Die mikrofluidische Durchflusssteuerung ist ein äußerst wichtiger Bestandteil bei der Entwicklung und dem Betrieb jeglicher mikrofluidischer Geräte. Sie ermöglicht die präzise Handhabung und Abgabe kleiner Flüssigkeitsmengen, was eine Vielzahl von Anwendungen in der Arzneimittelforschung, bei Lab-on-a-Chip-Systemen, in der Point-of-Care-Diagnostik und vielem mehr ermöglicht. In diesem Blogbeitrag werden wir zwei der wichtigsten Methoden zur Steuerung des mikrofluidischen Durchflusses behandeln: gängige und weit verbreitete Verfahren wie Peristaltikpumpen, Druckregler und Spritzenpumpen sowie Miniaturpumpen, die in der Mikrofluidik zunehmend zum Einsatz kommen.
Die am häufigsten verwendeten Methoden zur mikrofluidischen Strömungssteuerung
1. Durchflussregelung mit einer Spritzenpumpe oder einer volumetrischen Pumpe in der Mikrofluidik
Spritzenpumpen gehören zu den gängigsten Methoden zur Steuerung mikrofluidischer Strömungen. Diese vielseitigen und zuverlässigen Pumpen basieren auf einem mechanischen System, das in der Regel von einem Elektromotor angetrieben wird, der einen Spritzenkolben mit konstanter Geschwindigkeit vor- und zurückbewegt.
Durch den Einbau eines Schrittmotors und eines Kolbens sind sie sowohl für die Infusion (Vorwärtsbewegung) als auch für die Entnahme (Rückwärtsbewegung) geeignet, was sie zu einem sehr wertvollen Werkzeug im Labor macht. Je nach Anwendungsbereich können Spritzenpumpen so ausgelegt werden, dass sie eine große Anzahl von Spritzen aufnehmen können.
Diese Geräte sind in der Lage, mit sehr genauen und präzisen Volumenströmen im Bereich von Millilitern bis Pikolitern zu arbeiten. Dank ihrer Flexibilität und Genauigkeit können Spritzenpumpen in jeder Laborumgebung eine große Bereicherung sein.
Andererseits können sie lange Reaktionszeiten aufweisen und aufgrund von übermäßigem Druck oder Verstopfungen der Kanäle bzw. Schläuche ausfallen. Zudem ist ihr Dosiervolumen durch die Größe der Spritzenpumpe begrenzt, was ihren Einsatz für Langzeitexperimente erschwert.
Der größte Vorteil von Spritzenpumpen liegt in ihrer einfachen Handhabung. Selbst mit wenig Fachwissen lassen sich Spritzenpumpen innerhalb weniger Minuten einrichten und können sofort Flüssigkeit fördern. Mit programmierbaren Spritzenpumpen können Anwender über einfache Infusions- und Entnahmevorgänge hinausgehen und maßgeschneiderte Pumpverfahren erstellen, die aus einfachen bis komplexen Durchflussprofilen bestehen, was einer bereits bewährten Methode zur Durchflusssteuerung noch mehr Vielseitigkeit verleiht.
Insgesamt sind Spritzenpumpen hervorragende Hilfsmittel zur Steuerung mikrofluidischer Strömungen, sollten jedoch mit Bedacht und unter gründlicher Kenntnis ihrer Stärken und Schwächen eingesetzt werden. Auch andere Methoden wie die volumetrische Steuerung können in Betracht gezogen werden, wenn es darum geht, mikrofluidische Strömungen präzise zu steuern.
💪 Stärken
- Schnelle und einfache Vorbereitung für mikrofluidische Experimente.
- Genauigkeit von maximal 0,25 % bei nahezupulsfreien Spritzen pumpen
- Ermöglicht es dem Benutzer, das Gesamtvolumen der in einem Experiment verwendeten Flüssigkeit festzulegen.
- Mit Spritzenpumpen lassen sich hohe Drücke von mehreren hundert bar erzeugen.
- Der mittlere Durchfluss bleibt auch bei schwankendem mikrofluidischem Widerstand in einem Experiment konstant (es sei denn, die Pumpe kommt aufgrund zu hoher Drücke zum Stillstand).
😢 Schwächen
- Die Reaktionszeiten des Durchflusses können je nach mikrofluidischem Widerstand mehrere Sekunden betragen.
- Ohne Durchflusssensoren lässt sich der Durchfluss beim Wechsel von einem Durchflusswert zum anderen nicht ermitteln.
- Ein übermäßiger mikrofluidischer Widerstand (z. B. durch Verstopfung der Kanäle oder der „ tube “) kann zu einem Druckaufbau und schließlich zum Ausfall der Spritzenpumpe führen.
- Das Dosiervolumen der Flüssigkeit ist durch das Volumen der Spritze begrenzt, was Langzeitexperimente erschwert.
💡 Ein paar Tipps zur Verwendung einer Spritzenpumpe oder einer Volumetriepumpe
Spritzenpumpen sind in vielen Forschungslabors ein unverzichtbares Hilfsmittel und können bei richtiger Pflege und Wartung jahrelang zuverlässig ihren Dienst verrichten. Wenn Sie diese Tipps befolgen, können Sie sicherstellen, dass Ihre Spritzenpumpe auch in den kommenden Jahren ein zuverlässiger Bestandteil Ihrer Laborausstattung bleibt.- Bevor Sie eine Spritzenpumpe in Betrieb nehmen, vergewissern Sie sich stets, dass sie mit der verwendeten Flüssigkeit kompatibel ist und dass alle Anschlüsse ordnungsgemäß befestigt sind.
- Ihre Spritzenpumpe muss regelmäßig kalibriert werden, um eine präzise Steuerung der Durchflussrate und des Volumens der Flüssigkeiten zu gewährleisten. Dazu können Sie überprüfen, ob die Anzeigen auf dem Display der Pumpe mit den Messwerten übereinstimmen, die Sie mit einem Messzylinder oder einem anderen Referenzmessgerät ermittelt haben.
- Stellen Sie sicher, dass Sie eine Spritze in der richtigen Größe für die Pumpe verwenden und dass der Kolben frei von Verstopfungen ist.
- Stellen Sie nach Ihrem Experiment sicher, dass alle Verbindungen ordnungsgemäß getrennt und zur sicheren Aufbewahrung verstaut wurden.
2. Durchflussregelung mit einer Peristaltikpumpe oder einer Schlauchpumpe in der Mikrofluidik
Peristaltikpumpen sind vielseitige, effiziente und zuverlässige Pumpen, die eine präzise Durchflussregelung ermöglichen. Durch den Einsatz eines flexiblen Schlauchs im Pumpenkopf wird Druck auf die darin befindliche Flüssigkeit ausgeübt, wodurch diese durch den gesamten tube gepresst wird und ihre Geschwindigkeit gesteuert wird. Dadurch eignen sich Peristaltikpumpen ideal für Anwendungen wie das Abfüllen, Dosieren und Umfüllen kleiner Flüssigkeitsmengen. Lesen Sie dazu unseren umfassenden Leitfaden , um diese Konzepte besser zu verstehen.
Peristaltikpumpen sind eine ideale Lösung für Langzeitexperimente, da sie Flüssigkeiten kontinuierlich umwälzen können, ohne dass ein Kontakt zwischen dem Pumpmechanismus und dem gepumpten Medium entsteht. Dies ist besonders vorteilhaft bei Anwendungen, bei denen es zu Verunreinigungen kommen kann oder bei denen gefährliche Medien im Spiel sind, da dadurch das Risiko jeglichen Kontakts ausgeschlossen wird.
Diese Technologie bietet zwar viele Vorteile, hat aber auch ihre Nachteile. Bei der Auswahl sollten Sie die Stärken und Schwächen von Peristaltikpumpen berücksichtigen.
💪 Stärken
- Einfache Einrichtung.
- Durch den kontinuierlichen Flüssigkeitskreislauf ist ein stufenlos einstellbares Dosiervolumen möglich.
- Die Rückführung derselben Probeist möglich (in einem geschlossenen Kreislaufsystem).
- Können unabhängig voneinander parallel betrieben werden.
- Gut geeignet zum Fördern hochviskoser Flüssigkeiten.
😢Schwächen
- Starke Schwankungen der Durchflussmenge.
- Es entstehen erhebliche Vibrationen und Geräusche.
- tube muss gelegentlich ausgetauscht werden.
- Peristaltikpumpen können keine sehr geringen Durchflussraten(unter 1 µL/min) erreichen.
- In der Regel weniger genau als Spritzenpumpen und Druckregler.
💡 Ein paar Tipps zur Verwendung einer Peristaltikpumpe
- Vergewissern Sie sich vor dem Einschalten,dass alles ordnungsgemäß angeschlossen ist.
- Verwenden Sie die für Ihre Anwendung geeignete Schlauchgröße tube . Der Innendurchmesser Ihres Schlauchs beeinflusst die Durchflussrate, die Sie erreichen können.
- Überprüfen Sie Ihre tube regelmäßig auf Anzeichen von Verschleiß oder Beschädigungen. Ersetzen Sie verschlissene tube , um ein Auslaufen zu verhindern.
3. Durchflussregelung mit einem Druckregler in der Mikrofluidik
Mikrofluidische Strömungssteuerungstechnologien werden häufig eingesetzt, um kleine Flüssigkeitsmengen präzise und effizient zu bewegen. Der Druck ist eines der wichtigsten Mittel zur Steuerung der mikrofluidischen Strömung, und es gibt verschiedene Möglichkeiten, ihn zu nutzen.
Die einfachste Methode ist der Einsatz von hydrostatischem Druck. Dabei wird das Einlassreservoir höher als das Auslassreservoir angeordnet, sodass die Schwerkraft die Flüssigkeit vom Einlass zum Auslass drückt – ähnlich wie bei einem Wasserturm.Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von Druckreglern, die Probenreservoirs unter Druck setzen, um den Druckabfall zwischen Einlass und Auslass des mikrofluidischen Systems zu steuern.
Druckregler bieten Einschwingzeiten von 40 ms und eine Stabilität von 0,1 % CV bezogen auf die Messwerte.
Wenn Druck auf Flüssigkeiten in einem geschlossenen Behälter mit einem Auslass ausgeübt wird, bewegt sich die Flüssigkeit aufgrund der Druckdifferenz und folgt dabei der folgenden Gleichung: ΔP = Q × R (wobei Q = Durchflussrate; ΔP = Druckdifferenz; und R = Strömungswiderstand). Das bedeutet, dass der resultierende Durchfluss vom angelegten Druck und vom Strömungswiderstand des Systems abhängt. Der Strömungswiderstand ist daher besonders wichtig, da er sowohl von der Viskosität der verwendeten Flüssigkeit als auch von der Geometrie der Kanäle abhängt. Dies ist ein Parameter, der beispielsweise beim Einsatz einer Spritzenpumpe nicht wirklich berücksichtigt wird.
Druckpumpen weisen jedoch einige Nachteile auf, darunter eine Begrenzung auf 8 bar und die Gefahr eines Rückflusses aufgrund von Durchflussschaltern mit mehreren Einlassstellen.
💪 Stärken
- Der druckgetriebene Durchfluss gewährleistet einen pulsationsfreien Durchfluss.
- Es können große Probenvolumina von bis zu mehreren Litern verwendet werden.
- Schnelle Reaktionszeit von ca. 40 ms (beim Modell OB1 von Elveflow).
- Kann Flüssigkeiten in Sackgassenkanälen steuern, ohne dass die Gefahr eines Systemausfalls besteht.
- Die Durchflussregelung lässt sich ganz einfach über die Rückmeldung eines Durchflusssensors realisieren.
- Gut geeignet zum Fördern hochviskoser Flüssigkeiten.
😢 Schwächen
- Mit Druckreglern sind hohe Drücke (über ~8 bar) nicht möglich.
- Druckunterschiede 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 Methoden der Durchflussregelung.
- Die Rückführung derselben Probe ist mit einem reinen Druckregler nicht möglich.
- Das Dosiervolumen der Flüssigkeit istdurch das Volumen der Vorratsbehälter begrenzt, was Langzeitexperimente erschwert.
💡 Ein paar Tipps zur Verwendung eines Druckreglers
- Statten Sie Ihr System mit einem mikrofluidischen Rückflusssperre , um Rückflüsse in Ihren Druckregler zu verhindern.
- Kombinieren Sie Ihren Druckregler mit einem Durchflusssensor , um einen Regelkreis zu bilden und den Druck einfach anzupassen, bis die gewünschte Durchflussrate erreicht ist.
- Verwenden Sie in Ihrem Experiment keine überdimensionierten Behälter.
- Verwenden Sie ein speziellen Behälter , wenn Sie in Ihrem Aufbau mit hohem Druck arbeiten möchten.
Miniaturpumpen: Eine zunehmend beliebte Methode zur Durchflussregelung 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 und ermöglichen somit kompaktere Konstruktionen, die auch in beengte Räume passen. Zudem zeichnen sie sich durch eine höhere Genauigkeit bei der Dosierung und Steuerung kleiner Flüssigkeitsmengen sowie durch geringere Herstellungskosten aus. Dies macht sie ideal für den Einsatz in der Forschung und in industriellen Anwendungen. Darüber hinaus ermöglicht die verbesserte Steuerung kleiner Flüssigkeitsmengen die Durchführung fortschrittlicher mikrofluidischer Prozesse und Protokolle mit höherer Präzision. Dies unterstreicht die Bedeutung von Mikropumpen für die aktuelle und zukünftige mikrofluidische Forschung.
Aus diesen Gründen werden Mikropumpen in den kommenden Jahren eine immer wichtigere Rolle in der Mikrofluidik spielen.
1. Durchflussregelung mit einer piezoelektrischen Pumpe in der Mikrofluidik
Die piezoelektrische Pumpe ist eine bemerkenswert dünne, kompakte und leichte Membran-Mikropumpe, die speziell für platzsparende Einbauanwendungen entwickelt wurde. Sie ist eine äußerst praktische Pumpe für Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen, ohne dabei Abstriche bei der Förderleistung zu machen. Dank ihres einzigartigen Designs bietet sie eine effiziente und effektive Förderlösung.
Das Funktionsprinzip von Piezo-Mikropumpen beruht auf einer Kombination aus einer piezoelektrischen Membran und passiven Rückschlagventilen.
Durch Anlegen einer Spannung an die auf einer beschichteten Messingmembran montierte Piezokeramik wird die Membran verformt, wodurch ein Abwärtshub entsteht. Dies wiederum verdrängt das Medium aus der darunter liegenden Pumpenkammer. Die Rückschlagventile auf beiden Seiten der Kammer dienen dazu, die Strömungsrichtung zu lenken und zu steuern.
💪 Stärken
- Kostengünstig.
- Schnelle dynamische Reaktion.
- Hohe Zuverlässigkeit.
- Funktioniert mit offenen Behältern, wie eine Schlauchpumpe
- Geringes Gewicht .
😢 Schwächen
- Geringer Gegendruck zulässig (+/- 600 mbar).
- Durch die Viskosität der Flüssigkeit begrenzt.
- Muss mit einem externen Durchflusssensor verwendet werden.
- Geringe chemische Verträglichkeit mit organischen Lösungsmitteln.
- Der Durchfluss ist nicht so pulsfrei wie bei einer Spritzenpumpe oder einem Druckregler.
💡 Ein paar Tipps zum Einsatz einer piezoelektrischen Pumpe
- Stellen Sie sicher, dass der Flüssigkeitsbehälter bis zum empfohlenen Füllstand befüllt ist, bevor Sie die Pumpe in Betrieb nehmen. Dies trägt zu einem reibungslosen Betrieb bei und beugt Kavitation vor.
- Stellen Sie sicher, dass Einlass und Auslass nicht verstopft sind. Ein Druckaufbau kann Ihre Pumpe beschädigen. Für zusätzliche Sicherheit können Sie einen Drucksensor für Bartels-Pumpen verwenden verwenden, um den Druck zu überwachen.
- Verwenden Sie einen Dämpfer , um die Pulsation der Strömung zu verringern.
- Sie können einen fDurchflusssensor verwenden, um Ihre Durchflussrate zu überwachen.
2- Durchflussregelung mit einer mikroringförmigen Zahnradpumpe in der Mikrofluidik
Eine Mikro-Ringpumpe, auch als Gerotor- oder Trochoidpumpe bekannt, ist eine Art Innenzahnradpumpe, die aus einem inneren und einem äußeren Zahnrad besteht, die exzentrisch im Pumpengehäuse angeordnet sind. Wenn das innere Zahnrad gedreht wird, treibt es das äußere Zahnrad in die gleiche Richtung an. Die geringfügigen Unterschiede zwischen der Anzahl der Zähne an jedem Zahnrad und deren Mittelpunkten führen dazu, dass sich das Volumen der Zwischenräume zwischen ihnen mit jedem Zyklus ändert. Dank der engen Toleranzen zwischen den Zahnrädern kann die Pumpe so am Einlass eine Saugkraft erzeugen und verhindert, dass Flüssigkeit auf der Druckseite austritt.
Was Mikro-Ringpumpen so attraktiv macht, sind ihre geringe Größe und ihre kompakte Bauweise. In Verbindung mit ihrer einstellbaren Fördermenge, die direkt von der Drehzahl ihrer Zahnräder abhängt, sind sie damit die ideale Wahl für die präzise Dosierung. Zudem lässt sich die abgegebene Flüssigkeitsmenge durch die schrittweise Drehung der Zahnräder leicht steuern.
💪 Stärken
- Äußerst kompakte und einfache Geräte, ideal für Anwendungen, bei denen es auf eine präzise Abgabe oder Dosierung von Flüssigkeiten ankommt.
- Offene Behälter: einfache Umwälzung
- Geringe Pulsation (vergleichbar mit einer Spritzenpumpe)
😢 Schwächen
- Es sind keine Durchflussraten möglich, die unter einigen µL/min liegen.
- Es müssen viele Parameter 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 für zellhaltige oder partikelhaltige Medien nicht geeignet .
💡 Ein paar Tipps zum Einsatz einer mikroannulären Zahnradpumpe
- Achten Sie darauf, die Ein- und Auslassöffnungen der Zahnradpumpe sauber zu halten, um einen ordnungsgemäßen Durchfluss zu gewährleisten. Es kann leicht zu einem Druckaufbau kommen, der die Pumpe beschädigen kann.
- Filtern Sie Ihre Flüssigkeiten immer Filtern Sie Ihre Flüssigkeiten , um Schäden am Getriebe zu vermeiden.
- Stellen Sie sicher, dass Ihre Lösung mit dem Rotor der Zahnradpumpe kompatibel ist.
- Stellen Sie sicher, dass die Pumpe höher liegt als die nachgeschalteten Komponenten, oder verwenden Sie ein Rückschlagventil, um einen Rückfluss zu verhindern. Oder verwenden Sie ein Rückschlagventil.
