微流体系统中压力驱动和注射驱动的性能比较

微流体系统中压力驱动和注射驱动的性能比较

Detailed Analysis and Comparison of the Performance of Microfluidic Pressure Pump and Injection Pump

摘要：针对微流控技术中的压力和流量控制，本文介绍了目前常用的两类装置：注射泵和压力泵，重点介绍了这两种装置的性能特点，并对这两种压力控制装置进行了简要的分析对比。分析结论是压力泵将逐渐替代注射泵的应用，特别是压力泵在结合各种传感器和切换阀等配件后，在实现超高的响应性、稳定性和可重复性等前提下，更能涵盖几乎所有的微流体应用，并拓展进入相关新兴领域。

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1. 引言

微流控（Microfluidics）是一种精确控制和操控微尺度流体的技术，又称其为芯片实验室（Lab on a Chip）或微流控芯片技术。通过微流控技术可以把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块芯片上并自动完成分析的全过程。

一个典型的微流控系统主要由流量控制装置和微流控芯片两部分组成，其中流量控制装置由多个部件组成，包括泵，阀门，传感器、储液管，管线等，用于气体、液体或液体混合物的微流量精密控制，流量一般低于50ml/min。

微流体技术中微流量控制的基本原理是通过外力把所需要的气体或液体推入微流控芯片内，这些外力可由外部的驱动泵或压力控制装置提供。目前，研究人员主要使用的两种类型微流量控制装置分别是微量注射泵和高精度压力控制器，本文将针对这两种微流量控制装置进行分析比较，为微流控技术的实际应用提供有效的技术支持。

2. 微量注射泵

微量注射泵是以往微量蠕动泵和循环泵的升级替代产品，是微流控领域经常使用的一种流量控制系统。微量注射泵可分为两类：价格便宜但会产生流量振荡的普通注射泵和价格偏贵但可以提供更高流量稳定性的无脉动注射泵。几种典型的微流量注射泵如图1所示。

图1 几种典型的微流量注射泵

微量注射泵的主要优势是易于使用。无脉冲注射泵的主要弱点是时间响应性太慢，微流控芯片内的流量变化需要几秒到几个小时后才能达到稳定的流速，这种慢响应的弊端也是微量注射泵在数个应用领域如微液滴的制备内应用的主要限制因素。但随着采用能达到微米或纳米步长的步进电机技术，以及增加注射泵微机械部件接触的精密度，注射泵机械部件的生产质量，实验装置的流阻，实验用导管和芯片的弹性与高流阻特性等，可解决上述问题。注射泵的优缺点如下：

优点：

（1）可以快速实现微流控实验装置的搭建。

（2）新型无脉冲的注射泵可产生低于1%的流动稳定性。

（3）注射液体量对于长时间的实验来讲是可知的。

（4）微量注射泵产生的最大压力可达几百个bar左右。

（5）器件内的平均流量不会因器件流阻的实际变化而发生变化（注射泵因高压而发生停止运动除外）。

缺点：

（1）流量的响应时间在几秒到几小时内变化，这依赖于流体的阻力。响应时间的快慢可通过使用特定的微流体导管来进行调节。

（2）因没有流量计，在暂态过程（几秒到几个小时）中，用户不知道实际的液体流量。

（3）如果器件的流阻增加（如因通道堵塞或灰尘产生），微量注射泵产生的压力会无限制的增加。产生的压力增加到一定程度便会反过来损坏器件。

（4）微量注射泵无法实现死端通道（类似集成微流控阀）内流体的流量控制。

（5）注射泵驱动的液体体积总量是有限制的，而不是无限的。

（6）如果需要知道流体系统内部的压力，需要配备压力传感器。

（7）即使是使用无脉冲的微量注射泵，也需要根据具体的实验条件来仔细的选择注射器的大小，以此来避免注射泵的步进电机造成的液体流量的周期性脉动。

（8）流量的脉冲振荡效应可以通过使用一致性较好的微流体导管来进行降低。

（9）环境的温度变化会对引起管路材料收缩并改变管路的内径，而内径的微小变化会导致流速发生四次方的巨大变化。同时温度改变也会引起流体内气泡的体积变化而产生不希望的流体位移，这些最终都会对微流体注射泵性能带来严重影响。

3. 微量压力泵（压力控制器）

微量压力泵是一种控制容器中样品流量的新型装置，即通过在压力下将样品平稳注入微流体芯片。目前多数微流控研究都是通过使用压力控制器来完成的，因为它们可以在微流控芯片中以快速响应时间（80ms）建立无脉冲流。压力驱动的流动装置无延迟地传播流体中的压力变化，允许快速流动切换。由于没有移动的机械部件，压力驱动流的平稳运行得到进一步增强。

目前市场上有许多不同类型的精密压力调节器，各有特点。压力调节器类型的选择取决于特定需求和应用，然而，所有压力调节器都需具备一个特点，那就是能够高精度的控制液体的流动。下图是几种典型的国外微流体压力调节器产品。

图2 几种典型的国外微流量压力泵

压力和流量是一个对应关系，即通过控制施加在液体上的压力，也可以控制流体的流速，至于采用压力控制模式，还是采用流速控制模式，需要根据具体应用需要进行选择。下面是微流控装置中这两种控制模式的结构示意图。

图3 微流控装置中的压力和流量两种控制模式

如图3所示，在压力控制模式中，压力控制器通过调节样品储液容器上方的气体压力，将样品流体注入到微流控芯片中。为了解微流控芯片中所注入样品流体的流量，需要在微流控芯片的进口端或出口端增加一个流量传感器。如果此流量传感器作为压力控制器的测量信号，则会形成一个反馈闭环控制回路，可实现样品流体的精密流量控制。

由此可见，与高精度注射泵相比，如图4和图5所示，通过将压力控制器与流量传感器相结合，可以实现超精确和快速响应的流量控制。

图4 注射泵和压力泵的微流体流量控制时间响应性效果对比图

图5 注射泵和压力泵的微流体流量控制稳定性效果对比图

压力控制泵的优缺点如下：

优点：

（1）压力源允许无脉冲的流量流动。

（2）驱动液体的体积量可达到几升的液体量。

（3）响应时间最快可达到9 ms。

（4）允许死端或者封闭通道内的液体控制。

（5）当使用流量计时，允许同时控制液体的流量和压力。

缺点：

（1）最高压力会受到限制，目前常用的压力控制器的最高输出压力仅能达到8bar，但采用新型的压力控制器，最高输出压力可达50bar。

（2）当压力不平衡时，尤其是在多个输入口进行流量切换时，压力控制器可能会产生倒流（可使用开关阀门来解决这种倒流现象）。

4. 总结

综上所述，每种微流体控制系统都有各自的缺点和优点。注射泵方便，并且已经使用了很长时间，然而当面临复杂或需要精细控制微流体时，性能会受到限制（响应时间，波动和温度等等），这在微流体实验中经常碰到这种情况。

压力泵越来越多地被使用，因为它是为微流体开发的，它完全满足用户的期望（响应性、稳定性、可重复性等等）。压力控制技术几乎涵盖了所有的微流体应用（97%以上），并开始进入其它相关领域，如生物学和化学。同时，配套压力控制器的可选配件如传感器和切换阀等非常广泛，可以针对实验的需求而加以选择，同时这些选配件的价格下降使得其应用领域更加广泛。

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