在微流控領(lǐng)域，有時(shí)經(jīng)常需要使用外力把所需要的液體推進(jìn)微流控芯片內(nèi)，這些外力可由外部的微流控驅(qū)動(dòng)泵或者微流控流量控制系統(tǒng)提供。

目前主要使用4種類型的流量控制系統(tǒng)：

1、蠕動(dòng)泵和循環(huán)泵

2、微量注射泵

3、壓力控制器

4、帶有流量開關(guān)矩陣閥的壓力控制器

針對具體的微流控應(yīng)用需求，每一種流量控制系統(tǒng)都有其自身的優(yōu)勢和劣勢。

1、蠕動(dòng)泵和循環(huán)泵

當(dāng)研究人員需要使實(shí)驗(yàn)樣品在微流控芯片或微流控器件內(nèi)部進(jìn)行連續(xù)循環(huán)流動(dòng)時(shí)，蠕動(dòng)泵和循環(huán)泵便可以實(shí)現(xiàn)這種實(shí)驗(yàn)需求。蠕動(dòng)泵的圖片請見下圖。由于這兩種類型的驅(qū)動(dòng)泵不能實(shí)現(xiàn)精確的流量控制，所以，這兩類泵在微流控研究中使用的越來越少了。當(dāng)需要對液體實(shí)現(xiàn)高精度的循環(huán)流動(dòng)控制時(shí)，可以使用具有壓力控制器或者微量注射泵的循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置。

微流控蠕動(dòng)泵

此外，由于使用現(xiàn)代的PID或者bang-bang反饋控制技術(shù)，結(jié)合自家對微流控領(lǐng)域應(yīng)用需求的精密調(diào)教，某些蠕動(dòng)泵也可以達(dá)到較高的流量控制精度和快速的時(shí)間響應(yīng)

蠕動(dòng)泵和循環(huán)泵的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：

（1）易于安裝；

（2）實(shí)驗(yàn)的液體量不受限制；

（3）可注入相同的樣品。

缺點(diǎn)：

（1）流量有較強(qiáng)的脈沖波動(dòng)，較大的震動(dòng)和噪聲；

（2）導(dǎo)管老化會造成可靠性降低。

2、微量注射泵

微量注射泵在微流控領(lǐng)域是最經(jīng)常使用的一種流量控制系統(tǒng)，微流注射泵的參考圖片如下圖所示。微量注射泵可分為兩類：經(jīng)典注射泵—價(jià)格便宜但是會產(chǎn)生流量振蕩；無脈動(dòng)的微流控微量注射泵—價(jià)格偏貴但是可以提供更高的流量穩(wěn)定性。如果您決定使用常規(guī)或經(jīng)典的注射泵，請時(shí)刻記住一個(gè)事實(shí)是：在低流速下，您實(shí)驗(yàn)中的液體流動(dòng)會不太穩(wěn)定即會產(chǎn)生流動(dòng)振蕩。

汶顥微流控微量注射泵

微量注射泵的主要優(yōu)勢是易于使用。無脈沖注射泵的主要弱點(diǎn)是響應(yīng)性（時(shí)間響應(yīng)的快慢），因?yàn)樗Q于微流控的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。微流控芯片內(nèi)的流量變化需要幾秒到幾個(gè)小時(shí)后才能達(dá)到穩(wěn)定的流速即液體的流量變化會持續(xù)數(shù)秒到幾個(gè)小時(shí)。這種響應(yīng)性的弊端也是微量注射泵在數(shù)個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域如微液滴的制備內(nèi)應(yīng)用的主要限制因素。

不過，從2013年和2014年之后，可以采用新的解決方案來解決這些問題如使用更加精密的電動(dòng)馬達(dá)（馬達(dá)的電機(jī)步進(jìn)非常小，達(dá)到微米或者納米的步長。），增加注射泵微機(jī)械部件接觸的精密度，注射泵機(jī)械部件的生產(chǎn)質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)裝置的流阻，實(shí)驗(yàn)用導(dǎo)管和芯片的彈性與高流阻特性等。

微量注射泵的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：

（1）允許快速設(shè)置微流控實(shí)驗(yàn)裝置；

（2）新型無脈沖的注射泵產(chǎn)生的流動(dòng)穩(wěn)定性低于1%；

（3）注射液體量對于長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)來講是可知的；

（4）微量注射泵產(chǎn)生的最大壓力在幾百個(gè)bar左右；

（5）器件內(nèi)的平均流量不會因器件流阻的實(shí)際變化而發(fā)生變化（注射泵因高壓而發(fā)生停止運(yùn)動(dòng)除外）。

缺點(diǎn)：

（1）流量的響應(yīng)時(shí)間在幾秒到幾小時(shí)內(nèi)變化，這依賴于流體的阻力。響應(yīng)時(shí)間的快慢可通過使用特定的微流體導(dǎo)管來進(jìn)行調(diào)節(jié)；

（2）沒有流量計(jì)，在暫態(tài)過程（幾秒到幾個(gè)小時(shí)）中，用戶不知道實(shí)際的液體流量；

（3）如果器件的流阻增加（如因通道堵塞或灰塵產(chǎn)生），微量注射泵產(chǎn)生的壓力會無限制的增加。產(chǎn)生的壓力增加到一定程度便會反過來損壞器件；

（4）微量注射泵無法實(shí)現(xiàn)死端通道（類似集成微流控閥）內(nèi)流體的流量控制；

（5）注射泵驅(qū)動(dòng)的液體體積總量是有限制的，而不是無限的；

（6）如果需要知道流體系統(tǒng)內(nèi)部的壓力，那么需要壓力傳感器；

（7）即使是使用無脈沖的微量注射泵，也需要根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)條件來仔細(xì)的選擇注射器的大小，以此來避免注射泵的步進(jìn)電機(jī)造成的液體流量的周期性脈動(dòng)；

（8）流量的脈沖振蕩效應(yīng)可以通過使用一致性的微流體導(dǎo)管來進(jìn)行降低。

3、帶有流量計(jì)的壓力控制器

壓力控制器是一種壓力驅(qū)動(dòng)的流量控制系統(tǒng)，它會對液體儲存罐或儲液池內(nèi)的液體樣品施加壓力。對液體施加壓力后，樣品就會平滑的注入到您的微流控芯片內(nèi)。當(dāng)微流控研究人員需要快速的響應(yīng)性和較高的穩(wěn)定性時(shí)，研究人員主要使用壓力控制器，因?yàn)閴毫刂破骺梢栽谖⒘骺匦酒耐ǖ纼?nèi)在80 ms的快速響應(yīng)時(shí)間內(nèi)建立無脈沖的液體流動(dòng)。使用壓力驅(qū)動(dòng)液體的流動(dòng)，壓力變化會在流體裝置內(nèi)無延遲的進(jìn)行傳播，從而導(dǎo)致快速的流量切換。此外，由于沒有涉及到運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件，不論您的液體流速是多少，壓力驅(qū)動(dòng)的流量都會保持平滑且不會有脈沖的波動(dòng)。現(xiàn)代微流體壓力控制器也可以允許您同時(shí)控制壓力和液體的流速（通過集成具有反饋環(huán)路的流量計(jì)）。當(dāng)微流控研究人員需要較高的流量響應(yīng)性，較高的流量穩(wěn)定性和較高的流量精度以及處理芯片的死端/封閉通道或者需要較大的樣品體積時(shí)，他們此時(shí)主要使用的就是壓力控制器。

壓力控制器的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：

（1）壓力源允許無脈沖的流量流動(dòng)；

（2）驅(qū)動(dòng)液體的體積量可達(dá)到幾升的液體量；

（3）響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到80 ms；

（4）允許死端或者封閉通道內(nèi)的液體控制；

（5）當(dāng)使用流量計(jì)時(shí)，允許同時(shí)控制液體的流量和壓力。

缺點(diǎn)：

（1）最高壓力的限制，目前壓力控制器的最高輸出壓力可達(dá)到8 bars；

（2）當(dāng)壓力不平衡時(shí)，尤其是在多個(gè)輸入口進(jìn)行流量切換時(shí)，壓力控制器可能會產(chǎn)生倒流（可使用開關(guān)閥門來解決這種倒流現(xiàn)象）。

4、帶有流量開關(guān)矩陣閥的壓力控制器

對于一些微流控應(yīng)用，研究人員使用耦合流量開關(guān)矩陣閥的壓力控制器。當(dāng)研究人員需要快速的流量切換且沒有倒流（避免樣品污染或者瞬時(shí)停止流動(dòng)）時(shí)，他們主要使用流量開關(guān)矩陣閥。當(dāng)需要高精度的流速控制時(shí)，研究人員也可以使用震動(dòng)閥或集成PDMS蠕動(dòng)泵。因?yàn)楫?dāng)保持實(shí)驗(yàn)裝置的成本在合理的范圍內(nèi)時(shí)，它們有能力在微流控芯片的通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)即時(shí)的停止流動(dòng)，和/或者同時(shí)在多個(gè)芯片通道內(nèi)控制液體的流動(dòng)。

帶有流量開關(guān)矩陣閥的壓力控制器的優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：

（1）當(dāng)控制較多數(shù)量的微流體通道時(shí)，成本會更低；

（2）當(dāng)結(jié)合高精度的壓力控制器使用時(shí)，流量控制的精度會更高；

（3）有能力控制死端或者封閉通道內(nèi)的壓力；

（4）有能力實(shí)現(xiàn)微流體器件內(nèi)部的液體的瞬時(shí)停止流動(dòng)；

（5）有能力實(shí)現(xiàn)快速樣品的切換而不會產(chǎn)生任何的倒流；

（6）有能力控制和監(jiān)視液體的流速和壓力（當(dāng)結(jié)合使用具有流速反饋環(huán)路的壓力控制器時(shí)）。

缺點(diǎn)：

（1）當(dāng)涉及少量的微流體通道時(shí)，每個(gè)通道的價(jià)格會比較昂貴；

（2）實(shí)驗(yàn)裝置的復(fù)雜性：切換閥門需要液體流動(dòng)源或流速源。

流量閥是主動(dòng)元件，它允許流體通道內(nèi)液體流動(dòng)的打開、關(guān)閉和方向調(diào)節(jié)。流量切換閥最好配合壓力控制器使用，因?yàn)殛P(guān)閉連接到正在工作的注射泵的通道會導(dǎo)致壓力的無限增加，壓力的增加會損壞流體系統(tǒng)。

為什么不推薦單獨(dú)的壓力控制器用于快速和干凈樣品的切換？

壓力控制器允許微流控芯片內(nèi)快速的樣品切換（80 ms），但是需要在全部的輸入通道入口達(dá)到完美的壓力平衡，以此來避免倒流和樣品污染。實(shí)現(xiàn)干凈和快速流量調(diào)節(jié)的唯一方式是使用具有流量切換閥的壓力控制器。切換閥需要放置在液體儲液池和微流控芯片之間的通路上。由于液體是不可壓縮的，壓力將會即時(shí)的把液體推入到芯片內(nèi)，液體流量的變化也會與閥門打開的反應(yīng)時(shí)間（25 ms或者更低）有關(guān)。此外，由于微流控芯片和流量切換閥之間的導(dǎo)管充滿液體（液體是不可壓縮的），它避免了輸入毛細(xì)管之間的倒流和污染。

為什么使用切換閥來實(shí)現(xiàn)微流控芯片內(nèi)液體流動(dòng)的即時(shí)停止？

當(dāng)使用壓力控制器時(shí)，液體罐或者儲液池內(nèi)的流體靜壓力的變化會使達(dá)到壓力平衡變得非常困難。同步流量切換閥的使用（例如微流體多路復(fù)用器）使您可以同時(shí)連接所有的微流體通道。由于液體是不可壓縮的，切換閥使您可以得到實(shí)時(shí)的液體流動(dòng)停止而不會發(fā)生任何殘余的流動(dòng)。

不同類型的微流控流量控制系統(tǒng)的性能圖表

藍(lán)色較淡的表示匹配性較差，藍(lán)色較重的表示匹配的很好