Die mikrofluidische Flussregelung ist eine entscheidende Komponente bei der Entwicklung und dem Betrieb jeglicher mikrofluidischen Geräte. Sie ermöglicht die präzise Handhabung und Dosierung kleiner Flüssigkeitsvolumina, was ein breites Spektrum an Anwendungen in der Wirkstoffforschung, in Lab-on-a-Chip-Systemen, in der Point-of-Care-Diagnostik und darüber hinaus erschließt. In diesem Blogbeitrag behandeln wir zwei der wichtigsten Methoden zur Regelung mikrofluidischer Strömungen: bewährte und weit verbreitete Verfahren wie Peristaltikpumpen, Druckregler und Spritzenpumpen sowie Miniaturpumpen, die in der Mikrofluidik zunehmend an Bedeutung gewinnen.
Die am häufigsten verwendeten Methoden zur mikrofluidischen Flussregelung
1- Flussregelung mit einer Spritzenpumpe oder einer volumetrischen Pumpe in der Mikrofluidik
Spritzenpumpen gehören zu den gängigsten Methoden zur Regelung mikrofluidischer Strömungen. Diese vielseitigen und zuverlässigen Pumpen basieren auf einem mechanischen System, das in der Regel von einem Elektromotor angetrieben wird und den Spritzenkolben mit einer festen Rate vorschiebt.
Durch die Integration eines Schrittmotors und Kolbens eignen sie sich sowohl für die Infusion (Vorschub) als auch für die Aspiration (Rückzug), was sie zu einem äußerst wertvollen Werkzeug im Labor macht. Je nach Anwendung können Spritzenpumpen so ausgelegt werden, dass sie eine große Anzahl von Spritzen aufnehmen.
Diese Geräte arbeiten mit sehr exakten und präzisen volumetrischen Flussraten, die von Millilitern bis zu Picolitern reichen. Dank ihrer Flexibilität und Genauigkeit stellen Spritzenpumpen eine hervorragende Bereicherung für jede Laborumgebung dar.
Andererseits weisen sie bisweilen langsame Ansprechzeiten auf und können bei übermäßigen Drücken oder Verstopfungen der Kanäle/tube versagen. Darüber hinaus ist ihr Abgabevolumen durch die Größe der Spritze begrenzt, was ihren Einsatz für Langzeitexperimente erschwert.
Der größte Vorteil von Spritzenpumpen liegt in ihrer einfachen Bedienung. Selbst mit geringen Vorkenntnissen lassen sich Spritzenpumpen innerhalb weniger Minuten einrichten und betreiben. Mit programmierbaren Spritzenpumpen können Anwender über einfache Infusions- und Aspirationsvorgänge hinausgehen und maßgeschneiderte Pumpverfahren erstellen, die von einfachen bis hin zu komplexen Flussprofilen reichen, wodurch eine ohnehin bewährte Flussregelungs라도-Methode noch vielseitiger wird.
Insgesamt sind Spritzenpumpen hervorragende Werkzeuge zur Regelung mikrofluidischer Strömungen, sollten jedoch mit Vorsicht und einem gründlichen Verständnis ihrer Stärken und Schwächen eingesetzt werden. Bei der Suche nach einer präzisen mikrofluidischen Flussregelung können auch andere Methoden wie die volumetrische Regelung in Betracht gezogen werden.
💪 Stärken
- Schnelle und einfache Einrichtung für mikrofluidische Experimente.
- Genauigkeit von max. 0,25 % bei nahezu pulsfreien Spritzenpumpen.
- Ermöglicht dem Anwender die Definition des gesamten in einem Experiment verwendeten Flüssigkeitsvolumens.
- Mit Spritzenpumpen lassen sich hohe Drücke von mehreren hundert Bar erzeugen.
- Die mittlere Flussrate bleibt konstant, selbst wenn sich der mikrofluidische Widerstand während des Experiments ändert (es sei denn, die Pumpe blockiert aufgrund übermäßigen Drucks).
😢 Schwächen
- Ansprechzeiten der Flussrate können je nach mikrofluidischem Widerstand mehrere Sekunden betragen.
- Die Flussrate beim Wechsel von einem Wert zum anderen lässt sich ohne Durchflusssensoren nicht genau bestimmen.
- Ein übermäßiger mikrofluidischer Widerstand (wie etwa Verstopfungen in Kanälen oder tube) kann zu einem Druckaufbau und zum schließlichen Ausfall der Spritzenpumpe führen.
- Das Flüssigkeitsabgabevolumen ist durch das Volumen der Spritze begrenzt, was Langzeitexperimente komplizierter macht.
💡 Einige Tipps für die Verwendung einer Spritzenpumpe oder einer volumetrischen Pumpe
Spritzenpumpen sind in vielen Forschungslaborern ein unverzichtbares Werkzeug und können bei ordnungsgemäßer Pflege und Wartung jahrelang zuverlässig ihren Dienst tun. Wenn Sie diese Tipps befolgen, stellen Sie sicher, dass Ihre Spritzenpumpe auch in Zukunft ein verlässlicher Bestandteil Ihrer Laborausstattung bleibt.- Bevor Sie eine Spritzenpumpe verwenden, überprüfen Sie stets, ob diese mit der verwendeten Flüssigkeitsart kompatibel ist und ob alle Anschlüsse ordnungsgemäß gesichert sind.
- Ihre Spritzenpumpe muss regelmäßig kalibriert werden, um eine präzise Steuerung der Flussrate und des Flüssigkeitsvolumens zu gewährleisten. Dies lässt sich überprüfen, indem Sie abgleichen, ob die Messwerte auf dem Display der Pumpe mit einer Messung mittels Messzylinder oder einem anderen Referenzmessgerät übereinstimmen.
- Stellen Sie sicher, dass Sie die für die Pumpe passende Spritzengröße verwenden und der Kolben frei von Hindernissen ist.
- Nach dem Experiment ist sicherzustellen, dass alle Verbindungen fachgerecht gelöst und sicher verstaut werden.
2- Durchflussregelung mit einer Schlauchpumpe bzw. Peristaltikpumpe in der Mikrofluidik
Peristaltikpumpen sind ein vielseitiger, effizienter und zuverlässiger Pumpentyp, der eine präzise Durchflussregelung ermöglicht. Durch die Verwendung eines flexiblen tubes im Pumpenkopf wird Druck auf die darin befindliche Flüssigkeit ausgeübt, wodurch sie durch die gesamte Länge des tubes gepresst und ihre Geschwindigkeit reguliert wird. Dies prädestiniert Peristaltikpumpen für Anwendungen wie das Dosieren, Abfüllen und Fördern kleiner Flüssigkeitsvolumina. In unserem umfassenden Leitfaden finden Sie weitere Erläuterungen zu diesen Konzepten.
Peristaltikpumpen stellen eine ideale Lösung für Langzeitexperimente dar, da sie Flüssigkeiten kontinuierlich zirkulieren lassen können, ohne dass ein Kontakt zwischen dem Pumpmechanismus und dem zu fördernden Medium stattfindet. Dies ist besonders vorteilhaft bei Anwendungen, bei denen Kontaminationen oder gefährliche Medien im Spiel sind, da jegliches Risiko eines Kontakts ausgeschlossen wird.
Obwohl diese Technologie viele Vorteile bietet, weist sie auch Nachteile auf. Es ist wichtig, die Stärken und Schwächen von Peristaltikpumpen bei Ihrer Auswahl zu berücksichtigen.
💪 Stärken
- Einfache Einrichtung.
- Die kontinuierliche Zirkulation der Flüssigkeit ermöglicht ein unendliches Dosiervolumen.
- Eine Rezirkulation derselben Probe ist möglich (in einem geschlossenen Kreislaufsystem).
- Kann unabhängig im Parallelbetrieb eingesetzt werden.
- Bestens geeignet zum Fördern hochviskoser Flüssigkeiten.
😢Nachteile
- Hohe Schwankungen der Flussrate.
- Erhebliche Vibrationen und Geräuschentwicklung.
- Das tube muss gelegentlich ausgetauscht werden.
- Peristaltikpumpen können keine sehr niedrigen Flussraten erreichen (unter 1 µL/min).
- In der Regel weniger präzise als Spritzenpumpen und Druckregler.
💡 Einige Tipps für die Verwendung einer Peristaltikpumpe
- Stellen Sie vor dem Einschalten sicher, dass alles fest angeschlossen ist.
- Verwenden Sie die für Ihre Anwendung passende tube-Größe. Der Innendurchmesser Ihres tubes beeinflusst die erreichbare Flussrate.
- Überprüfen Sie Ihr tube regelmäßig auf Verschleiß oder Beschädigungen. Ersetzen Sie abgenutzte tubes, um Leckagen zu verhindern
3- Durchflussregelung mit einem Druckregler in der Mikrofluidik
Mikrofluidische Flussregelungstechnologien werden häufig eingesetzt, um kleine Fluidvolumina präzise und effizient zu bewegen. Druck ist eines der Hauptwerkzeuge zur Steuerung mikrofluidischer Strömungen, und es gibt verschiedene Möglichkeiten, diesen zu nutzen.
Der einfachste Weg ist die Nutzung hydrostatischen Drucks. Dabei wird das Einlassreservoir höher platziert als das Auslassreservoir, sodass die Schwerkraft das Fluid – ähnlich wie bei einem Wasserturm – vom Einlass zum Auslass befördert. Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung von Druckreglern, die Probenreservoirs unter Druck setzen, um den Druckabfall zwischen Einlass und Auslass des mikrofluidischen Systems zu steuern.
Druckregler bieten Einstellzeiten von 40 ms und eine Stabilität von 0,1 % CV bei den Messwerten.
Wird Druck auf Fluide in einem geschlossenen Behälter mit einem Auslass ausgeübt, bewegt sich das Fluid aufgrund des Druckunterschieds gemäß der Gleichung: ΔP = Q x R (wobei Q = Flussrate; ΔP = Druckdifferenz; und R = Strömungswiderstand). Dies bedeutet, dass der resultierende Fluss vom angewendeten Druck und dem Widerstand des Systems abhängt. Der Widerstand ist daher besonders wichtig, da er sowohl von der Viskosität des verwendeten Fluids als auch von der Geometrie der Kanäle abhängt. Dies ist ein Parameter, der beispielsweise bei der Verwendung einer Spritzenpumpe kaum berücksichtigt wird.
Druckpumpen haben jedoch auch einige Nachteile, darunter die Begrenzung auf 8 bar und das Risiko eines Rückflusses aufgrund von Strömungsschaltern mit mehreren Zugangspunkten.
💪 Stärken
- Pressure driven flow gewährleistet einen pulsationsfreien Fluss.
- Es können große Probenvolumina von bis zu mehreren Liter verwendet werden.
- Schnelle Ansprechzeit von ca. 40 ms (für den OB1 von ELVEFLOW).
- Kann Fluide in Sackgassenkanälen ohne Risiko eines Systemausfalls steuern.
- Eine Flussratenregelung lässt sich problemlos mit einem Durchflusssensor als Feedback realisieren.
- Bestens geeignet zum Pumpen von hochviskosen Fluiden.
😢 Schwächen
- Hohe Drücke (über ca. 8 bar) sind nicht möglich mit Druckreglern.
- Druckungleichgewichte können zu Rückflüssen im System führen. Um dem entgegenzuwirken, kann entweder eine sorgfältige Druckregelung oder der Einsatz von Ventilen erfolgen.
- Hohe Kosten im Vergleich zu anderen Flussregelungsmethoden.
- Die Rezirkulation derselben Probe ist allein mit einem Druckregler nicht möglich.
- Das Dosiervolumen des Fluids ist durch das Volumen der Reservoirs begrenzt, was Langzeitexperimente komplizierter macht.
💡 Einige Tipps für die Verwendung eines Druckreglers
- Rüsten Sie Ihr Setup mit einem Microfluidic Backflow Blocker aus, um Rückflüsse in Ihren Druckregler zu verhindern.
- Kombinieren Sie Ihren Druckregler mit einem Durchflusssensor, um einen Regelkreis (Feedback-Loop) zu erstellen und den Druck so lange anzupassen, bis die gewünschte Flussrate erreicht ist.
- Verwenden Sie für Ihr Experiment keine überdimensionierten Reservoirs.
- Verwenden Sie ein spezielles Reservoir, wenn Sie in Ihrem Setup mit hohem Druck arbeiten möchten.
Miniaturpumpen: Eine zunehmend beliebte Methode zur Flussregelung in der Mikrofluidik.
Das wachsende Interesse an Miniaturpumpen ist auf die Vorteile zurückzuführen, die sie in der Mikrofluidik bieten. Miniaturpumpen sind deutlich kleiner als herkömmliche Pumpen, was kompaktere Designs ermöglicht, die auch in beengte Platzverhältnisse passen. Zudem bieten sie eine höhere Genauigkeit beim Dosieren und Steuern kleiner Fluidvolumina sowie geringere Herstellungskosten. Dies prädestiniert sie für den Einsatz in Forschung und Industrie. Darüber hinaus ermöglicht die verbesserte Kontrolle kleiner Fluidvolumina die Durchführung fortschrittlicher mikrofluidischer Prozesse und Protokolle mit höherer Präzision. Dies unterstreicht die Bedeutung von Miniaturpumpen für die aktuelle und zukünftige mikrofluidische Forschung.
Aus diesen Gründen werden Mikropumpen in den kommenden Jahren eine zunehmend wichtige Rolle in der Mikrofluidik einnehmen.
1- Flussregelung mit einer Piezoelektrischen Pumpe in der Mikrofluidik
Die Piezoelektrische Pumpe ist eine ausgesprochen dünne, kompakte und leichte Membran-Mikropumpe, die speziell für raumsparende, integrierte Anwendungen entwickelt wurde. Sie ist eine unglaublich praktische Pumpe für alle, die durch beengte Platzverhältnisse eingeschränkt sind, ohne dabei Kompromisse bei der Pumpleistung eingehen zu müssen. Dank ihres einzigartigen Designs bietet sie eine effiziente und effektive Pumpenloesung.
Das Funktionsprinzip von Piezomikropumpen basiert auf einer Kombination aus einer piezoelektrischen Membran und passiven Rückschlagventilen.
Durch das Anlegen einer Spannung an die Piezokeramik, die auf einer beschichteten Messingmembran montiert ist, verformt sich die Membran und führt einen Abwärtshub aus. Dies wiederum verdrängt das Medium aus der darunter liegenden Pumppammer. Die Rückschlagventile auf beiden Seiten der Kammer steuern und lenken die Strömungsrichtung.
💪 Stärken
- Kostengünstig.
- Schnelles dynamisches Ansprechverhalten.
- Hohe Zuverlässigkeit.
- Funktioniert mit offenen Reservoirs, ähnlich wie eine Schlauchpumpe
- Geringes Gewicht.
😢 Schwächen
- Geringer Gegendruck zulässig (+/- 600 mbar).
- Durch die Viskosität des Fluids begrenzt.
- Muss mit einem externen Durchflusssensor betrieben werden.
- Geringe chemische Beständigkeit gegenüber organischen Lösungsmitteln.
- Der Fluss ist nicht so pulsationsarm wie bei einer Spritzenpumpe oder einem Druckregler.
💡 Ein paar Tipps für die Verwendung einer piezoelektrischen Pumpe
- Stellen Sie sicher, dass das Fluidreservoir vor dem Betrieb der Pumpe bis zu den empfohlenen Füllständen gefüllt ist. Dies trägt zu einem reibungslosen Betrieb bei und verhindert das Auftreten von Kavitation.
- Achten Sie darauf, dass Einlass und Auslass nicht blockiert sind. Ein Druckaufbau kann Ihre Pumpe beschädigen. Für zusätzliche Sicherheit können Sie einen Drucksensor für Bartels-Pumpen verwenden, um den Druck zu überwachen.
- Verwenden Sie einen Dämpfer, um die Pulsation des Flusses zu reduzieren.
- Sie können einen Flussmesser verwenden, um Ihre Flussrate zu überwachen.
2- Flussregelung mit einer Mikrozahnringpumpe in der Mikrofluidik
Eine Mikrozahnringpumpe, auch bekannt als Gerotor- oder Trochoidenpumpe, ist eine Innenzahnradpumpe, die aus einem Innen- und einem Außenzahnrad besteht, welche exzentrisch im Pumpengehäuse angeordnet sind. Wenn das innere Zahnrad gedreht wird, nimmt es das äußere Zahnrad in dieselbe Richtung mit. Die geringen Unterschiede in der Zähnezahl der Zahnräder und ihren Mittelpunkten bewirken, dass sich das Volumen der Zwischenräume bei jedem Zyklus verändert. Dank der engen Toleranzen zwischen den Zahnrädern kann die Pumpe an ihrem Einlass eine Saugkraft erzeugen und verhindert, dass Flüssigkeit auf der Druckseite austritt.
Was Mikrozahnringpumpen so attraktiv macht, ist ihre geringe Größe und kompakte Bauweise. Kombiniert mit ihrer einstellbaren Förderleistung, die direkt von der Drehzahl ihrer Zahnräder abhängt, sind sie die ideale Wahl für präzises Dosieren. Zudem erleichtert die schrittweise Drehung der Zahnräder die Kontrolle über das abgegebene Flüssigkeitsvolumen.
💪 Stärken
- Äußerst kompakte und einfache Geräte, ideal für Anwendungen, die eine präzise Förderung oder Dosierung von Flüssigkeiten erfordern.
- Offene Reservoirs: einfache Rezirkulation
- Geringe Pulsation (vergleichbar mit einer Spritzenpumpe)
😢 Schwächen
- Kann keine geringeren Flussraten als wenige µL/min erreichen.
- Viele Parameter müssen berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass dies Ihren Anforderungen entspricht.
- Mikro-Ringpumpen weisen enge Toleranzen auf, wodurch sie anfällig für Verschleiß durch abrasive Flüssigkeiten und Feststoffe sind. Sie müssen Ihre Lösung vor der Verwendung filtern.
- Dies ist nicht geeignet für zelluläre oder partikelhaltige Medien.
💡 Einige Tipps für die Verwendung einer Mikro-Ringzahnradpumpe
- Achten Sie darauf, die Einlass- und Auslassöffnungen der Zahnradpumpe sauber zu halten, um einen ordnungsgemäßen Fluss zu gewährleisten. Es kann sich leicht Druck aufbauen, der die Pumpe beschädigt.
- Filtern Sie Ihre Flüssigkeiten stets, um Schäden an den Zahnrädern zu vermeiden.
- Stellen Sie sicher, dass Ihre Lösung mit dem Rotor der Zahnradpumpe kompatibel ist.
- Stellen Sie sicher, dass sich die Pumpe über den nachgeschalteten Komponenten befindet, oder verwenden Sie ein Rückschlagventil, um einen Rückfluss zu vermeiden. Oder verwenden Sie ein Rückschlagventil.
