De regeling van de microfluïdische stroming is een uiterst belangrijk onderdeel bij de ontwikkeling en het gebruik van elk microfluïdisch apparaat. Het maakt de nauwkeurige manipulatie en afgifte van kleine vloeistofvolumes mogelijk, wat leidt tot een breed scala aan toepassingen in geneesmiddelenonderzoek, lab-on-a-chip-systemen, point-of-care-diagnostiek en nog veel meer. In deze blogpost bespreken we twee van de belangrijkste manieren om de microfluïdische stroming te regelen: populaire en veelgebruikte methoden zoals peristaltische pompen, drukregelaars en spuitpompen, evenals miniatuurpompen die steeds vaker worden ingezet in de microfluïdica.
De meest gebruikte methoden voor de regeling van de stroming in microfluïdica
1- Debietregeling met een spuitpomp of een volumetrische pomp in de microfluïdica
Spuitpompen zijn een van de meest gebruikte methoden om microfluïdische stromen te regelen. Deze veelzijdige en betrouwbare pompen zijn gebaseerd op een mechanisch systeem dat doorgaans wordt aangedreven door een elektromotor die een spuitplunjer met een vaste snelheid voortstuwt.
Dankzij de integratie van een stappenmotor en een plunjer zijn ze geschikt voor zowel infusie (inpompen) als afname (uitpompen), waardoor ze een zeer waardevol hulpmiddel zijn in een laboratorium. Afhankelijk van de toepassing kunnen spuitpompen zo worden ontworpen dat ze plaats bieden aan een groot aantal spuiten.
Deze apparaten kunnen werken met zeer nauwkeurige en precieze volumestromen, variërend van milliliters tot picoliters. Dankzij hun flexibiliteit en nauwkeurigheid kunnen spuitpompen een grote aanwinst zijn in elke laboratoriumomgeving.
Aan de andere kant kunnen ze trage reactietijden hebben en uitvallen als gevolg van te hoge druk of verstopping van kanalen of slangen. Bovendien wordt hun afgiftevolume beperkt door de grootte van de spuitpomp, waardoor ze moeilijk inzetbaar zijn voor langdurige experimenten.
Het grootste voordeel van spuitpompen is hun gebruiksgemak. Zelfs met weinig expertise kunnen spuitpompen binnen enkele minuten worden ingesteld en vloeistof verpompen. Met programmeerbare spuitpompen kunnen gebruikers verder gaan dan eenvoudige infusie- en afnamebewerkingen en op maat gemaakte pompmethoden creëren die bestaan uit eenvoudige tot complexe stroomprofielen, waardoor een reeds beproefde methode voor stroomregeling nog veelzijdiger wordt.
Over het algemeen zijn spuitpompen uitstekende hulpmiddelen om microfluïdische stromen te regelen, maar ze moeten met de nodige voorzichtigheid worden gebruikt en men moet een grondig inzicht hebben in hun sterke en zwakke punten. Ook andere methoden, zoals volumetrische regeling, kunnen in overweging worden genomen wanneer men microfluïdische stromen nauwkeurig wil regelen.
💪 Sterke punten
- Snelle en eenvoudige opstelling voor microfluïdische experimenten.
- Nauwkeurigheid van maximaal 0,25% bij vrijwelpulsloze spuit pompen
- Hiermee kan de gebruiker het totale volume vloeistof vaststellen dat in een experiment wordt gebruikt.
- Met spuitpompen kunnen hoge drukken van enkele honderden bar worden opgewekt.
- Het gemiddelde debiet blijft constant, zelfs bij variërende microfluïdische weerstand tijdens een experiment (tenzij de pomp vastloopt als gevolg van te hoge druk).
😢 Zwakke punten
- De reactietijden van het debiet kunnen enkele seconden bedragen, afhankelijk van de weerstand in het microfluïdische systeem.
- Zonder debietsensoren kan het debiet bij het overschakelen van het ene debiet naar het andere niet worden vastgesteld.
- Een te hoge microfluïdische weerstand (zoals verstopping van kanalen of de „ tube ”) kan leiden tot drukopbouw en uiteindelijk tot defecten aan de spuitpomp.
- Het af te geven vloeistofvolume wordt beperkt door het volume van de spuit, wat het uitvoeren van langdurige experimenten bemoeilijkt.
💡 Een paar tips voor het gebruik van een spuitpomp of een volumetrische pomp
Spuitpompen zijn een onmisbaar hulpmiddel in veel onderzoekslaboratoria en kunnen, mits goed onderhouden, jarenlang betrouwbaar functioneren. Door deze tips op te volgen, kunt u ervoor zorgen dat uw spuitpomp nog jarenlang een betrouwbaar onderdeel van uw laboratoriumapparatuur blijft.- Controleer voordat u een spuitpomp gebruikt altijd of deze geschikt is voor het type vloeistof dat wordt gebruikt en of alle aansluitingen goed vastzitten.
- Uw spuitpomp moet regelmatig worden gekalibreerd om een nauwkeurige regeling van het debiet en het volume van vloeistoffen te garanderen. Dit kunt u doen door te controleren of de waarden op het display van de pomp overeenkomen met een meting die is uitgevoerd met een maatcilinder of een ander referentiemeetinstrument.
- Zorg ervoor dat u een spuit gebruikt die de juiste maat heeft voor de pomp en dat de zuiger vrij is van obstructies.
- Zorg er na afloop van je experiment voor dat alle aansluitingen correct zijn losgekoppeld en veilig zijn opgeborgen.
2- Debietregeling met een peristaltische pomp of een slangpomp in de microfluïdica
Peristaltische pompen zijn een veelzijdig, efficiënt en betrouwbaar type pomp waarmee de doorstroming nauwkeurig kan worden geregeld. Door gebruik te maken van een flexibele slang in de pompkop wordt druk uitgeoefend op de vloeistof in de slang, waardoor deze over de gehele lengte van de tube wordt samengedrukt en de snelheid ervan wordt geregeld. Hierdoor zijn peristaltische pompen bij uitstek geschikt voor toepassingen zoals het afgeven, doseren en overpompen van kleine hoeveelheden vloeistof. Bekijk onze uitgebreide gids om deze concepten beter te begrijpen.
Peristaltische pompen zijn een ideale oplossing voor langdurige experimenten, omdat ze vloeistoffen continu kunnen circuleren zonder dat er enig contact is tussen het pompmechanisme en het te verpompen medium. Dit is vooral gunstig bij toepassingen waarbij verontreiniging of gevaarlijke media een rol spelen, omdat het risico op contact hierdoor wordt geëlimineerd.
Hoewel deze technologie veel voordelen biedt, heeft ze ook haar nadelen. Het is belangrijk om bij het maken van uw keuze rekening te houden met de sterke en zwakke punten van peristaltische pompen.
💪 Sterke punten
- Eenvoudige installatie.
- Door de continue circulatie van de vloeistof is een onbeperkt doseervolume mogelijk.
- Hetzelfde monsterkan worden gerecirculeerd(in een gesloten systeem).
- Kunnen onafhankelijk van elkaar parallel worden gebruikt.
- Zeer geschikt voor het verpompen van vloeistoffen met een hoge viscositeit.
😢Zwakke punten
- Grote schommelingen in het debiet.
- Er treden aanzienlijke trillingen en geluid op.
- tube moet af en toe worden vervangen.
- Peristaltische pompen kunnen geen zeer lage debieten(minder dan 1 µL/min) bereiken.
- Meestal minder nauwkeurig dan spuitpompen en drukregelaars.
💡 Een paar tips voor het gebruik van een peristaltische pomp
- Controleer voordat u de stroom inschakeltof alles goed is aangesloten.
- Gebruik de juiste tube -maat voor uw toepassing. De binnendiameter van uw slang is van invloed op het debiet dat u kunt bereiken.
- Controleer uw tube regelmatig op tekenen van slijtage of beschadiging. Vervang versleten tube om lekkage te voorkomen
3- Debietregeling met een drukregelaar in de microfluïdica
Microfluïdische stromingsregelingstechnologieën worden vaak gebruikt om kleine vloeistofvolumes op een nauwkeurige en efficiënte manier te verplaatsen. Druk is een van de belangrijkste middelen om de microfluïdische stroming te regelen, en er zijn verschillende manieren om hiervan gebruik te maken.
De eenvoudigste manier is het gebruik van hydrostatische druk, waarbij het inlaatreservoir hoger wordt geplaatst dan het uitlaatreservoir, zodat de vloeistof door de zwaartekracht van de inlaat naar de uitlaat wordt gedreven, net als bij een watertoren.Een andere manier is het gebruik van drukregelaars, die de monsterreservoirs onder druk zetten om de drukval tussen de inlaat en de uitlaat van het microfluïdische systeem te regelen.
Drukregelaars bieden stabilisatietijden van 40 ms en een stabiliteit van 0,1% CV ten opzichte van de gemeten waarden.
Wanneer druk wordt uitgeoefend op vloeistoffen in een afgesloten reservoir met een uitlaat, zal de vloeistof zich verplaatsen als gevolg van het drukverschil en voldoen aan de vergelijking: ΔP = Q x R (waarbij Q = debiet; ΔP = drukverschil; en R = stromingsweerstand). Dit betekent dat de resulterende stroming afhankelijk is van de uitgeoefende druk en de weerstand van het systeem. De weerstand is daarom bijzonder belangrijk, aangezien deze afhangt van zowel de viscositeit van de gebruikte vloeistof als de geometrie van de kanalen. Dit is een parameter waarmee bijvoorbeeld bij het gebruik van een spuitpomp niet echt rekening wordt gehouden.
Drukpompen hebben echter wel enkele nadelen, waaronder een beperking tot 8 bar en de kans op terugstroming als gevolg van stromingsschakelaars met meerdere inlaatpunten.
💪 Sterke punten
- De drukgestuurde doorstroming zorgt voor een pulsvrije doorstroming.
- Er kunnen grote monstervolumes van tot wel enkele liters worden gebruikt.
- Snelle responstijd van ~40 ms (voor de OB1 van Elveflow).
- Kan vloeistoffen in doodlopende kanalen regelen zonder risico op systeemstoringen.
- De regeling van het debiet kan eenvoudig worden gerealiseerd met behulp van feedback van een debietsensor.
- Zeer geschikt voor het verpompen van vloeistoffen met een hoge viscositeit.
😢 Zwakke punten
- Hoge drukken (boven ~8 bar) zijn niet mogelijk met drukregelaars.
- Drukverschillen kunnen leiden tot terugstroming in het systeem. Om dit tegen te gaan, kan ofwel zorgvuldige drukregeling worden toegepast, ofwel kunnen kleppen worden gebruikt.
- Hoge kosten in vergelijking met andere methoden voor debietregeling.
- Het hergebruiken van hetzelfde monster is onmogelijk met alleen een drukregelaar.
- Het af te geven vloeistofvolume wordtbeperkt door het volume van de reservoirs, wat het uitvoeren van langdurige experimenten bemoeilijkt.
💡 Een paar tips voor het gebruik van een drukregelaar
- Voorzie je opstelling van een microfluïdische terugstroombeveiliging om terugstroming naar uw drukregelaar te voorkomen.
- Koppel je drukregelaar aan een debietsensor om een regelkring te creëren en de druk eenvoudig aan te passen totdat het gewenste debiet is bereikt.
- Gebruik geen te grote reservoirs in je experiment.
- Gebruik een specifiek reservoir als je van plan bent om hoge druk in je opstelling te gebruiken.
Miniatuurpompen: een steeds populairder wordende methode voor debietregeling in de microfluïdica.
De groeiende belangstelling voor miniatuurpompen is te danken aan de voordelen die ze bieden op het gebied van microfluïdica. Miniatuurpompen zijn aanzienlijk kleiner dan traditionele pompen, waardoor compactere ontwerpen mogelijk zijn die in krappere ruimtes passen. Ze kunnen bovendien een hogere nauwkeurigheid bieden bij het doseren en regelen van kleine vloeistofvolumes, en de productiekosten zijn lager. Dit maakt ze ideaal voor gebruik in onderzoek en industriële toepassingen. Bovendien maakt de verbeterde regeling van kleine vloeistofvolumes het mogelijk om geavanceerde microfluïdische processen en protocollen met grotere precisie uit te voeren. Dit onderstreept het belang van micropompen voor huidig en toekomstig microfluïdisch onderzoek.
Om deze redenen zullen micropompen de komende jaren een steeds belangrijkere rol gaan spelen in de microfluïdica.
1- Debietregeling met een piëzo-elektrische pomp in de microfluïdica
De piëzo-elektrische pomp is een opmerkelijk dunne, compacte en lichtgewicht membraanmicropomp die is ontworpen met het oog op ruimtebesparende inbouwtoepassingen. Het is een ongelooflijk handige pomp voor situaties waarin de ruimte beperkt is, zonder dat dit ten koste gaat van de pompcapaciteit. Dankzij het unieke ontwerp biedt deze pomp een efficiënte en effectieve pompoplossing.
Het werkingsprincipe van piëzomicropompen is gebaseerd op een combinatie van een piëzo-elektrisch membraan en passieve terugslagkleppen.
Door een spanning aan te leggen op het piëzo-keramische element, dat op een gecoat messingmembraan is gemonteerd, vervormt het membraan en ontstaat er een neerwaartse beweging. Hierdoor wordt het medium uit de pompkamer eronder verplaatst. De terugslagkleppen aan weerszijden van de kamer helpen de stroomrichting te sturen en te regelen.
💪 Sterke punten
- Kosteneffectief.
- Snelle dynamische reactie.
- Hoge betrouwbaarheid.
- Werkt met open reservoirs, net als een peristaltische pomp
- Licht van gewicht .
😢 Zwakke punten
- Lage tegendruk toegestaan (+/- 600 mbar).
- Beperkt door de viscositeit van de vloeistof.
- Moet worden gebruikt in combinatie met een externe doorstromingssensor.
- Geringe chemische compatibiliteit met organische oplosmiddelen.
- De doorstroming is niet zo gelijkmatig als bij een spuitpomp of een drukregelaar.
💡 Een paar tips voor het gebruik van een piëzo-elektrische pomp
- Zorg ervoor dat het vloeistofreservoir tot het aanbevolen niveau is gevuld voordat u de pomp in werking stelt. Dit draagt bij aan een soepele werking en helpt cavitatie te voorkomen.
- Zorg ervoor dat de inlaat en uitlaat niet verstopt zijn. Drukopbouw kan uw pomp beschadigen. Voor extra veiligheid kunt u een druksensor voor Bartels-pompen gebruiken om de druk te bewaken.
- Gebruik een demper om de pulsatie van de stroming te verminderen.
- Je kunt een fdebietsensor om uw doorstroomsnelheid te controleren.
2- Debietregeling met een micro-ringtandwielpomp in de microfluïdica
Een micro-ringpomp, ook wel gerotor- of trochoïdepomp genoemd, is een type interne tandwielpomp die bestaat uit een binnen- en een buitentandwiel die excentrisch in het pomphuis zijn gemonteerd. Wanneer het binnentandwiel wordt gedraaid, draait het buitentandwiel mee in dezelfde richting. Door de kleine verschillen in het aantal tanden op elk tandwiel en hun middelpunten verandert het volume van de openingen ertussen bij elke cyclus. Dankzij de nauwe toleranties tussen de tandwielen kan de pomp zo een zuigkracht opwekken aan de inlaatzijde en wordt voorkomen dat vloeistof aan de uitlaatzijde weglekt.
Wat micro-ringpompen zo aantrekkelijk maakt, is hun kleine formaat en compacte ontwerp. Dat, in combinatie met hun instelbare debiet dat rechtstreeks afhankelijk is van de rotatiesnelheid van de tandwielen, maakt ze tot een ideale keuze voor nauwkeurige dosering. Bovendien maakt de stapsgewijze rotatie van de tandwielen het eenvoudig om de hoeveelheid afgegeven vloeistof te regelen.
💪 Sterke punten
- Zeer compacte en eenvoudige apparaten, ideaal voor toepassingen waarbij vloeistoffen nauwkeurig moeten worden afgegeven of gedoseerd.
- Open reservoirs: eenvoudige recirculatie
- Lage pulsatie (vergelijkbaar met een spuitpomp)
😢 Zwakke punten
- Er kan niet worden gewerkt met debieten die lager zijn dan enkele µL/min.
- Er moet met veel factoren rekening worden gehouden om ervoor te zorgen dat dit aan uw behoeften voldoet.
- Micro-ringpompen hebben nauwe toleranties, waardoor ze gevoelig zijn voor slijtage door schurende vloeistoffen en vaste stoffen. U moet uw oplossing filteren voordat u deze gebruikt.
- Dit is niet geschikt voor media die cellen of deeltjes bevatten.
💡 Een paar tips voor het gebruik van een microannulaire tandwielpomp
- Zorg ervoor dat de inlaat- en uitlaatpoorten van de tandwielpomp schoon blijven, zodat de doorstroming optimaal blijft. Er kan zich namelijk gemakkelijk druk opbouwen, waardoor de pomp beschadigd kan raken.
- Altijd filter uw vloeistoffen om schade aan de tandwielen te voorkomen.
- Zorg ervoor dat uw oplossing compatibel is met de rotor van de tandwielpomp.
- Zorg ervoor dat de pomp hoger ligt dan de installatie stroomafwaarts, of gebruik een terugslagklep om terugstroming te voorkomen. Of gebruik een terugslagklep.
