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微流控芯片单元功能之一1、微流控芯片中流体驱动和控制2、微流控芯片中的化学反应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驱动：通过力的作用使微流控芯片上的液体流动。控制：开关、控制流体的流速和流向及流体的混合。随着微流控芯片分离分析研究的扩展,芯片内的微通道往往需制成更复杂的网络结构，存在不同的交汇区域。要在这样的芯片上实现各通道内流体流速和流向的驱动与控制，自动化完成芯片中的进样、分离等操作单元，对流体的驱动与控制提出了更艰巨的挑战。因此，如何使流体在通道中实现快速、均匀的混合和微型化、集成化的驱动，是微流控芯片发展中要解决的重要关键问题。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(mechanicaldisplacementmicropump),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。薄膜式往复微机械泵按驱动方式划分，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驱动是利用芯片在微电机带动下做圆周运动时所产生的离心力作为流体的驱动力。离心力微泵的优缺点优点是：设备较简单，微泵本身不需控制阀，驱动和控制设备一体化；可以同时集成多个结构单元，实现高通量分析。缺点是芯片内所有液流同时受力，如无外加微阀的配合使用，则无法完成复杂的微流控操作。且旋转的芯片不易于与外部的试样引入系统、信号的检测系统等设备进行联用，在一定程度上限制了这一技术的应用。热动力微泵一般由加热器和带有薄膜的充满气体或液体的密封的腔体组成，其制动原理是电阻加热和自然冷却导致密封在腔体中的气体压力增大或减小，使泵腔体的薄膜变形，一起被动阀的开或关，导致液体定向流动。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。工程与试验，2009，46-48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。气动微泵气动微泵优点：体积小、易于集成化、加工难度低、制作速度快等；缺点是流体流动有脉动性，气源采用外置气源和控制阀，外部设备体积较大。静电微泵制动频率高、结构简单、便于操作电磁微泵•优点：与静电微泵相比，电磁微泵有较大的制动力，且工作电压较低。•缺点：体积较大，结构复杂。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。电渗微泵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电渗泵的主要缺点只能驱动可产生电渗流的流体介质。尽管μ-TAS、微流控芯片等微系统领域已出现了压力、重力、离心力和剪切力等多种流体驱动方法,但电渗泵作为一种新型高压微流泵，具有连续输液、无脉动、无可动部件、无机械磨损以及避免单向阀和动态密封的微渗漏等特点，解决了机械泵的输液问题，所以电渗驱动仍是目前最主要的液体驱动手段，且受到了人们越来越多的关注。毛细作用微泵机械微泵制造工艺较复杂，且液流常有脉动性。非机械微泵中，如电渗泵、磁液态动力泵和离心力微泵等，由于液流无脉动，流速范围可在几ｎＬ／ｍｉｎ～几百μＬ／ｍｉｎ之间变化，因此被微流控系统广泛采用，但这些微泵需要较大的驱动器，常给使用带来不便。通过毛细作用力驱动的微泵，结构也相对简单，不需要外界力的作用，仅通过液体与毛细管之间的毛细作用就可实现流体的驱动。由储液管、蓄水池、吸水膜和蒸发孔组成。它以吸水膜的毛细作用和大气蒸发相结合作为驱动力。在同一工作日的一般温湿度波动范围内，微泵可在较长时间内提供稳定的μＬ／ｍｉｎ级液体流速。通过改变蒸发孔的面积或使用风扇可调节微泵的流速。微泵的流速精度一般优于３％。毛细和蒸发作用为驱动力的微泵此微泵简单、造价低、体积小、流速稳定、可长时间连续使用及流速易于调节、具有不外接能源，运行时间不受限制，任意长（环境的相对湿度＜100％）的优点。方肇伦等,分析化学,2005,33(3)423-427生物作用力微泵由于微型的化学和生化系统的高度集成化，且需要外部能量，因此难用于活体内。而生物作用力微泵是利用生物自身产生的力来驱动流体的，如心肌细胞的自动收缩。驱动原理：利用心肌细胞自动的收缩，使球形腔体上的PDMS膜发生形变，从而驱动腔体内的液体流动。LabChip,2007,7,207–212amicro-sphericalheart-likepumpamicro-sphericalheart-likepump的优点：1.不需外接能源或刺激，利用心肌细胞的收缩作为驱动力；2.装置简单、自动化；3.可以持续5天，且流速稳定在0.01-0.1μL/min，培养介质突然改变，泵的流速也不会有大的波动；4.可以植入体内作为驱动装置。光驱动微泵Maruoa和Inoue采用三维双光子(three2dimensionaltwo2photon)微制造技术制作了光驱动的“凸轮泵”。微泵主要由微通道内一对直径为9μm的微马达构成,通过一束激光束的时间间隔扫描,微马达可以协调工作,实验表明,示踪粒子(tracerparticle)可以与两个转动的马达同步运动,如图2所示。示踪粒子的速度与马达的转速成正比,流速为012—017μmPs,流速估计在皮升以下(sub-pl/min)级水平。•采用光激发的泵(optically-actuatedpump)和混合器即光驱动泵(optically-drivenpump,ODP)是近年来微泵技术取得的重要进展。•光流控的本质是ODP技术,由于ODP具有很多优点:例如与压电泵(piezoelectricpump)等微型泵相比,具有结构简单、尺寸小和可大规模集成等特点;•与电渗微泵相比,不受被驱动流体介质性质的限制等。因此光驱动微泵有着广阔的发展空间和应用前景。磁驱动泵采用磁激发的泵(magnetic-actuatedpump)即磁驱动泵(magnetically-drivenpump,MDP)也是一种重要的微流体驱动控制技术—磁流控技术。磁流控技术与光驱动泵一样，一般需要在被驱动流体中添加亲磁性纳米粒子介质,实现对流体的有效控制。磁流体驱动泵的优缺点优点：芯片结构较为简单；加工难度不高；流体流动无脉冲；流体流动的方向易于调节。缺点是：驱动的流体必须是磁流体或导电液体，且需要外加的设备。例如基于微电极反应的电化学泵,如图所示,其基本结构为在一个盛满水的微型储液池,储液池内放置一对距离很近的电极。基本原理：输液时,将该储液池与充满待驱动液体的微通道相连接,当在电极施加直流电场时,由于水被电解成为氢气和氧气形成气泡,这些气泡被用来推动微通道内的液体流动。微型电化学制动泵微型GP采用了地球的自然重力场作用力,不需要额外的动力源,是微流控芯片系统优先考虑的泵系统。这类泵输液时主要利用了储液池和输出通道出口之间的液面差。重力泵的压力很低,流量可控,可以驱动任何流体,是重要的泵技术。重力驱动泵利用水平放置的内径管状结构(也可采用椭圆管状内径等结构)储液池、适当尺寸的连接管、匹配的微流控芯片和流速调节管等可以实现重力驱动操作和进样等。Anal.Chem.2005,77,1330-1337重力驱动泵的优缺点优点：泵的结构简单，没有活动的机械部件，无需任何能源系统；操作简单，易进行多通道驱动操作；流体流动无脉动；对流体性质要求不高。缺点：泵压较小，流速不易调节；液流更换较为不便；不能采用消除驱动力的方法实现停泵停流。2.1.3组合驱动流体技术组合驱动流体技术就是指采用一种以上驱动原理的微流体驱动与控制技术,通过将我们常见的电、光、磁、热等一种致动形式或几种致动形式的有效组合而实现,这些组合形式对于发展多维分离分析技术十分重要。例如芯片流式细胞术，利用重力和电场力结合,可以方便的实现细胞和颗粒筛选控制。Yao等在十字型微流控芯片上以重力和电场力两种驱动力相结合的方式实现了流式细胞检测技术。以Hela细胞(子宫颈癌细胞)作为样本采用嵌入式染料TO-PRO-3穿透受损细胞膜对细胞内核酸进行标记,以635nm激光器作为激发光源,采用激光诱导荧光检测方法,不经破膜实现单细胞的荧光检测,并将该方法应用于紫外线诱导Hela细胞凋亡和坏死情况的微流控芯片流式细胞检测。压力流和电场力结合也具有类似的功能。YaoB,etal.LabonaChip,2004,4:603-607重力-电场力压力流-电场力———芯片自由流电泳(free-flowelectrophoresis,FFE)。与FFM相似,可以利用压力流和电场力组合驱动实现FFE,连续实现微量样品的分离分析。电场力-电场力组合———双向电泳技术。目前在蛋白质组研究中应用最多的分离技术是二维聚丙烯酰胺凝胶电泳(2D-PAGE),它也是目前对复杂生物体系中蛋白质组分辨率最高和重复性