства (за исключением случаев, когда шприцевой насос глохнет из-за высокого давления). |
Количество жидкости, расходуемой шприцевым насосом, ограничено в объеме. |
|
|
Для измерения давления внутри системы требуется датчик давления. |
|
|
Даже дорогие шприцевые насосы требуют тщательного выбора размера шприца в зависимости от ваших экспериментальных условий, чтобы избежать периодических изменений скорости из-за шагового двигателя. Этот эффект может быть сведен к минимуму с помощью специальный микрофлюидных трубок. |
Микрофлюидные системы управления потоком: контроллеры давления с датчиком потока
Контроллеры давления - это системы управления потоком, которые создают давление в резервуаре, содержащем образец. Под давлением образец плавно вводится в микрофлюидный чип. В отличие от механически регулируемых систем, системы с контроллером давления, имеют малое время отклика (80 мс), стабильный поток, мгновенное изменение давление во всей установке. Современные микрофлюидные контроллеры давления также позволяют управлять как давлением, так и скоростью потока, так как совмещены с датчиком скорости потока контуром обратной связи. Исследователи выбирают контроллеры давления для обеспечения малого времени отклика, стабильности и точности потока, для работы с тупиковыми каналами и большими объемами образцов.
|
Преимущества |
Недостатки |
|
Источник давления обеспечивает стабильный поток |
Ограничение давления не более 8 бар |
|
Количество расходуемой жидкости может достигать нескольких литров |
Когда давление не сбалансировано, можно изменить направление потока при переключении потоков из нескольких входных каналов, с помощью клапанов |
|
Время отклика сокращается до 80 мс |
|
|
Возможность контролировать жидкость в тупиковых каналах |
|
|
Контроль скорости потока и давления при подключении датчика потока |
|
Микрофлюидные системы управления потоком: контроллеры давления с матричными клапанами (переключателями потока)
|
|
Для некоторых микрофлюидных применений исследователи используют котроллеры давления в сочетании с матрицами переключателей потока. Эти матрицы нужны для быстрого переключения потока, не допуская обратный поток, чтобы избежать загрязнения образца или для мгновенной остановки потоков. Когда требуется высокоточное регулирование скорости потока, исследователи могут также использовать клапаны Quake или интегрированные перистальтические насосы PDMS из-за их способности полностью и мгновенно останавливать поток внутри микрофлюидного канала и/или контролировать поток в большом количестве каналов одновременно, сохраняя при этом разумную стоимость установки. |
|
Преимущества |
Недостатки |
|
Низкая стоимость при работе с большим количеством каналов |
Высокая цена за канал при работе с небольшим количеством каналов |
|
Высокая точность регулирования потока при использовании высокоточного котроллера давления |
Сложность установки: клапаны нуждаются в источнике потока. |
|
Возможность регулирования давления внутри тупиковых каналов (например, клапанами Quake) |
|
|
Возможность мгновенной остановки потока внутри микрофлюидных устройств |
|
|
Возможность быстрого переключения между образцами |
|
|
Возможность управления и контроля как скорости потока, так и давления (в сочетании контроллера давления с датчиком скорости потока с контуром обратной связи) |
|
Переключатель потока - это активный элемент, который позволяет открывать, закрывать или перенаправлять поток в канале. Переключатели потока предпочтительно использовать с регуляторами давления, поскольку закрытие канала, подключенного к рабочему шприцевому насосу, может привести к бесконечному повышению давления и разрушению системы.
Одних регуляторов давления недостаточно для быстрого и чистого переключения образцов
Контроллеры давления позволяют быстро переключать образцы (80 мс) в микрочипах, но требуют идеального равновесия между всеми входными отверстиями, для избегания обратного потока и загрязнения образца. Единственный способ добиться чистой и быстрой настройки/переключения потока - это соединить регулятор давления с переключателями потока. Клапаны должны быть размещены между резервуаром для жидкости и микрочипом. Поскольку жидкости несжимаемы, давление мгновенно выталкивает жидкость в чип. Поскольку трубка между микрочипом и переключателем потока заполнена жидкостью (которая несжимаема), это позволяет избежать обратного потока и загрязнения между входными капиллярами.
Клапаны, для мгновенной остановки потока в микрочипе
При использовании регулятора давления изменение гидростатического давления в резервуаре для жидкости очень затрудняет достижение равновесия давления. Использование синхронизированных переключателей потока, таких как микрофлюидный мультиплексор, позволяет подключать все каналы одновременно. Поскольку жидкости несжимаемы, клапаны позволяют получить остановку потока в реальном времени без каких-либо остаточных потоков.
Таблица систем управления потоком
|
|
Высокоточный шприцевой насос / перистальтический насос |
Контроллер давления |
Контроллер давления + переключатель потока |
Контроллер давления + микрофлюидный мультиплексор |
|
Быстрота настройки потока |
10 с - 1 мин |
80 мс – 1 с |
20 мс – 200 мс |
20 мс – 200 мс |
|
Стабильность потока при низких скоростях потока |
1% |
0.05% |
0.05% |
0.05% |
|
Быстрота смены образцов без загрязнения и обратного потока |
10 с - 1 мин |
Необходимо уравновесить давление во всех каналах, чтобы избежать обратного потока |
20 мс – 200 мс |
20 мс – 200 мс |
|
Быстрая и полная остановка потока |
|
Необходимо идеальное равновесие давлений |
|
|
