微流控芯片流体的控制与驱动

微流控芯片是通过微细加工技术将微管道，微泵，微阀，微储液器，微电级，微检测原件和连接器等功能元件像集成电路一样，使它们集成在芯片材料（基片如：PDMS、PMMA、硅、纸、玻璃等）上的微全分析系统。面积一般约为几平方厘米。微流体的可控性是微流控芯片区别于点阵式芯片的基本特征，也是其被称为“主动式”芯片的原因。

1.微流控芯片流体的驱动和控制基本概念

驱动：通过外力的作用驱动微流控芯片内的液体。

控制：控制流体的速度、方向开启关闭流动及混合液的流动。

简单来说，微流控芯片的主要形态特征是各种构型的微通道网络、微阀、微泵的集合体。一般地，在微流控系统中，主要是通过泵实现流体的驱动，它起着传输液流和分配液流的作用，掌控着整个过程的成败，是实现微流体控制的前提和基础。

如何使流体在通道中实现快速、均匀的混合和微型化、良好的控制、集成化的驱动，是微流控芯片发展中首先需要解决的关键问题。随着微流控芯片分离分析研究的扩展,芯片内的微通道往往需制成更复杂的网络结构，存在不同的交汇区域。微流控芯片上所需完成的是通道内流体的速度和流向的控制，完成自动化进样、分离、检测等单元，这样，对流体的驱动与控制就成为了微流控芯片所需解决问题的重中之重。

微流体控制是微流控芯片实验室的操作核心，涉及的进样，混合，反应，分离等过程无一不是在可控流体的运动中完成，阀则是流体控制的核心部分。基本的微流控技术有驱动（微泵）控制，微阀控制，芯片微通道构型控制，通道表面性质控制等，微流体的控制与驱动以电渗控制和微阀操作控制技术为主，微系统的层流效应与分子扩散效应也起着十分重要的作用。

电渗控制是指电场作用下，微通道中液体沿通道内壁作定向移动的现象、影响电渗流的因素包括通道表面的组成一缓冲液性质，外加电场强度，温度等，通过对这些影响因素的调节，改变通道内壁表面的电荷性质和密度，调节微通道网络中不同节点的电压值，就可控制电渗流即微流体的迁移速度和运行方向，完成较为复杂的混合，反应和分离等操作。

有报道利用聚合高分子电解质涂层，进行聚苯乙烯和丙烯酸为基质的微芯片通道内表面的涂层改性，从而控制微系统中液体的流动方向，甚至可以在一个通道内实现两个流向相反的液流的同时操作。

2.微流控芯片流体驱动设备

注射泵、恒压泵、离心进样仪（离心机）等。

2.1微流控的流体驱动方式

微流控的驱动方式有多种，根据不同的驱动原理，产生了多种微流体驱动方式。

微流体驱动系统分为：微流体机械驱动系统和微流体非机械驱动系统两大类。（汶颢可提供各种型号微泵、微阀等微流体实验仪器设备）

微流体机械驱动系统又分为：压电微泵、热气动微泵、静电微泵、气动微泵、电化学控制汞微泵、“无阀”往复微泵、离心力驱动系统、剪切力驱动。

微流体非机械驱动系统又分为：电渗微流体驱动系统、电流体动力微泵、磁流体动力微泵、重力驱动、非机械热气动微泵、热毛细作用微泵。

3.微流控芯片流体控制设备

电磁阀、转向阀、单向阀等。

微流体PDMS芯片流体控制设备微泵装配示意图

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