Il controllo del flusso microfluidico è una componente di fondamentale importanza nello sviluppo e nel funzionamento di qualsiasi dispositivo microfluidico. Consente la manipolazione e l’erogazione precise di piccoli volumi di liquido, rendendo possibile una vasta gamma di applicazioni nella ricerca farmacologica, nei sistemi “lab-on-a-chip”, nella diagnostica point-of-care e in molti altri ambiti. In questo articolo del blog tratteremo due delle principali modalità di controllo del flusso microfluidico: metodi diffusi e ampiamente utilizzati come le pompe peristaltiche, i regolatori di pressione e le pompe a siringa; nonché le pompe in miniatura, sempre più utilizzate nella microfluidica.
I metodi più utilizzati per il controllo del flusso microfluidico
1- Controllo del flusso mediante una pompa a siringa o una pompa volumetrica nella microfluidica
Le pompe a siringa rappresentano uno dei metodi più comuni utilizzati per controllare i flussi microfluidici. Queste pompe versatili e affidabili si basano su un sistema meccanico solitamente azionato da un motore elettrico che spinge lo stantuffo di una siringa a una velocità fissa.
Dotate di un motore passo-passo e di uno stantuffo, sono in grado di eseguire sia l'infusione (spinta verso l'interno) che il prelievo (estrazione verso l'esterno), il che le rende uno strumento molto prezioso in laboratorio. A seconda dell’applicazione, le pompe a siringa possono essere progettate per ospitare un gran numero di siringhe.
Questi dispositivi sono in grado di funzionare con portate volumetriche estremamente accurate e precise, che vanno dai millilitri ai picolitri. Grazie alla loro flessibilità e precisione, le pompe a siringa possono rappresentare una risorsa preziosa in qualsiasi ambiente di laboratorio.
D'altra parte, possono presentare tempi di risposta lenti e possono guastarsi a causa di pressioni eccessive o dell’ostruzione dei canali o dei tubi. Inoltre, il loro volume di erogazione è limitato dalle dimensioni della pompa a siringa, il che ne rende difficile l’utilizzo per esperimenti a lungo termine.
Il vantaggio principale delle pompe a siringa è la loro facilità d’uso. Anche con poca esperienza, è possibile configurare le pompe a siringa e avviare l’erogazione del fluido in pochi minuti. Con le pompe a siringa programmabili, gli utenti possono andare oltre le semplici operazioni di infusione e prelievo e creare metodi di pompaggio personalizzati che comprendono profili di flusso da semplici a complessi, aggiungendo ancora più versatilità a un metodo di controllo del flusso già collaudato e affidabile.
Nel complesso, le pompe a siringa sono ottimi strumenti per il controllo dei flussi microfluidici, ma devono essere utilizzate con cautela e con una conoscenza approfondita dei loro punti di forza e di debolezza. Quando si desidera controllare con precisione i flussi microfluidici, si possono prendere in considerazione anche altri metodi, come il controllo volumetrico.
💪 Punti di forza
- Configurazione rapida e semplice per esperimenti microfluidici.
- Precisione massima dello 0,25% con pompea siringa quasiprive di pulsazioni
- Consente all'utente di definire il volume totale di fluido utilizzato in un esperimento.
- Con le pompe a siringa è possibile generare pressioni elevate, dell'ordine di diverse centinaia di bar.
- La portata media rimane costante anche in presenza di variazioni della resistenza microfluidica nel corso di un esperimento (a meno che la pompa non si blocchi a causa di pressioni eccessive).
😢 Punti deboli
- I tempi di risposta della portata possono essere di diversi secondi, a seconda della resistenza microfluidica.
- La portata al momento del passaggio da un valore all'altro non può essere determinata senza sensori di portata.
- Una resistenza microfluidica eccessiva (come l'ostruzione dei canali o dell'tube e) può causare un aumento della pressione e, di conseguenza, il guasto della pompa a siringa.
- Il volume di erogazione del fluido è limitato dal volume della siringa, il che complica le cose negli esperimenti di lunga durata.
💡 Alcuni consigli per l'uso di una pompa a siringa o di una pompa volumetrica
Le pompe a siringa sono uno strumento prezioso in molti laboratori di ricerca e, con una cura e una manutenzione adeguate, possono garantire anni di funzionamento affidabile. Seguendo questi consigli potrete assicurarvi che la vostra pompa a siringa rimanga una componente affidabile della vostra attrezzatura di laboratorio per molti anni a venire.- Prima di utilizzare una pompa a siringa, verificare sempre che sia compatibile con il tipo di fluido da somministrare e che tutti i collegamenti siano fissati correttamente.
- La pompa a siringa deve essere calibrata regolarmente per garantire un controllo preciso della portata e del volume dei fluidi. A tal fine, è necessario verificare che i valori visualizzati sul display della pompa corrispondano a quelli rilevati con un cilindro graduato o un altro strumento di misura di riferimento.
- Assicurarsi di utilizzare una siringa della misura corretta per la pompa e che lo stantuffo non presenti ostruzioni.
- Al termine dell'esperimento, assicurati che tutti i collegamenti siano stati correttamente scollegati e riposti in un luogo sicuro.
2- Controllo del flusso mediante una pompa peristaltica o una pompa a tubo flessibile nella microfluidica
Le pompe peristaltiche sono un tipo di pompa versatile, efficiente e affidabile che offre un controllo preciso della portata. Grazie all’utilizzo di un tubo flessibile all’interno della testa della pompa, viene esercitata una pressione sul liquido contenuto al suo interno, che viene così spinto attraverso l’intera lunghezza dell’ 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. Puoi consultare la nostra Guida completa per comprendere meglio questi concetti.
Le pompe peristaltiche rappresentano una soluzione ideale per esperimenti di lunga durata, poiché consentono di far circolare i fluidi in modo continuo senza alcun contatto tra il meccanismo di pompaggio e il fluido pompato. Ciò risulta particolarmente vantaggioso in applicazioni che prevedono la presenza di contaminanti o fluidi pericolosi, poiché elimina il rischio di qualsiasi contatto.
Sebbene questa tecnologia presenti numerosi vantaggi, ha anche i suoi svantaggi. È importante tenere presenti i punti di forza e i punti deboli delle pompe peristaltiche al momento di effettuare la scelta.
💪 Punti di forza
- Facile da configurare.
- La circolazione continua del fluido consente un volume di erogazione illimitato.
- È possibile il ricircolo dello stesso campione(in un sistema a circuito chiuso).
- Possono funzionare in parallelo in modo indipendente.
- Particolarmente adatto al pompaggio di fluidi ad alta viscosità.
😢Punti deboli
- Forti oscillazioni della portata.
- Si verificano vibrazioni e rumori significativi.
- tube deve essere sostituito di tanto in tanto.
- Le pompe peristaltiche non sono in grado di raggiungere portate molto basse(inferiori a 1 µL/min).
- Di solito sono meno precisi delle pompe a siringa e dei regolatori di pressione.
💡 Alcuni consigli per l'uso di una pompa peristaltica
- Prima di accendere l'apparecchio, assicurarsiche tutto sia collegato correttamente.
- Utilizza la misura corretta di tube per la tua applicazione. Il diametro interno del tubo influirà sulla portata che potrai ottenere.
- Controlla regolarmente il tuo tube per verificare la presenza di segni di usura o danni. Sostituisci i tube usurati per evitare perdite
3- Controllo del flusso mediante un regolatore di pressione nella microfluidica
Le tecnologie di controllo del flusso microfluidico vengono spesso utilizzate per spostare piccoli volumi di fluidi in modo preciso ed efficiente. La pressione è uno degli strumenti principali utilizzati per controllare il flusso microfluidico, ed esistono diversi modi per sfruttarla.
Il metodo più semplice consiste nell’utilizzare la pressione idrostatica, che funziona posizionando il serbatoio di ingresso ad un’altezza superiore rispetto a quello di uscita, in modo che la forza di gravità spinga il fluido dall’ingresso all’uscita, proprio come in una torre dell’acqua.Un altro metodo prevede l’uso di 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 una pressione ai fluidi all’interno di un contenitore sigillato dotato di un’uscita, il fluido si sposta a causa della differenza di pressione e segue l’equazione: ΔP = Q x R (dove Q = portata; ΔP = differenza di pressione; e R = resistenza al flusso). Ciò significa che la portata risultante dipende dalla pressione applicata e dalla resistenza del sistema. La resistenza è quindi particolarmente importante poiché dipende dalla viscosità del fluido utilizzato e dalla geometria dei canali. Si tratta di un parametro che non viene realmente preso in considerazione quando si utilizza, ad esempio, una pompa a siringa.
Tuttavia, le pompe a pressione presentano alcuni svantaggi, tra cui il limite massimo di 8 bar e il rischio di riflusso dovuto agli interruttori di flusso con più punti di ingresso.
💪 Punti di forza
- Il flusso azionato a pressione garantisce un flusso senza pulsazioni.
- È possibile utilizzare grandi volumi di campione, fino a diversi litri.
- Tempo di risposta rapido di circa 40 ms (per il modello OB1 di Elveflow).
- È in grado di controllare i fluidi nei canali senza uscita senza rischio di guasti al sistema.
- Il controllo della portata può essere facilmente ottenuto tramite il feedback del sensore di portata.
- Particolarmente adatto al pompaggio di fluidi ad alta viscosità.
😢 Punti deboli
- Con i regolatori di pressione non è possibile raggiungere pressioni elevate (superiori a circa 8 bar).
- Gli squilibri di pressione possono causare riflussi nell'impianto. Per ovviare a questo problema è possibile ricorrere a un attento controllo della pressione oppure all'uso di valvole.
- Costo elevato rispetto ad altri metodi di controllo del flusso.
- Il ricircolo dello stesso campione è impossibile utilizzando solo un regolatore di pressione.
- Il volume di erogazione del fluido èlimitato dal volume dei serbatoi, il che complica le cose negli esperimenti a lungo termine.
💡 Alcuni consigli per l'uso di un regolatore di pressione
- Completa la tua configurazione con un dispositivo microfluidico antiriflusso per impedire il riflusso nel regolatore di pressione.
- Abbina il tuo regolatore di pressione a un sensore di portata per creare un circuito di retroazione e regolare facilmente la pressione fino a raggiungere la portata desiderata.
- Non utilizzare serbatoi di dimensioni eccessive nel tuo esperimento.
- Utilizza un serbatoio specifico se prevedi di utilizzare l'alta pressione nel tuo impianto.
Pompe in miniatura: un metodo sempre più diffuso per il controllo della portata nella microfluidica.
Il crescente interesse per le pompe miniaturizzate è dovuto ai vantaggi che offrono nel campo della microfluidica. Le pompe miniaturizzate sono notevolmente più piccole rispetto a quelle tradizionali, consentendo la realizzazione di progetti più compatti in grado di adattarsi a spazi più ristretti. Inoltre, garantiscono una maggiore precisione nel dosaggio e nel controllo di piccoli volumi di fluidi, oltre a costi di produzione inferiori. Ciò le rende ideali per l’impiego nella ricerca e nelle applicazioni industriali. Inoltre, il miglior controllo dei piccoli volumi di fluido consente di eseguire processi e protocolli microfluidici avanzati con maggiore precisione. Ciò sottolinea l’importanza delle pompe miniaturizzate per la ricerca microfluidica attuale e futura.
Per questi motivi, le micropompe sono destinate a svolgere un ruolo sempre più importante nella microfluidica negli anni a venire.
1- Controllo del flusso con una pompa piezoelettrica nella microfluidica
La pompa piezoelettrica è una micropompa a membrana straordinariamente sottile, compatta e leggera, progettata appositamente per applicazioni integrate in cui lo spazio è limitato. Si tratta di una pompa incredibilmente pratica per chi deve operare in spazi ristretti, senza rinunciare alla potenza delle prestazioni di pompaggio. 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 un diaframma piezoelettrico e di valvole di ritegno passive.
Applicando una tensione alla ceramica piezoelettrica, montata su una membrana in ottone rivestita, si provoca la deformazione del diaframma e si genera una corsa verso il basso. Ciò, a sua volta, sposta il fluido fuori dalla camera della pompa sottostante. Le valvole di ritegno situate su entrambi i lati della camera contribuiscono a dirigere e controllare la direzione del flusso.
💪 Punti di forza
- Conveniente.
- Risposta dinamica rapida .
- Elevata affidabilità.
- Funziona con serbatoi aperti, come una pompa peristaltica
- Leggero .
😢 Punti deboli
- È consentita una bassa contropressione (+/- 600 mbar).
- Limitato dalla viscosità del fluido.
- Deve essere utilizzato con un sensore di flusso esterno.
- Scarsa compatibilità chimica con i solventi organici.
- Il flusso non è così costante come nel caso di una pompa a siringa o di un regolatore di pressione.
💡 Alcuni consigli per l'uso di una pompa piezoelettrica
- Assicurarsi che il serbatoio del fluido sia riempito fino ai livelli raccomandati prima di avviare la pompa. Ciò contribuisce a garantire un funzionamento regolare e a prevenire il verificarsi di cavitazione.
- Assicurarsi che l'ingresso e l'uscita non siano ostruiti. L'aumento di pressione può danneggiare la pompa. Per una maggiore sicurezza, è possibile utilizzare un sensore di pressione per le pompe Bartels per monitorare la pressione.
- Utilizza un smorzatore per ridurre la pulsatilità del flusso.
- È possibile utilizzare un ssensore di flusso per monitorare la portata.
2- Controllo del flusso con una micro-pompa ad ingranaggi anulari nella microfluidica
Una micropompa anulare, nota anche come pompa gerotor 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, fa ruotare l'ingranaggio esterno nella stessa direzione. Le lievi differenze tra il numero di denti di ciascun ingranaggio e i loro centri fanno sì che il volume degli spazi tra di essi cambi ad ogni ciclo. Grazie alle tolleranze ristrette tra gli ingranaggi, ciò consente alla pompa di generare una forza di aspirazione all’ingresso e impedisce la fuoriuscita del liquido sul lato di mandata.
Ciò che rende le micropompe anulari così interessanti sono le loro dimensioni ridotte e il design compatto. Queste caratteristiche, unite alla portata regolabile che dipende direttamente dalla velocità di rotazione degli ingranaggi, le rendono la scelta ideale per un dosaggio preciso. Inoltre, la rotazione incrementale degli ingranaggi facilita il controllo della quantità di liquido erogata.
💪 Punti di forza
- Dispositivi estremamente compatti e semplici, ideali per applicazioni che richiedono un'erogazione o un dosaggio preciso di liquidi.
- Serbatoi aperti: ricircolo agevole
- Bassa pulsatilità (paragonabile a quella di una pompa a siringa)
😢 Punti deboli
- Non è possibile scendere a portate inferiori a pochi µL/min.
- È necessario tenere conto di numerosi parametri per assicurarsi che questa soluzione soddisfi le vostre esigenze.
- Le micropompe anulari presentano tolleranze molto strette, il che le rende soggette all'usura causata da liquidi e solidi abrasivi. È necessario filtrare la soluzione prima di utilizzarla.
- Questo metodo non è adatto a mezzi cellulari o ricchi di particelle.
💡 Alcuni consigli per l'utilizzo di una pompa a ingranaggi microannulare
- Assicurarsi di mantenere pulite le aperture di ingresso e di uscita della pompa a ingranaggi per garantire un flusso corretto. La pressione può accumularsi facilmente e danneggiare la pompa.
- Sempre filtrare i liquidi per evitare danni agli ingranaggi.
- Assicurati che la tua soluzione sia compatibile con il rotore della pompa a ingranaggi.
- Assicurarsi che la pompa sia posizionata più in alto rispetto a ciò che si trova a valle oppure utilizzare una valvola di ritegno per evitare eventuali riflussi. Oppure utilizzare una valvola di ritegno.
