Il controllo del flusso microfluidico rappresenta una componente fondamentale nello sviluppo e nel funzionamento di qualsiasi dispositivo microfluidico. Esso consente la manipolazione e l'erogazione accurata di piccoli volumi di liquido, abilitando una vasta gamma di applicazioni nella ricerca farmaceutica, nei sistemi lab-on-a-chip, nella diagnostica point-of-care e altro ancora. In questo articolo del blog, analizzeremo due dei principali metodi per controllare il flusso microfluidico: tecniche diffuse e ampiamente utilizzate come pompe peristaltiche, regolatori di pressione e pompe siringa, oltre alle pompe miniaturizzate che stanno trovando un impiego sempre più diffuso nella microfluidica.
I metodi più utilizzati per il controllo del flusso microfluidico
1- Controllo del flusso mediante pompa siringa o pompa volumetrica nella microfluidica
Le pompe siringa costituiscono uno dei metodi più comuni impiegati per controllare i flussi microfluidici. Queste pompe versatili e affidabili si fondano su un sistema meccanico azionato solitamente da un motore elettrico che spinge lo stantuffo di una siringa a una velocità costante.
Integrando un motore passo-passo e uno stantuffo, sono in grado di eseguire sia l'infusione a spinta che l'estrazione per prelievo, rivelandosi uno strumento estremamente prezioso in laboratorio. A seconda dell'applicazione, le pompe siringa possono essere progettate per accogliere un numero elevato di siringhe.
Questi dispositivi sono in grado di operare con portate volumetriche estremamente accurate e precise, che vanno dai millilitri ai picoliti. Grazie alla loro flessibilità e precisione, le pompe siringa rappresentano una risorsa fondamentale in qualsiasi contesto di laboratorio.
D'altro canto, possono presentare tempi di risposta lenti e subire guasti a causa di pressioni eccessive o dell'occlusione di canali/tube. Inoltre, il loro volume di erogazione è limitato dalle dimensioni della pompa siringa stessa, rendendone difficoltoso l'impiego per esperimenti a lungo termine.
Il principale vantaggio delle pompe siringa risiede nella loro facilità d'uso. Anche con competenze limitate, le pompe siringa possono essere configurate ed essere operative nel pompaggio di fluidi nel giro di pochi minuti. Per mezzo delle pompe siringa programmabili, gli utenti possono spingersi oltre le semplici operazioni di infusione e prelievo, realizzando metodi di pompaggio personalizzati costituiti da profili di flusso da semplici a complessi, conferendo ulteriore versatilità a un metodo di controllo del flusso già ampiamente collaudato.
In sintesi, i siringa pompa sono ottimi strumenti per controllare i flussi microfluidici, ma devono essere utilizzati con cautela e con una profonda comprensione dei loro punti di forza e di debolezza. Altri metodi, come il controllo volumetrico, possono essere presi in considerazione quando si cerca di controllare con precisione i flussi microfluidici.
💪 Punti di forza
- Configurazione rapida e semplice per esperimenti microfluidici.
- Accuratezza dello 0,25% max con siringa pompa quasi privi di pulsazioni
- Consente all'utente di definire il volume totale di fluido utilizzato in un esperimento.
- Con i siringa pompa è possibile generare alte pressioni di diverse centinaia di bar.
- La portata media rimane costante anche in presenza di una resistenza microfluidica variabile nell'esperimento (a meno che la pompa non si blocchi a causa di pressioni eccessive).
😢 Punti di debolezza
- I tempi di risposta della portata possono variare da diversi secondi a seconda della resistenza microfluidica.
- La portata quando si passa da un valore all'altro non può essere nota senza sensori di flusso.
- Una resistenza microfluidica eccessiva (come l'intasamento dei canali o dei tube) può portare a un accumulo di pressione e al conseguente guasto del siringa pompa.
- Il volume di erogazione del fluido è limitato dal volume della siringa, il che complica le cose per gli esperimenti a lungo termine.
💡 Alcuni consigli per utilizzare un siringa pompa o una pompa volumetrica
I siringa pompa sono uno strumento prezioso in molti laboratori di ricerca e, con la cura e la manutenzione adeguate, possono garantire anni di servizio affidabile. Seguendo questi consigli potrete assicurarvi che il vostro siringa pompa rimanga un elemento affidabile delle vostre apparecchiature di laboratorio per gli anni a venire.- Prima di utilizzare un siringa pompa, verificate sempre che sia compatibile con il tipo di fluido utilizzato e che tutte le connessioni siano adeguatamente fissate.
- Il siringa pompa deve essere regolarmente calibrato per garantire un controllo preciso della portata e del volume dei fluidi. Questa operazione può essere eseguita verificando che le letture sul display della pompa corrispondano a una misurazione effettuata con un cilindro graduato o un altro dispositivo di misurazione di riferimento.
- Assicuratevi di utilizzare la siringa della dimensione corretta per la pompa e che lo stantuffo sia privo di ostruzioni.
- Dopo l'esperimento, assicuratevi che tutte le connessioni siano correttamente scollegate e riposte in un luogo sicuro.
2- Controllo del flusso con pompa peristaltica o pompa a tubo nella microfluidica
Le pompe peristaltiche sono un tipo di pompa versatile, efficiente e affidabile che offre un controllo preciso della portata. Utilizzando un tube flessibile all'interno della testata della pompa, viene applicata una pressione al liquido all'interno, costringendolo a scorrere lungo la lunghezza dei tube e controllandone la velocità. Ciò rende le pompe peristaltiche ideali per applicazioni quali l'erogazione, il dosaggio e il trasferimento di piccoli volumi di liquido. Potete consultare la nostra Guida completa per comprendere meglio questi concetti.
Le pompe peristaltiche rappresentano una soluzione ideale per esperimenti a lungo termine, in quanto possono far circolare continuamente i fluidi senza alcun contatto tra il meccanismo di pompaggio e il mezzo pompato. Ciò è particolarmente vantaggioso in applicazioni che comportano la presenza di contaminanti o fluidi pericolosi, poiché elimina il rischio di qualsiasi contatto.
Sebbene questa tecnologia presenti molti vantaggi, ha anche i suoi svantaggi. È importante ricordare i punti di forza e di debolezza delle pompe peristaltiche al momento della scelta.
💪 Punti di forza
- Configurazione semplice.
- La circolazione continua del fluido consente un volume di erogazione infinito.
- È possibile la ricircolazione dello stesso campione (in un sistema a circuito chiuso).
- Possono essere azionate in modo indipendente in parallelo.
- Ben adattate al pompaggio di fluidi ad alta viscosità.
😢Svantaggi
- Elevate oscillazioni della portata.
- Vibrazioni e rumore significativi prodotti.
- I tube devono essere sostituiti occasionalmente.
- Le pompe peristaltiche non possono raggiungere portate molto basse (inferiori a 1 µL/min).
- Solitamente meno precise rispetto alle pompe siringa e ai regolatori di pressione.
💡 Alcuni consigli per l'utilizzo di una pompa peristaltica
- Prima di accendere l'alimentazione, assicurarsi che tutto sia collegato saldamente.
- Utilizzare le dimensioni di tube corrette per la propria applicazione. Il diametro interno del tube influirà sulla portata raggiungibile.
- Ispezionare regolarmente i tube per individuare segni di usura o danneggiamento. Sostituire i tube usurati per prevenire perdite
3 - Controllo del flusso con un regolatore di pressione in microfluidica
Le tecnologie di controllo del flusso microfluidico vengono spesso utilizzate per movimentare piccoli volumi di fluidi in modo preciso ed efficiente. La pressione è uno degli strumenti principali utilizzati per controllare il flusso microfluidico e vi sono diversi modi per utilizzarla.
Il modo più semplice consiste nell'utilizzare la pressione idrostatica, che funziona posizionando il serbatoio di ingresso più in alto rispetto a quello di uscita per consentire alla gravità di spingere il fluido dall'ingresso all'uscita, come una torre dell'acqua. Un altro modo consiste nell'utilizzare regolatori di pressione, che pressurizzano i serbatoi dei campioni per controllare la caduta di pressione tra l'ingresso e l'uscita del sistema microfluidico.
I regolatori di pressione offrono tempi di assestamento di 40 ms e una stabilità dello 0,1% CV sui valori misurati.
Quando viene applicata pressione ai fluidi in un contenitore sigillato dotato di uscita, il fluido si muoverà a causa del differenziale di pressione seguendo l'equazione: ΔP = Q x R (con Q = portata; ΔP = differenza di pressione; e R = resistenza al flusso). Ciò significa che il flusso risultante dipende dalla pressione applicata e dalla resistenza del sistema. La resistenza è quindi particolarmente importante poiché dipende sia dalla viscosità del fluido utilizzato che dalla geometria dei canali. Questo è un parametro che non viene realmente preso in considerazione quando si utilizza una pompa siringa, ad esempio.
Tuttavia, le pompe a pressione presentano alcuni svantaggi, tra cui il limite di 8 bar e la possibilità di riflusso a causa di flussostati con punti di ingresso multipli.
💪 Punti di forza
- Il flusso pressure driven garantisce un flusso privo di pulsazioni.
- È possibile utilizzare grandi volumi di campione fino a diversi litri.
- Tempo di risposta rapido di circa 40 ms (per l'OB1 di Elveflow).
- In grado di controllare i fluidi in canali a fondo cieco senza il rischio di guasti al sistema.
- Il controllo della portata può essere facilmente ottenuto tramite il feedback del sensore di portata.
- Ben adatto al pompaggio di fluidi ad alta viscosità.
😢 Punti di debolezza
- Alte pressioni (superiori a ~8 bar) non sono possibili con i controller di pressione.
- Gli squilibri di pressione possono causare flussi di ritorno nel sistema. È possibile ovviare a questo problema impiegando un accurato controllo della pressione o delle valvole.
- Costo elevato rispetto ad altri metodi di controllo del flusso.
- Il ricircolo dello stesso campione è impossibile utilizzando solo un controller di pressione.
- Il volume di erogazione del fluido è limitato dal volume dei serbatoi, il che complica le cose per esperimenti a lungo termine.
💡 Alcuni consigli per l'utilizzo di un controller di pressione
- Equipaggia il tuo setup con un Microfluidic Backflow Blocker per prevenire flussi di ritorno nel controller di pressione.
- Collega il controller di pressione a un flow sensor per creare un anello di feedback e regolare facilmente la pressione fino al raggiungimento della portata desiderata.
- Non utilizzare serbatoi sovradimensionati nel tuo esperimento.
- Utilizza un serbatoio specifico se prevedi di impiegare pressioni elevate nel tuo setup.
Pompe in miniatura: un metodo sempre più diffuso per il controllo del flusso nella microfluidica.
Il crescente interesse per le pompe in miniatura è dovuto ai vantaggi che offrono nella microfluidica. Le pompe in miniatura sono notevolmente più piccole rispetto alle pompe tradizionali, consentendo design più compatti che possono essere integrati in spazi ristretti. Possono inoltre garantire una maggiore precisione nel dosaggio e nel controllo di piccoli volumi di fluido, oltre a costi di produzione inferiori. Ciò le rende ideali per l'impiego in ambito di ricerca e industriale. Inoltre, il controllo ottimizzato dei piccoli volumi di fluido consente di eseguire processi e protocolli microfluidici avanzati con maggiore precisione. Ciò sottolinea l'importanza delle pompe in miniatura per la ricerca microfluidica attuale e futura.
Per queste ragioni, le micropompe sono destinate a ricoprire un ruolo sempre più centrale nella microfluidica negli anni a venire.
1- Controllo del flusso con pompa piezoelettrica nella microfluidica
La Piezoelectric Pump è una micropompa a membrana straordinariamente sottile, compatta e leggera, progettata specificamente per applicazioni integrate con vincoli di spazio. È una pompa estremamente pratica per chi opera in spazi ristretti senza dover rinunciare a prestazioni di pompaggio elevate. Grazie al suo design unico, è in grado di fornire una soluzione di pompaggio efficiente ed efficace.
Il principio di funzionamento delle micropompe piezoelettriche si basa sulla combinazione di una membrana piezoelettrica e valvole di non ritorno passive.
Applicando una tensione al ceramico piezoelettrico montato su una membrana in ottone rivestita, la membrana si deforma generando una corsa discendente. Questo a sua volta sposta il fluido fuori dalla camera di pompaggio sottostante. Le valvole di non ritorno su entrambi i lati della camera aiutano a indirizzare e controllare la direzione del flusso.
💪 Punti di forza
- Economico.
- Risposta dinamica rapida.
- Elevata affidabilità.
- Funziona con serbatoi aperti, come una pompa peristaltica
- Peso ridotto.
😢 Punti di debolezza
- Bassa contropressione consentita (+/- 600 mbar).
- Limitato dalla viscosità del fluido.
- Deve essere utilizzato con un sensore di flusso esterno.
- Bassa compatibilità chimica con i solventi organici.
- Il flusso non è privo di pulsazioni come quello di una siringa siringa o di un controller di pressione.
💡 Alcuni consigli per l'utilizzo di una pompa piezoelettrica
- Assicurarsi che il serbatoio del fluido sia riempito ai livelli raccomandati prima di avviare la pompa. Questo contribuisce a garantire un funzionamento regolare e a prevenire l'insorgenza di fenomeni di cavitazione.
- Assicurarsi che l'ingresso e l'uscita non siano ostruiti. L'accumulo di pressione può danneggiare la pompa. Per una maggiore sicurezza, è possibile utilizzare un sensore di pressione per pompe Bartels per monitorare la pressione.
- Utilizzare un smorzatore per ridurre la pulsatilità del flusso.
- È possibile utilizzare un sensore di flusso per monitorare la portata.
2- Controllo del flusso con una micropompa ad ingranaggi anulari in microfluidica
Una micropompa ad ingranaggi anulari, nota anche come pompa a gerotore o trocoidale, è un tipo di pompa a ingranaggi interni costituita da ingranaggi interni ed esterni assemblati in modo eccentrico all'interno del corpo pompa. Quando l'ingranaggio interno ruota, trascina l'ingranaggio esterno nella stessa direzione. Le lievi differenze nel numero di denti di ciascun ingranaggio e nei rispettivi centri fanno sì che il volume degli spazi intermedi vari a ogni ciclo. Grazie alle strette tolleranze tra gli ingranaggi, ciò consente alla pompa di generare una forza di aspirazione all'ingresso e di impedire perdite di liquido sul lato di mandata.
Ciò che rende le micropompe ad ingranaggi anulari così attraenti sono le loro dimensioni ridotte e il design compatto. Queste caratteristiche, unite a una portata regolabile che dipende direttamente dalla velocità di rotazione degli ingranaggi, le rendono la scelta ideale per il dosaggio di precisione. Inoltre, la rotazione incrementale degli ingranaggi consente di controllare agevolmente la quantità di liquido erogato.
💪 Punti di forza
- Dispositivi altamente compatti e semplici, ideali per applicazioni che richiedono un'erogazione accurata o la misurazione dei liquidi.
- Serbatoi aperti: facile ricircolo
- Bassa pulsatilità (comparabile a quella di una siringa siringa)
😢 Punti di debolezza
- Non è possibile raggiungere portate inferiori ad alcuni µL/min.
- È necessario prendere in considerazione molti parametri per assicurarsi che questo prodotto soddisfi le vostre esigenze.
- Le micropompe ad ingranaggi anulari presentano tolleranze strette, il che le rende vulnerabili all'usura causata da liquidi abrasivi e particelle solide. Sarà necessario filtrare la soluzione prima dell'uso.
- Questo dispositivo è non appropriato per mezzi cellulari o contenenti particelle.
💡 Alcuni consigli per l'utilizzo di una pompa ad ingranaggi microanulari
- Assicurarsi di mantenere puliti i fori di ingresso e di uscita della pompa ad ingranaggi per garantire un corretto flusso. La pressione può accumularsi facilmente e danneggiare la pompa.
- Filtrare sempre i liquidi per evitare danni agli ingranaggi.
- Assicurarsi che la soluzione sia compatibile con il rotore della pompa ad ingranaggi.
- Assicurarsi che la pompa si trovi sopra il componente a valle oppure utilizzare una valvola di non ritorno per evitare qualsiasi flusso di ritorno. Oppure utilizzare una valvola di non ritorno.
