微流控系統的分類
微流量芯片是微全分析系統中的重要組成部分,微流體趣動和控制技術是實現微流體控制的前提和基礎。目前,微流體的驅動和控制技術種類很多,采用的原理和形式也不盡相同。如按驅動原理來分,可分為壓力驅動、電滲驅動、電水力驅動、表面張力驅動、熱驅動、離心力驅動、重力驅動、電磁驅動、靜電驅動等。如果按有無可動部件分,又可分為有閥驅動和無閥驅動。每一種驅動和控制方式的操作形式都各不同。微流體的影響因素眾多、流動特征復雜,而且有時幾種方式是組合在一起的。下面將按照驅動原理分類來對各種驅動和控制微流體的技術進行介紹。
1、壓力驅動和控制
微流體的壓力驅動和控制與宏觀流體的原理基本相似,可以看作宏觀流動驅動和控制技術的移植,都是依靠入口、出口和腔體內部的相對壓差來驅動流體前進的。目前,利用壓力驅動和控制微流體的方式有兩種,一種是利用外部的蠕動泵或注射器與微流管道連接,通過前者的推動力驅動流體沖開管道中的閥門,在微流管道中向前流動,這種方式的主要缺點是不易于小型化,但它簡單、容易實現、成本低廉,而且已經商業化;另一種方法是采用微機械技術制作的微流泵來提供壓力差驅動流體前進。
2、電滲驅動和控制
電滲驅動是利用微流道表面存在的固定電荷進行驅動的。電滲流可以產生泵和閥的動作驅動微流體在微流管道中流動。電滲流產生的前提是與電解液接觸的管壁上有不動的表面電荷,這種表面電荷來自于離子化基或者是液體中被強力吸附的電荷。在表面電荷的靜電吸附和分子擴散的作用下,溶液中的抗衡離子就會在固液界面上形成雙電層,而管道中央液體中的凈電荷則幾乎為零,雙電層由緊密層和擴散層組成,其中緊密層的厚度約為1到2個離子的厚度。當在管道兩端施加適當的電壓時,在電場的作用下,固液兩相就會在緊密層和擴散層之間的滑動面上發生相對運動。由于離子的溶劑化作用或黏滯力的作用,當形成擴散層的離子發生遷移時,這些離子就會攜帶著液體一同移動,因此形成了電滲流。
3、電流體力驅動和控制
電流驅動(簡稱EHD)驅動與控制由電場和流體中電荷的相互作用來產生驅動力,電流體驅動需要在流體中或固體-液體表面誘導產生自由電荷,通過電場與自由電荷的相互作用來驅動流體,它一般適用于導電率極低的液體。而電滲驅動主要依賴材料與液體本身產生的雙電層與電場的相互作用來驅動流體,它適用于電解質溶液。
4、表面張力驅動和控制
從原理上講,如果能夠在固-液表面產生某種特定的表面張力梯度,就可以驅動液體向特定的方向流動。一般產生這種表面張力梯度的方法有兩種:一類方法是通過改變固體表面的濕潤性,另一類方法是通過改變液體的成分或溫度梯度。
利用表面張力主動進行微流體驅動和控制還是最近的事情,它只是處于實驗研究階段,要用于具體的微流體系統,還有很多技術問題需要解決。
5、熱驅動和控制
熱驅動和控制技術的操作過程一般是,通過給液體加熱,使液體中產生氣泡,氣泡隨著溫度的增加而膨脹,從而驅動和控制液體流動。液體在只有一個開口的腔體中,當液體中的氣泡隨著溫度增加而膨脹時,液體會直接從開口噴出,但當液體在兩端開口的管道中時,這種驅動方法就不能實現液體的單向流動了。
利用對氣泡不對稱加熱控制和驅動微流體的方法,所需加熱電壓小,沒有可動部件,實現簡單,而且易于控制電路和流體管道集成一體,是一種較理想的方法,但是目前達到的驅動速度較小,不易于控制,還需要進一步的改進。
6、離心力驅動和控制
利用離心力來進行微流體的驅動和控制的方法。采用光刻和注塑成型的方法在塑料圓盤上制作微流管道網絡,靠近圓盤中心的供液池裝載流體,當圓盤由馬達帶動旋轉時,流體就在離心力的作用下沿著微流管道網絡向遠離圓心的方向運動,流體流速的大小可以通過調節馬達轉速來控制。
基于離心力進行微粒體驅動有很多優點:(1)它只需要一個普通的馬達,功率消耗低,所需空間小;(2)對液體的物理化學性質不敏感,而且它不僅可以驅動液體,也可以驅動氣體,因而適用范圍廣;(3)適用于驅動不同尺寸范圍的管道中的流體;(4)離心力驅動技術可獲得的流速范圍大,調節方便。
標簽:   微流控 微流控系統