2. Теория‎ > ‎Химику‎ > ‎

микроклапаны и микронасосы

Перевод статьи: A. Au, H. Lai, B. Utela, A. Folch, Microvalves and Micropumps for BioMEMS, Micromachines 2011, 2, p. 179-220.

Микроклапаны позволяют пользователю варьировать потоки жидкости в микроканале, изменяя имеющийся макроскопический параметр. Клапаны могут срабатывать механически, пневматически, электрокинетически, путем фазовых изменений или воздействуя внешней силой. Используя метод срабатывания в качестве дифференцирующего параметра, можно выделить пять основных классов микроклапанов: электрокинетический, пневматический, рычажной (pinch?), изменения фазы и взрывной (burst?).

Электрокинетические клапаны работают в системах непрерывного потока, выступая в роли маршрутизатора жидкости, который использует электроосмотический поток для переключения жидкости с одного канала на другой. Пневматические клапаны обычно полагаются на гибкую мембрану для контроля характера потока в канале. Рычажные микроклапаны работают путем физического деформирования PDMS(?), используя механическое давление. Фазово-меняющиеся микроклапаны чередуются между разными фазами материалов, таких как парафин, гидрогели или водные растворы, для того чтобы модулировать поток. Наконец, взрывные микроклапаны являются signle-use клапанами, которые открываются когда сопротивление потока преодолевается или когда жертвенная мембрана распадается.

1. Электрокинетические микроклапаны

Такие клапаны лучше всего описать как "маршрутизаторы", которые работают только с непрерывными потоками жидкости. В этом случае жидкость образца и буфер притягиваются анодом (550 В). Когда буфер отсоединяется от катода, буферная жидкость перестает течь, и жидкость образца может спокойно продвигаться дальше. Как только буфер снова достанет до катода, буфер перехватит канал и в результате возникнет затычка, размер которой является функцией от длительности импульса напряжения и скорости потока.

Электрокинетические клапаны используются лишь в специфических задачах (в основном, капиллярный электрофорез, для которого электроосмотический поток хорошо подходит) из-за следующих сложностей:
а) как и любой электрокинетический транспорт, он подвержен сильному влиянию поверхностных свойств канала (хорошо работает только со стеклянной поверхностью, что дорого в производстве).
б) подвержен влиянию ионного состава буфера: при pH>3 гидроцильные группы на стенках диссоциируют, создавая "-" заряженные стенки (с зависимым от pH зарядом) - напряжение перемещает в итоге только не связанные с "-" заряженными стенками "+" ионы.
в) требуют источников высокого напряжения, которые громоздки, дороги и ненадежны.
г) Требуется непрерывный поток жидкости: "закрывает" клапан лишь поток буфера.



2. Пневматические микроклапаны

Такие микроклапаны в основном используют отклонение PDMS мембраны для прерывания потока, они стали одними из самых распространенных микроклапанов. Пневматическое давление применяется к PDMS мембране через канал, который называется "линия управления" или "канал управления". Причиной популярности является то, что их можно сочетать со стандартными процессами мягкой литографии, с которыми большинство лабораторий знакомо. Контрольный канал, который активизирует мембрану наиболее часто активизируется через внешний источник газового давления, но он также может быть наполнен жидкостью для избежания попадания воздуха в микроканал через мембрану. Изменения в пневматическом давлении позволяют клапанной мембране закрывать и открывать проход. Рассмотрим три типа пневматических микроканалов.

2.1. Обычно открытые мембранные микроклапаны

Такие микроклапаны разработаны для того, чтобы препятствовать потоку жидкости только когда клапан активирован. При подаче положительного давления на линию управления гибкая мембрана отклоняется, для того чтобы остановить поток жидкости через клапан. Три типа таких клапанов будет обсуждено здесь. Клапаны Квейка состоят из трех слоев и направляют жидкость в одной плоскости, в то время как поршневые клапаны состоят из четырех слоев и могут направлять жидкость между двух плоскостей. Наконец, клапаны бокового отклонения мембраны состоят из одного слоя, так что поток жидкости ограничивается одной плоскостью. Тем не менее, эти клапаны полностью не перекрывают поток.

Микроклапаны Квейка

Микроклапан состоит из канала управления, который перекрывает путь поточного канала, отделенного мембраной толщиной в 5-15 мкм. В канал управление нагнетается давление, которое перекрывает ход жидкости. Жидкость течет по полукруглому каналу. Одно из многих применений клапанов Квейка - это ПЦР, белковое разделение и сортировка клеток.


Из-за такой необычной архитекруты необходимо использовать при изготовлении кремниевых слепков два разных фоторезиста.
К потенциальным недостаткам такого дизайна можно отнести трудности визуализации и определении характеристик потока.

Поршневые микроклапаны

Такие клапаны черпают свое вдохновение из макромасштабного дизайна - резиновый поршень напротив полукруглого отверстия. Жидкость течет из одного слоя в другой через круглые сквозные дырки в эластомерном субстрате. Микроклапан, гибкая мембрана, приводимая в действие пневматической камерой, работает, прогибаясь в жидкостный слой и затыкая сквозное отверстие.



Микроклапаны бокового отклонения мембраны (Lateral-Deflection Membrane Microvalves)

Такие микроклапаны приводятся в действие сбоку от потокового канала. Поток и канал управления находятся в одном слое, разделенные узкой щелью (<14 мкм шириной), которая служит как мембрана приведения в действие. Главное преимущество - простота изготовления. Однако такой дизайн не является клапаном по сути, так как полностью не закрывает канал, но лишь препятствует продвижению жидкости.  Такие системы сложнее моделировать, чем трехслойные клапаны. Все же их удалось применить для сортирования клеток.



2.2. Обычно закрытые мембранные микроклапаны

В дополнение к обычно открытым, существуют и микроклапаны, которые изготавливают таким образом, чтобы в обычном состоянии быть закрытыми. Такие микроклапаны включают в себя «половик», «занавеску» и клапан контроля (check). Дизайн обычно закрытых клапанов имеет четко определенную прямоугольную архитектуру каналов и требует использование только одного типа фоторезиста, который упрощает процесс фотолитографии и устраняет необходимость в перенаполнении фоторезиста. Минус таких клапанов в том, что есть риск изготовить дефектные клапаны, которые будут постоянно закрытым.

Микроклапаны в стиле "половика" ("Doormat")

В 2000 году был представлен новый дизайн PDMS (см. рис.). Здесь PDMS мембрана представляет тобой пленку, упакованную между каналом управления и каналом потока жидкости.

Как только отрицательное давление прикладвыается к каналу управления, мембрана прогибается вниз и две стороны микроканалов сообщаются под стеной.

Такие микроклапаны могут использованы для разделения двух секций одного микроканала или множества микроканалов (см. рис.). Когда мембрана не прогибается, клапан закрыт. Нагнетание вакуума на линию управления отклоняет мембрану вниз, открывая клапан.


Дизайн половичка не имеет ограничений клапанов Квейка, а проблем с дефектно закрытым клапаном при изготовлении можно избежать.

У такого дизайна есть ряд преимуществ: (а) Высота каналов не зависит от из ширины. (б) Каналы имеют прямоугольные кросс-секции; (в) верхняя грань каналов плоская (позволяет использовать фазово-контрастную микроскопию клеток внутри каналов).

Микроклапаны в стиле "занавесок"

Это еще одна разновидность обычно закрытых клапанов. В отличие от половичка, в занавеске канальный барьер такого клапана представляет собой микроструктуру, интегрированную с мембранным слоем, а не с канальным слоем.

2.3. Контрольные (check) микроклапаны

Такие клапаны позволяют жидкости течь только в одном направлении. Механическая часть, которая препятствует току потока в обратном направлении, формирует печать с клапаном, и чем больше отрицптельное давление, тем сильнее зажимается клапан. Клапан открывается путем усиления давления потока, пока оно не превысит давление клапана и сторонних сил. Такие клапаны могут использоваться в микронном масштабе, используя тридиционные кремниевые микромашинные техники.


Такой тип микроклапанов дорого разрабатывать, но очень дешево коммерциализировать. Очень важно, чтобы жидкости были чистыми, без сторонних примесей, поскольку это может повредить клапану. Поэтому такие клапаны обычно делают из кремния.

3. Рычажные микроклапаны

Все вышеописанные клапаны требуют соединения устройства с источником вакуума (а иногда и нагнетающим воздух источником), так что они не являются портативными, когда функционируют. В идеале хорошо было бы генерировать давление с минимальными затратами энергии и использовать электрические схемы, которые могут легко работать с компьютерами. Рычажные микроклапаны схожы с рассмотренными ранее, за исключением двух ключевых отличий: (а) они основаны не на деформции тонкой PDMS мембраны возле прогоняющего жидкость микроклапана, а на деформации объема (bulk?) PDMS, которая формирует устройство; (б) вместо использования удаленного источника нагнетания давления, который используется в клапанах Квейка, половиках, занавесках и поршневых для изменения зависящей от давления стенки, рычажные микроклапаны основаны на локальной механической генерации давления.

Braille Pin Pinch Microvalves

Такие микроклапаны генерируют локальное давление через механические штыри дисплея Брейли, которые обычно используются для коммуникации между слепыми людьми. Такие штыри являются недорогими и легко контролируемыми клапанами. Ограничением таких клапанов является то, что точки, в которые давят штыри, не могут находить очень близко друг к другу, наименьшее расстояние диктуется толщиной устройства. Точки давления штырей не обязательно должны быть теми местами, где находится сам клапан. Каждый штырь давит в наполненный жидкостью резервуар, который выступает в роли "пистона", который передает давление на мембранный пневматический клапан (в данном случае клапан Квейка), находящийся на определенном расстоянии.


3.2 Ручные рычажные микроклапаны

Другой тип штыревого микроклапна - это TWIST клапан. Он включает в себя винты из нержавеющей стали.


4. Фазово-изменяющиеся микроклапаны

Фазово-изменяемые микроклапаны позволяют контролировать поток жидкости путем фазового перехода в материале клапана, поэтому они не нуждаются в невматическом соединени с местом размещения клапана. Парафин, гидрогель, лед и вода ранее были описаны как главные кандидаты для фазово-изменяемых микроклапанов. Большинство дизайнов таких клапанов включают в себя охлаждающий и нагревающий элементы, которые модулируют твердую и жидкую фазу клапана. Общим недостатком фазово-изменяемых клапанов является долгое время их активации: от 1 до 10 минут.

4.1 Парафинные микроклапаны

Парафин является материалом фазово-изменяемых клапанов благодаря тому, что у него низкая настраиваемая температура плавления, что позволяет легкую активацию и имеет низкую цену, которая является приемлемой для применения в лабочипах. Твердый же парафин может выдерживать большие давления (~276 кПа) без последствий и протечек. Однако такой клапан можно использовать только один раз для перекрывания потока жидкости. Есть и многоразовые клапаны, включающие в себя элементы термопневматических и мембранных микроклапанов.


4.2 Полимерные микроклапаны

Группа Кристофера Бэкхауза представила температурно-чувствительный полимер полиэтилен гликоль PEG и воск, помещенные в каналы управления клапана, имевшего дизайн половика. Для того чтобы течь, полимер должен быть введен в расплавленной фазе (это расширяет его объем), и когда он остывает до комнатной температуры, клапан открыт. Локально нагревая место клапана, полимер в канале управления расширяется, закрывая клапан. В остальных случаях клапан открыт.


4.3 Микроклапаны из умного полимера (Smart Polymer)

Некоторые полимеры претерпевают обратимые фазовые переходы при воздействии стимулятора (например, изменение pH, температуры или света). После убирания стимулятора, состояние остается неизменным, что позволяет использовать полимеры как сенсоры для этих особых стимуляторов. Поэтому из и назвали "умными".


5. Распахивающиеся микроклапаны

Взрывные микроклапаны являются одиночно используемыми пассивными микроклапанами, которые необратимо распахиваются, когда движущее давление превышает сопротивление потока клапана. В то время как закрывание таких клапанов почти не требует приложения энергии, открывание клапана требует приложения энергии, которое превзойдет клапанный механизм. Есть три схемы для подобных клапанов. Капиллярные распахивающиеся микроклапаны характеризуются капиллярными эффектами резких изменений в угле контакта жидкости, формируя высокоэнергетический мениск. Вариации такого дизайна используют центрифугальные силы для преодоления капиллярных. Наконец, жертвенная мембрана может располагаться на месте клапана, блокируя доступ к каналу. Благодаря тому, что они являются одиночно используемыми и легкими в изготовлении, распахивающиеся микроклапаны высоко востребованы для одноразовой микрофлюидики в отдаленных районах, где off-chip контроллеры недоступны.

5.1 Капиллярные распахивающиеся микроклапаны

Такие клапаны пассивно контролируют поток жидкости, увеличивая капиллярное сопротивление внутри микроканала. Обычно это достигается резким изменением геометрии или химии поверхности микроканала. Высокая поверхностная энергия в результате резкого изменения канала захватывает мениск жидкости в межфазе (interface?) клапана. В геометрических капиллярных микроклапанах прямой микрофлюидный канал переходит в гораздо более широкую область клапана с расходящимися боковыми стенками. Сопротивление жидкости сильно увеличивается в межфазе межуд прямым каналом и угловыми боковыми стенками клапана, закрепляя мениск жидкости в прямом капиллярном канале.


5.2 Центробежные клапаны (“Lab-CD”)

Чтобы обойти требование высоких напряжений для электрокинетических клапанов, было предложено заставить каналы вращаться так, что жидкость приводилась бы в действие центробежными силами. Благодаря продуманному дизайну можно последовательно наполнять микрокамеры, пока дискообразное устройство вращается, останавливается и вращается вновь (в обоих направлениях). Главной трудностью таких клапанов является из маленькая совместимость со стандартным аналитическим оборудованием и микроскопией.


5.3 Распахивающиеся микроклапаны с жертвенной мембраной

Для некоторых приложений, чтобы убедиться в том, что клапан вновь никогда не закроется, может быть полезным разработать одиночно использующийся клапан, который поначалу закрыт, но только открывшись он уже останется в таком состоянии навечно. Был разработан основанный на кремнии освобождающий лекарства микрочип, содержащий травленные полости, покрытые "жертвенными" золотыми мембранами. Полости могли быть заполнены лекарство-содержащим раствором до запечатывания мембранами. Мембраны могли быть электрохимически растворены импульсами напряжения, так что каждый импульс контролировал выпуск одной дозы лекарства для каждой полости в микрочипе.


6. Подходы, не использующие клапаны

Наконец, возможно направлять поток жидкости, не используя клапаны. Например, можно вводить в микроканалы воздух, который будет препятствовать проходу жидкости. Возобновить поток можно, убрав пузырек воздуха. Для приложений, который используют большие количества реагентов, можно переключать потоки при помощи потоков. Наиболее часто такие "потоковые клапаны" представляют собой использование одноо потока для управления позиции другого на одной плоскости. Были эксперименты в нагромаждением потоков друг поверх друга на перекрестках. Интересна схема "SlipChip", в ней жидкости смешиваются в разных плоскостях, а устройство состоит из двух стекляных пластин, которые могут скользить вдоль разделяющей плоскости.




Ċ
Антон Якимов,
14 мар. 2012 г., 06:50
Comments