Le contrôle du débit microfluidique est un composant d'une importance capitale dans le développement et le fonctionnement de tout dispositif microfluidique. Il permet la manipulation précise et la délivrance de petits volumes de liquide, ce qui rend possible un vaste éventail d'applications dans la recherche pharmaceutique, les systèmes de type lab-on-a-chip, les diagnostics au point d'intervention, et bien plus encore. Dans cet article, nous aborderons deux des principales méthodes pour contrôler le débit microfluidique : les méthodes populaires et largement utilisées telles que les pompes péristaltiques, les contrôleurs de pression et les pousse-seringues ; ainsi que les mini pompes qui sont de plus en plus utilisées en microfluidique.
Les méthodes les plus utilisées pour le contrôle du débit microfluidique
1- Contrôle du débit avec un pousse-seringue ou une pompe volumétrique en microfluidique
Pousse-seringues sont l'une des méthodes les plus courantes utilisées pour contrôler les débits microfluidiques. Ces pompes polyvalentes et fiables reposent sur un système mécanique généralement actionné par un moteur électrique qui pousse un piston de seringue à un débit fixe.
Intégrant un moteur pas à pas et un piston, elles sont capables à la fois d'une perfusion par poussée et d'un retrait par traction, ce qui en fait un outil très précieux en laboratoire. Selon l'application, les pousse-seringues peuvent être conçus pour accueillir un grand nombre de seringues.
Ces dispositifs sont capables de fonctionner avec des débits volumétriques très exacts et précis, allant des millilitres aux picolitres. Grâce à leur flexibilité et à leur précision, les pousse-seringues peuvent constituer un atout majeur dans tout environnement de laboratoire.
D'un autre côté, ils peuvent présenter des temps de réponse lents et peuvent défaillir en raison de pressions excessives ou du colmatage des canaux/tubes. De plus, leur volume de distribution est limité par la taille du pousse-seringue, ce qui rend leur utilisation difficile pour des expériences à long terme.
Le plus grand avantage des pousse-seringues est leur facilité d'utilisation. Même avec peu d'expertise, les pousse-seringues peuvent être configurés et pomper du fluide en quelques minutes. Avec les pousse-seringues programmables, les utilisateurs peuvent aller au-delà des simples opérations de perfusion et de retrait et créer des méthodes de pompage personnalisées composées de profils de débit simples à complexes, ajoutant encore plus de polyvalence à une méthode de contrôle du débit qui a déjà fait ses preuves.
Globalement, les pousse-seringues sont d'excellents outils pour contrôler les débits microfluidiques, mais ils doivent être utilisés avec précaution et une compréhension approfondie de leurs forces et de leurs faiblesses. D'autres méthodes telles que le contrôle volumétrique peuvent également être envisagées lorsque l'on cherche à contrôler précisément les débits microfluidiques.
💪 Points forts
- Mise en place rapide et facile pour les expériences microfluidiques.
- Précision de 0,25 % max avec des pousse-seringues quasi sans pulsation
- Permet à l'utilisateur de définir le volume total de fluide utilisé dans une expérience.
- Des hautes pressions de plusieurs centaines de bars peuvent être générées avec des pousse-seringues.
- Le débit moyen reste constant même en cas de variation de la résistance microfluidique au cours d'une expérience (sauf si la pompe se bloque en raison de pressions excessives).
😢 Points faibles
- Les temps de réponse du débit peuvent atteindre plusieurs secondes selon la résistance microfluidique.
- Le débit lors de la commutation d'un débit à un autre ne peut pas être connu sans capteur de débit.
- Une résistance microfluidique excessive (telle que le colmatage d'un canal ou d'un tube) peut entraîner une augmentation de la pression et la panne éventuelle du pousse-seringue.
- Le volume de distribution de fluide est limité par le volume de la seringue, ce qui complique les expériences à long terme.
💡 Quelques conseils pour utiliser un pousse-seringue ou une pompe volumétrique
Les pousse-seringues sont des outils indispensables dans de nombreux laboratoires de recherche et, avec un entretien et une maintenance appropriés, ils peuvent offrir des années de service fiable. En suivant ces conseils, vous veillerez à ce que votre pousse-seringue demeure un élément fiable de votre équipement de laboratoire pour les années à venir.- Avant d'utiliser un pousse-seringue, vérifiez toujours qu'il est compatible avec le type de fluide utilisé et que toutes les connexions sont correctement fixées.
- Votre pousse-seringue doit être régulièrement calibré pour garantir un contrôle précis du débit et du volume des fluides. Pour ce faire, vous pouvez vérifier que les valeurs affichées sur l'écran de la pompe correspondent à une mesure effectuée à l'aide d'une éprouvette graduée ou d'un autre dispositif de mesure de référence.
- Assurez-vous d'utiliser la taille de seringue adaptée à la pompe et que le piston est exempt de toute obstruction.
- Après votre expérience, assurez-vous que toutes les connexions sont correctement déconnectées et rangées en toute sécurité.
2- Contrôle du débit avec une pompe péristaltique ou une pompe à tuyau en microfluidique
Les pompes péristaltiques constituent un type de pompe polyvalent, efficace et fiable qui offre un contrôle précis du débit. En utilisant un tube flexible à l'intérieur de la tête de pompe, une pression est exercée sur le liquide qu'il contient, ce qui le fait progresser le long du tube et permet d'en contrôler la vitesse. Les pompes péristaltiques sont ainsi idéales pour des applications telles que la distribution, le dosage et le transfert de petits volumes de liquide. Vous pouvez consulter notre Guide complet pour mieux comprendre ces concepts.
Les pompes péristaltiques constituent une solution idéale pour les expériences à long terme, car elles peuvent faire circuler des fluides en continu sans aucun contact entre le mécanisme de pompage et le milieu pompé. Ceci est particulièrement avantageux pour les applications impliquant des risques de contamination ou des milieux dangereux, car cela élimine tout risque de contact.
Bien que cette technologie présente de nombreux avantages, elle a aussi ses inconvénients. Il est important de se souvenir des forces et des faiblesses des pompes péristaltiques lors de votre choix.
💪 Points forts
- Mise en place facile.
- La recirculation continue du fluide permet un volume de distribution infini.
- La recirculation du même échantillon est possible (dans un système en boucle fermée).
- Peut être utilisé indépendamment en parallèle.
- Bien adapté au pompage de fluides à haute viscosité.
😢Faiblesses
- Forte oscillation du débit.
- Vibrations et bruit importants produits.
- Le tube doit être remplacé occasionnellement.
- Les pompes péristaltiques ne peuvent pas atteindre de très faibles débits (inférieurs à 1 µL/min).
- Généralement moins précis que les pousse-seringues et les contrôleurs de pression.
💡 Quelques conseils pour utiliser une pompe péristaltique
- Avant de mettre sous tension, assurez-vous que tout est correctement raccordé.
- Utilisez la taille de tube adaptée à votre application. Le diamètre interne de votre tube aura une incidence sur le débit que vous pourrez atteindre.
- Inspectez régulièrement votre tube afin de détecter tout signe d'usure ou de dommage. Remplacez les tubes usés pour éviter les fuites
3- Contrôle du débit avec un contrôleur de pression en microfluidique
Les technologies de contrôle de débit microfluidique sont souvent utilisées pour déplacer de petits volumes de fluides de manière précise et efficace. La pression est l'un des principaux outils utilisés pour contrôler le débit microfluidique, et il existe plusieurs façons de l'exploiter.
La méthode la plus simple consiste à utiliser la pression hydrostatique, qui consiste à placer le réservoir d'entrée plus haut que le réservoir de sortie pour permettre à la gravité de pousser le fluide de l'entrée vers la sortie, à la manière d'un château d'eau. Une autre méthode consiste à utiliser des contrôleurs de pression, qui mettent sous pression les réservoirs d'échantillons pour réguler la chute de pression entre l'entrée et la sortie du système microfluidique.
Les contrôleurs de pression offrent des temps d'établissement de 40 ms et une stabilité de 0,1 % CV sur les valeurs mesurées.
Lorsqu'une pression est appliquée sur des fluides dans un récipient étanche muni d'une sortie, le fluide se déplace en raison de la différence de pression et suit l'équation : ΔP = Q x R (avec Q = débit ; ΔP = différence de pression ; et R = résistance à l'écoulement). Cela signifie que le débit résultant dépend de la pression appliquée et de la résistance du système. La résistance revêt donc une importance particulière puisqu'elle dépend de la viscosité du fluide utilisé ainsi que de la géométrie des canaux. Il s'agit d'un paramètre qui n'est pas réellement pris en compte lors de l'utilisation d'un pousse-seringue par exemple.
Cependant, les pompes à pression présentent certains inconvénients, notamment une limitation à 8 bars et un risque de reflux dû aux commutations de débit comportant plusieurs points d'entrée.
💪 Points forts
- L'écoulement sous pression assure un flux sans pulsation.
- De grands volumes d'échantillons pouvant atteindre plusieurs litres peuvent être utilisés.
- Temps de réponse rapide d'environ 40 ms (pour l' OB1 d'ELVEFLOW).
- Peut contrôler les fluides dans des canaux cul-de-sac sans risque de défaillance du système.
- Le contrôle du débit peut facilement être obtenu grâce à l'asservissement par capteur de débit.
- Bien adapté au pompage de fluides à haute viscosité.
😢 Points faibles
- Les hautes pressions (dépassant ~8 bar) ne sont pas possibles avec les contrôleurs de pression.
- Les déséquilibres de pression peuvent entraîner des retours de flux dans le système. Un contrôle minutieux de la pression ou des vannes peuvent être utilisés pour contrer cela.
- Coût élevé comparé à d'autres méthodes de contrôle de débit.
- La recirculation du même échantillon est impossible avec un simple contrôleur de pression.
- Le volume de distribution de fluide est limité par le volume des réservoirs, ce qui complique les expériences à long terme.
💡 Quelques conseils pour utiliser un contrôleur de pression
- Équipez votre installation d'un Microfluidic Backflow Blocker pour éviter les retours de flux dans votre contrôleur de pression.
- Couplez votre contrôleur de pression à un capteur de débit pour créer une boucle de rétroaction et ajuster facilement la pression jusqu'à l'obtention du débit souhaité.
- Ne pas utiliser de réservoirs surdimensionnés dans votre expérience.
- Utilisez un réservoir spécifique si vous prévoyez d'utiliser une haute pression dans votre installation.
Pompes miniatures : Une méthode de plus en plus prisée pour le contrôle du flux en microfluidique.
L'intérêt croissant pour les pompes miniatures s'explique par les avantages qu'elles offrent en microfluidique. Les pompes miniatures sont nettement plus petites que les pompes traditionnelles, ce qui permet des conceptions plus compactes capables de s'intégrer dans des espaces restreints. Elles offrent également une plus grande précision lors du dosage et du contrôle de petits volumes de fluides, ainsi que des coûts de fabrication inférieurs. Cela les rend idéales pour des applications de recherche et industrielles. De plus, un meilleur contrôle des petits volumes de fluide permet de réaliser des processus et des protocoles microfluidiques avancés avec une plus grande précision. Cela souligne l'importance des pompes miniatures pour la recherche microfluidique actuelle et future.
Pour toutes ces raisons, les micropompes sont appelées à jouer un rôle de plus en plus important en microfluidique dans les années à venir.
1- Contrôle de flux avec une pompe piézoélectrique en microfluidique
La Pompe Piézoélectrique est une micropompe à diaphragme remarquablement fine, compacte et légère, conçue pour des applications intégrées où l'espace est limité. C'est une pompe incroyablement pratique pour ceux qui sont contraints par des espaces restreints, sans sacrifier la puissance de ses capacités de pompage. Grâce à sa conception unique, elle est capable de fournir une solution de pompage efficace et performante.
Le principe de fonctionnement des micropompes piézoélectriques repose sur une combinaison d'un diaphragme piézoélectrique et de vannes anti-retour passives.
En appliquant une tension à la céramique piézoélectrique, qui est montée sur une membrane en laiton revêtue, cela provoque la déformation du diaphragme et la création d'une course descendante. Ceci, à son tour, déplace le fluide hors de la chambre de pompe située en dessous. Les vannes anti-retour de chaque côté de la chambre aident à diriger et à contrôler le sens du flux.
💪 Points forts
- Économique.
- Réponse dynamique rapide.
- Haute fiabilité.
- Fonctionne avec des réservoirs ouverts, comme une pompe péristaltique
- Poids léger.
😢 Points faibles
- Faible contre-pression autorisée (+/- 600 mbar).
- Limité par la viscosité du fluide.
- Doit être utilisé avec un capteur de débit externe.
- Faible compatibilité chimique avec les solvants organiques.
- Le flux est moins sans pulsation qu'avec un pousse-seringue ou un contrôleur de pression.
💡 Quelques conseils pour utiliser une pompe piézoélectrique
- Assurez-vous que le réservoir de fluide est rempli aux niveaux recommandés avant de faire fonctionner la pompe. Cela permet de garantir un fonctionnement fluide et d'éviter l'apparition de cavitation.
- Assurez-vous que l'entrée et la sortie ne sont pas bloquées. Une accumulation de pression peut endommager votre pompe. Pour plus de sécurité, vous pouvez utiliser un capteur de pression pour les pompes Bartels afin de surveiller la pression.
- Utilisez un amortisseur pour réduire la pulsatilité du flux.
- Vous pouvez utiliser un capteur de débit pour surveiller votre débit.
2- Contrôle du débit avec une pompe à engrenages micro-annulaires en microfluidique
Une micro annular pump, également appelée pompe gerotor ou trochoïdale, est un type de pompe à engrenages internes constituée d'engrenages internes et externes assemblés de manière excentrique dans le corps de pompe. Lorsque l'engrenage interne tourne, il entraîne l'engrenage externe dans le même sens. Les légères différences entre le nombre de dents de chaque engrenage et leurs centres font que le volume des espaces entre eux varie à chaque cycle. Grâce aux tolérances serrées entre les engrenages, cela permet à la pompe de créer une force d'aspiration à son entrée et d'empêcher les fuites de liquide du côté du refoulement.
Ce qui rend les pompes micro-annulaires si attractives, c'est leur petite taille et leur conception compacte. Associées à leur débit réglable, qui dépend directement de la vitesse de rotation de leurs engrenages, elles constituent un choix idéal pour un dosage précis. De plus, la rotation incrémentielle des engrenages facilite le contrôle de la quantité de liquide distribuée.
💪 Points forts
- Dispositifs très compacts et simples, idéaux pour les applications nécessitant une distribution ou un dosage précis de liquides.
- Réservoirs ouverts : recirculation facile
- Faible pulsatilité (comparable à un pousse-seringue)
😢 Points faibles
- Ne peut pas descendre à des débits inférieurs à quelques µL/min.
- De nombreux paramètres doivent être pris en compte pour s'assurer que cela correspond à vos besoins.
- Les micro-pompes annulaires ont des tolérances serrées, ce qui les rend sensibles à l'usure due aux liquides et solides abrasifs. Vous devrez filtrer votre solution avant de l'utiliser.
- Ceci n'est pas approprié pour les milieux cellulaires ou chargés en particules.
💡 Quelques conseils pour utiliser une pompe à engrenages micro-annulaires
- Veillez à garder propres les ports d'entrée et de sortie de la pompe à engrenages pour assurer un débit correct. La pression peut facilement s'accumuler et endommager la pompe.
- Toujours filtrer vos liquides afin d'éviter tout dommage aux engrenages.
- Assurez-vous que votre solution est compatible avec le rotor de la pompe à engrenages.
- Assurez-vous que la pompe est positionnée au-dessus des éléments en aval ou utilisez une vanne anti-retour pour éviter tout reflux. Ou utilisez une vanne anti-retour.
