微流控技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域比如化學(xué)化工、材料、生命科學(xué)、食品科學(xué)等。采用微流控技術(shù)的各種應(yīng)用必然會(huì)用到微流控芯片，如何解決微流控芯片溝道的多變性和靈活性是當(dāng)前關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)。本次網(wǎng)絡(luò)課堂介紹了模塊化微流控化學(xué)的應(yīng)用，通過模塊化的組合，完成化工化學(xué)中各種不同微流體芯片的需求。這解決了微流控芯片的溝道靈活性和多變性的難題。此外，本次網(wǎng)絡(luò)課堂還介紹了柔性熱彈性熒光材料Fluoroflex，相比于PDMS材料，其具有更低的吸附性和更高的表面疏水性。

微流體氣泡是指采用微流控技術(shù)產(chǎn)生的液體環(huán)境中存在的微小腔室。水泡是指微小氣體腔室存在于水溶液中。微流控技術(shù)采用微流控芯片和流量控制泵來產(chǎn)生各種各樣的微氣泡。

微泡沫由分散在液體連續(xù)相中的微泡組成。 泡沫性質(zhì)取決于微泡的產(chǎn)生性質(zhì)和性能。 微氣泡和微泡沫廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥、食品、石油增強(qiáng)恢復(fù)、生物學(xué)、化妝品及去污劑等方面。

本次網(wǎng)絡(luò)課堂介紹了微氣泡產(chǎn)生的理論基礎(chǔ)、產(chǎn)生方法（流動(dòng)聚焦、T型結(jié)構(gòu)或同軸流）、產(chǎn)生裝置及微氣泡的應(yīng)用。

在為您的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用選擇注射泵時(shí)，壓力可能是一個(gè)重要的考慮因素，但是如何知道哪個(gè)泵可以滿足要求呢？使用單個(gè)注射器或者多個(gè)注射器都會(huì)影響壓力。要計(jì)算泵的Z終壓力，我們需要知道泵的線性力，該線性力與注射器將要承受的壓力直接相關(guān)。因此，本文將討論線性力，如何計(jì)算線性力以及線性力為什么很重要。

我們將介紹線性力的基本原理，以了解注射泵背后的機(jī)理。我們還將通過示例計(jì)算力和壓力。希望通過本文的介紹，您將對(duì)注射泵的工作方式有更深入的了解。

線性力基礎(chǔ)
注射泵使用步進(jìn)電機(jī)線性致動(dòng)器，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為線性運(yùn)動(dòng)，這意味著電動(dòng)機(jī)的力將從扭矩傳遞到線性力。為了計(jì)算給定設(shè)備中的線性力，我們必須考慮4個(gè)因素：摩擦力、加速度力、重力和施加的作用力。線性力定義如下：

總線性力（TLF）=F（摩擦力）+F（加速度力）+F（重力）+F（施加的作用力）

施加的作用力是由步進(jìn)電機(jī)提供的力，但是，凈力由于摩擦而減?。ㄔ谳^高的速度下為較低的力）。實(shí)際上，摩擦力被當(dāng)作校正效率方面反映電動(dòng)機(jī)Z大力的一個(gè)因素。效率還受到執(zhí)行器中使用的螺桿（長(zhǎng)度和螺距）的影響，螺桿改變了移動(dòng)注射器活塞的螺母的速度?？紤]到這些特性，我們可以使用以下公式計(jì)算線性力。

線性力=（馬達(dá)或電機(jī)的Z大力 × 2π × 效率）/螺距

Linear Force = (Maximum force of the motor × 2π × efficiency)/pitch

例如，具有0.5Nm的電機(jī)和1mm螺距的螺桿和1mm/s速度的0.8效率的線性致動(dòng)器的線性力為：

線性力=（0.5Nm × 2×3.14× 0.8）/0.001m=2512 N=564.69 lbf

Linear force= (0.5 Nm × 2×3.14×0.8)/0.001 m = 2512 N = 564.69 lbf

如前所述，注射器中的壓力與泵的線性力有關(guān)?；叵胍幌?，壓力是在給定區(qū)域中施加的力的大小，例如，在這種情況下，如果我們使用直徑為0.3-inch的注射器，則Z終壓力將為：

壓力=564.69 lbf/（π/4 × (0.3)^2）=7998.44 psi

Pressure = 564.69 lbf/(π/4 × (0.3)^2) = 7998.44 psi

由于壓力與面積有關(guān)，因此，如果我們使用2個(gè)直徑為0.3-inch的注射器，則每個(gè)注射器承受的力和壓力是所計(jì)算壓力的一半。注射泵的優(yōu)點(diǎn)之一是，由于注射器中的面積小，我們可以承受高壓，這使得使用高質(zhì)量的注射器（用于高壓的不銹鋼）至關(guān)重要。

總之，我們可以說，了解注射泵的線性力對(duì)于實(shí)驗(yàn)應(yīng)用選擇正確的型號(hào)是非常重要的，例如，粘性液體需要更高的壓力，或者您可能想要使用多個(gè)通道。

如何使用壓力控制器進(jìn)行超精確和響應(yīng)的流量控制？

由于微流控剛開始出現(xiàn)時(shí)采用注射泵以及注射泵易于尋找、使用等方面的歷史原因，使得注射泵是微流體實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中Z常用的系統(tǒng)。然而，由于壓力控制獨(dú)特的性能可以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，很多研究人員開始轉(zhuǎn)向壓力控制系統(tǒng)。

本文中，我們將解釋壓力驅(qū)動(dòng)的流量控制如何工作，不同驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)/缺點(diǎn)以及如何根據(jù)您的要求在注射泵和壓力控制之間進(jìn)行選擇。

組件列表
（1）微流體OB1 MK3流量控制器

（2）樣品儲(chǔ)液池

（3）液體流量傳感器

實(shí)驗(yàn)裝置連接圖：將您的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為強(qiáng)大的注射泵
壓力驅(qū)動(dòng)的流量控制是取代注射泵的明智選擇，它允許在毫秒響應(yīng)時(shí)間內(nèi)無脈沖流動(dòng)，包括在樣品儲(chǔ)液池內(nèi)使用氣體輸入壓力，以便將液體從儲(chǔ)液池流到您的微流體實(shí)驗(yàn)裝置。

流量控制原理
壓力控制器對(duì)儲(chǔ)液池如Eppendorf，F(xiàn)alcon或含有樣品的瓶子等施加壓力，然后，將液體平穩(wěn)且準(zhǔn)瞬間注入到微流體芯片中。

圖3：樣品儲(chǔ)液池被加壓，氣體推動(dòng)液體表面，流體將流過出口。因此，控制儲(chǔ)液池的輸入氣體的壓力將能夠控制流出儲(chǔ)液池的液體。由于采用壓電技術(shù)的壓電壓力調(diào)節(jié)，Elveflow系統(tǒng)能夠在40   ms內(nèi)調(diào)節(jié)液體流量，穩(wěn)定性為0.005%。壓力驅(qū)動(dòng)流量控制的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于能夠處理數(shù)百mL的流體體積。因此，您可以將您的系統(tǒng)變成一個(gè)強(qiáng)大的注射泵。

通過將我們的壓力控制器與流量傳感器相結(jié)合，您可以實(shí)現(xiàn)超精確和快速響應(yīng)的流量控制。您可以在Elveflow軟件中設(shè)定液體流量值，并且由于可定制的PID反饋回路，壓力控制器將自動(dòng)調(diào)節(jié)壓力以便達(dá)到所設(shè)定的液體流量值。

優(yōu)點(diǎn)/弱點(diǎn)

性能：注射泵 VS 壓力控制
注射器泵的主要優(yōu)點(diǎn)是它們非常易于使用，并且微流體實(shí)驗(yàn)中使用注射泵的兩個(gè)主要缺點(diǎn)是在設(shè)置新的液體流速時(shí)，由于電機(jī)步進(jìn)而導(dǎo)致的流動(dòng)振蕩的響應(yīng)時(shí)間較慢。芯片內(nèi)部的流量變化可能需要幾秒到幾小時(shí)（請(qǐng)參見：為什么注射泵在微流體實(shí)驗(yàn)中具有較低的響應(yīng)？博文），這種反應(yīng)性的缺乏是注射泵對(duì)于許多應(yīng)用的主要限制之一。

現(xiàn)代微流體壓力控制器還可以通過將流量計(jì)與反饋回路集成來控制壓力和流量。因?yàn)楫?dāng)微流體研究人員需要高流量響應(yīng)性，高流動(dòng)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，以及當(dāng)他們使用死端通道或需要大量的樣品時(shí)，他們主要使用壓力控制器。

響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性

結(jié)論
如前所述，每個(gè)系統(tǒng)都有其缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。注射泵方便，并且已經(jīng)使用了很長(zhǎng)時(shí)間。然而，當(dāng)設(shè)置復(fù)雜或需要精細(xì)控制時(shí)，性能受到限制（響應(yīng)時(shí)間，振動(dòng)等等），這在微流體實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常碰到這種情況。

壓力控制越來越多地被使用，因?yàn)樗菫槲⒘黧w開發(fā)的，它完全滿足用戶的期望（響應(yīng)性、穩(wěn)定性、可重復(fù)性等等）。壓力控制技術(shù)幾乎涵蓋了所有的微流體應(yīng)用（97%以上），并開始進(jìn)入其它相關(guān)領(lǐng)域，如生物學(xué)和化學(xué)。同時(shí)，配套壓力控制器的可選配件如切換閥MUX、傳感器等非常廣泛，可以針對(duì)實(shí)驗(yàn)的需求而加以選擇，同時(shí)這些選配件的價(jià)格下降使得其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。

Elveflow同時(shí)提供壓力控制器OB1、液體流量傳感器MFS和BFS、液體壓力傳感器MPS及微流體切換閥等，希望廣大的研究人員憑借這些優(yōu)異的微流控儀器取得豐富的研究成果。

在微流控實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，壓力驅(qū)動(dòng)進(jìn)樣的壓力泵/壓力控制器因采用傳感器測(cè)量方式而具有較高的壓力分辨率和快速響應(yīng)性，這些壓力控制器由于外形體積小，故無法把操作按鈕直接做在物理外殼上，而是采用電腦端的軟件操作控制模式。也就是說在PC端安裝操作軟件，然后通過USB線連接壓力控制器和PC來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，由此便可通過PC端的操作軟件實(shí)現(xiàn)壓力控制器物理端的控制。

Elveflow微流控產(chǎn)品的智能界面控制軟件ESI（Elveflow Smart Interface）可通過幾次點(diǎn)擊來直觀的控制微流控儀器。由于采用了調(diào)度程序（scheduler），ESI可以方便的執(zhí)行微流控實(shí)驗(yàn)的基本控制和復(fù)雜任務(wù)控制。

ESI微流控軟件可以輕松實(shí)現(xiàn)許多應(yīng)用比如連續(xù)流流體的產(chǎn)生、體積計(jì)量、動(dòng)態(tài)流動(dòng)剖面的生成、光流體控制等等。

ESI微流控軟件的特色和優(yōu)勢(shì)

1、易于流量控制

ESI微流控軟件流量控制直觀界面允許用戶友好的控制Elveflow的全部?jī)x器。結(jié)合微流體流量傳感器，其會(huì)成為用戶友好的強(qiáng)大的流量控制器。

使用預(yù)定義模式可創(chuàng)建、監(jiān)控和修改實(shí)時(shí)復(fù)雜的壓力和流速曲線如正弦、方波、三角波、斜波或鋸齒...或者是導(dǎo)入您的自定義曲線。

2、保存儀器配置

創(chuàng)建儀器實(shí)驗(yàn)參數(shù)配置并保存和調(diào)用這些配置。使用儀器參數(shù)配置可以從一種儀器狀態(tài)切換到另一種儀器狀態(tài)。

播放/暫停按鈕允許用戶編輯不同的通道，同時(shí)保持控制器的當(dāng)前狀態(tài)并同時(shí)考慮修改。

3、自動(dòng)化您的實(shí)驗(yàn)

Scheduler提供了一種用戶友好的方式來自動(dòng)執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)。

您可以創(chuàng)建或編輯儀器參數(shù)配置，控制實(shí)驗(yàn)時(shí)間，設(shè)置儀器觸發(fā)。使用循環(huán)（for）和條件（if）語句來構(gòu)建復(fù)雜的任務(wù)。

可以以.txt格式加載序列。

4、使用傳感器來表征您的實(shí)驗(yàn)

ESI微流控軟件可以表征您的實(shí)驗(yàn)（流量、壓力、電平...）。MSR（Microfluidic Sensor Reader）或OB1可以讀取傳感器的輸出。

您還可以使用我們的自定義傳感器選項(xiàng)從任何傳感器獲取信息。

這些傳感工具可以用來控制我們的壓力控制器。

ESI微流控軟件：一種旨在一次控制所有儀器的軟件

該軟件可通過同一接口控制多達(dá)16臺(tái)儀器。結(jié)合我們的National Instrument DAQ，其可以實(shí)現(xiàn)儀器之間的wan美同步。

ESI微流控軟件提供了直觀的界面，增強(qiáng)了從一臺(tái)儀器到另一臺(tái)儀器的導(dǎo)航。幾分鐘內(nèi)熟悉該軟件后，便可以利用我們強(qiáng)大的硬件。

Elveflow還提供了標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)套件SDK，使用C++，Python，MATLAB或LabVIEW代碼可以控制我們的儀器。SDK套件中提供了文檔和示例程序。

使用閥來控制微流體通路
使用我們的閥系統(tǒng)和ESI微流控軟件只需點(diǎn)擊幾下便可輕松的控制微流體通路。

為此，Elveflow開發(fā)了一個(gè)適合我們幾個(gè)閥門的直接操作界面。

通過界面上的配置，您只需單擊一次便可從一種閥門配置切換到另一種閥門配置。

可視化和保存數(shù)據(jù)—100Hz采集

以用戶定義的時(shí)間間隔來記錄任何數(shù)據(jù)，Z高可達(dá)100Hz。所記錄的數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)文件，可以在您選擇的應(yīng)用中保存和分析。

數(shù)據(jù)可以被連續(xù)保存以優(yōu)化計(jì)算機(jī)的活動(dòng)內(nèi)存以便進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)。

使用圖表顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（壓力，流量...）

控制注射體積
精密壓力調(diào)節(jié)器，流量傳感器和ESI微流控軟件（通過集成模塊）的組合可實(shí)現(xiàn)精確的液體流量注入。

軟件開發(fā)套件SDK

我們的軟件包允許開發(fā)人員將Elveflow系統(tǒng)集成到他們自己的程序中。這些庫可以快速輕松地將我們的儀器集成到您的實(shí)驗(yàn)程序中。

我們提供了以下庫（包含文檔和示例代碼）：

ESI微流控軟件性能

為了優(yōu)化USB的使用并提供高性能數(shù)據(jù)采集，我們的合作伙伴National Instruments創(chuàng)建了NI信號(hào)流技術(shù)。信號(hào)流（Signal Streaming）結(jié)合了三種創(chuàng)新的硬件和軟件級(jí)設(shè)計(jì)元素，可通過USB實(shí)現(xiàn)持續(xù)的高速和雙向數(shù)據(jù)流。

同步 - 觸發(fā)

使用TTL連接器觸發(fā)和同步Elveflow系統(tǒng)和您實(shí)驗(yàn)室中使用的任何其他儀器（顯微鏡或任何電子儀器...）。

適用于Windows系統(tǒng)

Elveflow微流控智能界面軟件 ESI視頻介紹

利用微流控技術(shù)在微流控芯片通道內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)的細(xì)胞培養(yǎng)對(duì)很多生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的工作人員來講是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)和機(jī)會(huì)，通過該技術(shù)可以大規(guī)模的降低實(shí)驗(yàn)耗材消耗，提高實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化效率，模擬實(shí)際生物環(huán)境下的細(xì)胞生長(zhǎng)行為等。在科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用中，活細(xì)胞成像的細(xì)胞培養(yǎng)都具有較大的應(yīng)用前途，那么現(xiàn)在有沒有一款或一套合適的儀器來做細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)呢？答案是有的，Elveflow微流控灌注套裝（Perfusion Pack）結(jié)合ALine公司的Microslides便可以完成細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)。

Elveflow微流控OB1壓力控制器的詳細(xì)介紹：Elveflow微流控壓力泵/壓力控制器OB1（四通道）簡(jiǎn)要介紹

更加詳細(xì)的內(nèi)容介紹，請(qǐng)查看如下鏈接：http://blog.sina.com.cn/fangdzxx

也可以隨時(shí)關(guān)注我們的微信公眾號(hào)：信號(hào)測(cè)量與微流控系統(tǒng)

微流控液滴技術(shù)是近年來在微流控芯片上發(fā)展起來的一種研究幾微米至幾百微米尺度范圍內(nèi)微液滴的生成、操控及應(yīng)用的新技術(shù)。微液滴常作為微反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)生化反應(yīng)、試劑快速混合以及微顆粒合成等，極大地強(qiáng)化了微流控芯片的低消耗、自動(dòng)化和高通量等優(yōu)點(diǎn)。本次網(wǎng)絡(luò)課堂主要介紹了液滴微流控的發(fā)展歷程、微液滴產(chǎn)生方式、液滴微流控的應(yīng)用領(lǐng)域、液滴產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)裝置、雙乳液滴產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)等知識(shí)。

電阻抗檢測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、生命科學(xué)、食品安全、疾病診斷等領(lǐng)域。在微流控領(lǐng)域，電阻抗檢測(cè)技術(shù)可應(yīng)用于單細(xì)胞或微液滴的檢測(cè)與分析、生物組織分析、細(xì)胞計(jì)數(shù)、細(xì)胞分選、交流介電電泳（DEP）和生物阻抗測(cè)量等。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的微流控電阻抗檢測(cè)系統(tǒng)在一定程度上可以看成是由多個(gè)不同功能的模塊經(jīng)過有效的有機(jī)組合而成的。該檢測(cè)系統(tǒng)主要包括五個(gè)模塊：微流控電阻抗檢測(cè)芯片、微流控芯片進(jìn)樣泵、流量計(jì)或壓力計(jì)、電阻抗分析儀/鎖相放大器、光學(xué)顯微鏡等，如下圖所示。

對(duì)于以上四個(gè)模塊的組合，我們僅僅給出一個(gè)微流控電阻抗檢測(cè)系統(tǒng)的連接示例，如下圖1所示。對(duì)于該系統(tǒng)中所用到的設(shè)備，可以使用其他的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行代替，但是總體的連接方式是相同的。MFCS或者OB1Mk3驅(qū)動(dòng)泵把儲(chǔ)液池內(nèi)的液體推入到微流控芯片的通道內(nèi)。MFLI或者HF2LI產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)不同頻率的正弦電壓信號(hào)，施加在電阻抗芯片的激勵(lì)電極上，敏感電極測(cè)量到的電流信號(hào)經(jīng)過跨阻放大器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。放大后的電壓信號(hào)輸送到MFLI或者HF2LI鎖相放大器。MFLI或者HF2LI鎖相放大器和MFCS或者OB1mk3驅(qū)動(dòng)泵的參數(shù)調(diào)節(jié)和控制都在PC電腦上的LabOne軟件和MAESFLO軟件或者Elveflow Smart Interface上進(jìn)行設(shè)置。

圖1 微流控動(dòng)態(tài)電阻抗檢測(cè)系統(tǒng)連接圖

HF2儀器與電阻抗芯片連接的實(shí)物圖

如下以瑞士蘇黎世儀器的MFLI鎖相放大器連接電阻抗芯片為例介紹微流控動(dòng)態(tài)電阻抗檢測(cè)的原理。

MFLI鎖相放大器與電阻抗芯片的連接圖

動(dòng)態(tài)電阻抗檢測(cè)可用于測(cè)量微流體芯片通道內(nèi)單個(gè)粒子的介電特性。以兩對(duì)共面電極的微流控電阻抗芯片為例介紹動(dòng)態(tài)電阻抗檢測(cè)的過程，芯片結(jié)構(gòu)示意圖[8]如上圖所示。在微流體芯片通道內(nèi)加工兩對(duì)金屬微電極，一對(duì)微電極作為測(cè)量電極，用于測(cè)量介質(zhì)溶液中單個(gè)粒子經(jīng)過時(shí)的電流變化，而另一對(duì)電極作為參考電極，僅用于測(cè)量介質(zhì)溶液的電流。當(dāng)MFLI鎖相放大器對(duì)兩對(duì)電極同時(shí)施加一定幅值且具有一個(gè)頻率或多個(gè)不同頻率的交流信號(hào)時(shí)，微流體芯片通道內(nèi)兩對(duì)電極之間會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。當(dāng)粒子經(jīng)過電極對(duì)之間的間隙時(shí)，電場(chǎng)會(huì)受到擾動(dòng)而產(chǎn)生電流的變化，電流變化的幅度取決于粒子的尺寸、形狀和介電性質(zhì)。變化的電流經(jīng)跨阻差分放大器進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換為差分電壓信號(hào)。MFLI鎖相放大器同時(shí)解調(diào)一個(gè)頻率或多個(gè)不同頻率的差分電壓信號(hào)，從而給出每一個(gè)頻率信號(hào)的同相分量和正交分量或者幅值和相位值，同時(shí)抵制所有其他頻率信號(hào)的干擾。所測(cè)量的電阻抗的變化可在本地電腦上的LabOne軟件里的Plotter進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察且測(cè)量的數(shù)據(jù)可直接保存在本地電腦，方便后續(xù)使用MATLAB、Python等軟件進(jìn)行分析處理。

LabOne軟件顯示動(dòng)態(tài)差分測(cè)量的顯示曲線

帶有共面金屬電極的PDMS芯片中產(chǎn)生油包水微液滴，石蠟油為連續(xù)相（含span80表面活性劑），經(jīng)過濾后的去離子水為分散相。產(chǎn)生的微液滴如下視頻所示。

MFLI鎖相放大器動(dòng)態(tài)差分輸入檢測(cè)PDMS芯片中產(chǎn)生的微液滴視頻如下所示。