赵芳-微流控芯片单元功能之一.ppt

微流控芯片单元功能之一 微流控芯片中流体驱动和控制 1.驱动与控制的概念及重要性 2.流体的驱动 微泵，包括机械微泵和非机械微泵 3.流体的控制 微阀、微通道、微混合器 4.在POTC中的应用 1.微流体驱动与控制的概念及重要性 2. 微流体的驱动和控制部件-微阀、微泵、微通道 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、微泵的集合体。 一般地，在微流控系统中，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，是实现微流体控制的前提和基础；通过阀实现开关，控制流体的流动方向；还可以通过通道的设计来控制流体的流动和混合。 2.1微流控芯片中流体驱动—微泵 1. 流体在微流控芯片微米级通道中,由于尺度效应导致了许多不同于宏观体系的特点： 流体的流动特性发生变化 分子间扩散距离短 微通道的比表面积大 传热和传质速度快等 常规驱动方法在微管道中往往效果不好甚至是不可行的。微流体驱动技术是实现微流体控制的前提和基础。深入理解其驱动的机理,不仅对于发现新的驱动机制,而且对于已有的流体驱动与控制方法性能的提高都是十分重要的。 根据目前微流控分析发展的情况，微流控分析系统对其驱动系统——微泵，主要有体积、流速控制、泵压三方面的要求。如何设计、加工体积小、流速稳定的微泵，并且将其集成到微流控芯片中，是值得我们进一步研究和发展的。 目前微流控芯片中的微泵有很多种，可分为机械微泵和非机械微泵。 2.1.1 机械微泵 工作原理：机械微型(压力) 泵(mechanical displacement micropump) ,就是把机械能转化为被驱动流体的流动动能。 微型机械泵能够提供与芯片微通道匹配的低流量流体输送,并能够通过某种简易的操作界面与微分析系统进行组装,尤其适合高分子材料类(例如PDMS 等) 芯片的简易界面组装。 但是由于不可避免地需要机械结构,因而其微型化具有相当的难度,不易直接集成到芯片上。 机械微泵多数为薄膜往复式结构，分为 有阀和无阀两种类型。 按驱动方式划分，机械微泵包括： 离心力微泵 热动力微泵 静电微泵 气动力微泵 电磁微泵 压电微泵 双金属记忆合金微泵 离心力微泵 离心力微泵的优缺点 热动力微泵 压电微泵 优点：制动力大，响应时间短。 缺点：所需电压较大、不易批量生产。 热动力微泵的优缺点 优点：与压电相比，用于加热的电压较低，适合于化学传感器相连，且适合批量生产。 缺点：由于热延迟原因，制动频率较低。 气动微泵 静电微泵 电磁微泵 目前,商品化的机械微型泵已经十分成熟,以物理原理分类,主要有以下3 种形式。 (1) 活塞式活塞直接和流动相接触,含动态密封和单向阀,主要有往复泵、注射泵(包括电机、气动和电磁力驱动) 。基于该原理的泵,压力和流量波动是不可避免的。 (2) 隔膜式驱动力通过某种介质推动隔膜,隔膜再压缩或吸入流动相,含单向阀,主要有隔膜泵(包括电机、气动、电磁力和压电驱动) 和蠕动泵(主要是电机驱动) 。 (3) 齿轮式用行星齿轮压缩流动相, 含动态密封。 2.1.2 非机械微泵 基本原理：非机械微型泵主要通过把电、光、磁、热等能量形式转化或施加到被驱动流体而直接驱动流体,使之具有运动动能,由于其一般为无阀结构,因此常称为动态连续流泵。 非机械微泵可分为 电场力驱动泵 毛细作用微泵 生物作用微泵 磁流体动力泵 光驱动泵 基于重力驱动泵 化学作用微泵 …… 电驱动微泵 在微流控芯片分析系统中，电驱动还是最常用和最有效的驱动方式之一。 它通常是在储液池的两端放置外电极，通过在电极上施加电压，在溶液中形成驱动电场来实现微管道中的液体的驱动，这也是目前芯片电泳分析系统的主流驱动方式。 近年来，由于微机械加工技术的发展，使得芯片上集成电极成为可能，出现了在芯片上利用集成阵列电极来施加电场，实现微流体驱动的方式。阵列电极的方式主要应用在介电电泳芯片、低电压电泳芯片和交流电渗泵等方面。 电渗的原理：利用微通道表面存在的固定电荷进行驱动。通道材料表面带电荷，流体与其相邻的部分形成沿通道壁的相反电荷的界面——双电层。通道两端加电压，带电界面在电场中移动，继而带动通道内界面包裹的液流产生电渗流——液体的流动。 电渗驱动技术优点 可实现微米级通道内nl/min 至几个μl/min 流量的驱动 流量适中 液流无脉动 容易集成等