在微流控實驗領(lǐng)域，壓力驅(qū)動進樣的壓力泵/壓力控制器因采用傳感器測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來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，由此便可通過PC端的操作軟件實現(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)行微流控實驗的基本控制和復(fù)雜任務(wù)控制。

ESI微流控軟件可以輕松實現(xiàn)許多應(yīng)用比如連續(xù)流流體的產(chǎn)生、體積計量、動態(tài)流動剖面的生成、光流體控制等等。

ESI微流控軟件的特色和優(yōu)勢

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的全部儀器。結(jié)合微流體流量傳感器，其會成為用戶友好的強大的流量控制器。

使用預(yù)定義模式可創(chuàng)建、監(jiān)控和修改實時復(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)建儀器實驗參數(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，同時保持控制器的當(dāng)前狀態(tài)并同時考慮修改。

3、自動化您的實驗

Scheduler提供了一種用戶友好的方式來自動執(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，控制實驗時間，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驗

ESI微流控軟件可以表征您的實驗（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16臺儀器。結(jié)合我們的National Instrument DAQ，其可以實現(xiàn)儀器之間的wan美同步。

ESI微流控軟件提供了直觀的界面，增強了從一臺儀器到另一臺儀器的導(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微流控軟件只需點擊幾下便可輕松的控制微流體通路。

為此，Elveflow開發(fā)了一個適合我們幾個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

以用戶定義的時間間隔來記錄任何數(shù)據(jù)，Z高可達100Hz。所記錄的數(shù)據(jù)是存儲文件，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)化計算機的活動內(nèi)存以便進行長期實驗。

使用圖表顯示實時數(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驗程序中。

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信號流技術(shù)。信號流（Signal Streaming）結(jié)合了三種創(chuàng)新的硬件和軟件級設(shè)計元素，可通過USB實現(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)和您實驗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)進行實時的細胞培養(yǎng)對很多生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的工作人員來講是一個重大的挑戰(zhàn)和機會，通過該技術(shù)可以大規(guī)模的降低實驗耗材消耗，提高實驗轉(zhuǎn)化效率，模擬實際生物環(huán)境下的細胞生長行為等。在科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用中，活細胞成像的細胞培養(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胞培養(yǎng)實驗呢？答案是有的，Elveflow微流控灌注套裝（Perfusion Pack）結(jié)合ALine公司的Microslides便可以完成細胞培養(yǎng)實驗。

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

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

也可以隨時關(guān)注我們的微信公眾號：信號測量與微流控系統(tǒng)

如何使用壓力控制器進行超精確和響應(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驗應(yīng)用中Z常用的系統(tǒng)。然而，由于壓力控制獨特的性能可以增強實驗，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)動的流量控制如何工作，不同驅(qū)動控制技術(shù)的優(yōu)點/缺點以及如何根據(jù)您的要求在注射泵和壓力控制之間進行選擇。

組件列表
（1）微流體OB1 MK3流量控制器

（2）樣品儲液池

（3）液體流量傳感器

實驗裝置連接圖：將您的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為強大的注射泵
壓力驅(qū)動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)時間內(nèi)無脈沖流動，包括在樣品儲液池內(nèi)使用氣體輸入壓力，以便將液體從儲液池流到您的微流體實驗裝置。

流量控制原理
壓力控制器對儲液池如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：樣品儲液池被加壓，氣體推動液體表面，流體將流過出口。因此，控制儲液池的輸入氣體的壓力將能夠控制流出儲液池的液體。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)動流量控制的一個優(yōu)點在于能夠處理數(shù)百mL的流體體積。因此，您可以將您的系統(tǒng)變成一個強大的注射泵。

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，壓力控制器將自動調(diào)節(jié)壓力以便達到所設(shè)定的液體流量值。

優(yōu)點/弱點

性能：注射泵 VS 壓力控制
注射器泵的主要優(yōu)點是它們非常易于使用，并且微流體實驗中使用注射泵的兩個主要缺點是在設(shè)置新的液體流速時，由于電機步進而導(dǎo)致的流動振蕩的響應(yīng)時間較慢。芯片內(nèi)部的流量變化可能需要幾秒到幾小時（請參見：為什么注射泵在微流體實驗中具有較低的響應(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與反饋回路集成來控制壓力和流量。因為當(dāng)微流體研究人員需要高流量響應(yīng)性，高流動穩(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，他們主要使用壓力控制器。

響應(yīng)時間和穩(wěn)定性

結(jié)論
如前所述，每個系統(tǒng)都有其缺點和優(yōu)點。注射泵方便，并且已經(jīng)使用了很長時間。然而，當(dāng)設(shè)置復(fù)雜或需要精細控制時，性能受到限制（響應(yīng)時間，振動等等），這在微流體實驗中經(jīng)常碰到這種情況。

壓力控制越來越多地被使用，因為它是為微流體開發(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），并開始進入其它相關(guān)領(lǐng)域，如生物學(xué)和化學(xué)。同時，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，可以針對實驗的需求而加以選擇，同時這些選配件的價格下降使得其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。

Elveflow同時提供壓力控制器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。

微流控起始入門套裝包含微流體實驗需要的所有組件，可以滿足您立即開始您的微流體控制實驗。該起始套裝基于Elveflow流行的OB1壓力&真空流量控制且易于使用，滿足70%的微流體研究人員的需求。此外，微流控起始套裝與Elveflow其他產(chǎn)品如低流量流量計MFS/BFS、流體切換閥等完全兼容，滿足您特定實驗需求而逐步升級。

微流控起始套裝中的壓力驅(qū)動泵OB1是當(dāng)前唯yi一款基于壓電技術(shù)的流量控制器，主要優(yōu)點是消除了任何液體流動振蕩，并實現(xiàn)了非?？焖俚牧髁孔兓?，同時保持了極其穩(wěn)定的狀態(tài)。

從簡單的單通道微流體流動到多通道液滴實驗，微流控起始套裝均可滿足這些應(yīng)用需求。整個系統(tǒng)由功能強大的ESI操作軟件控制，該軟件可讓您輕松設(shè)置壓力并監(jiān)控實驗，甚至可以全自動運行實驗。

微流控起始套裝包含的組件
（1）4通道微流體壓力&真空流量控制器

（2）4個15mL樣品儲液池

（3）所有必需的配件：PTFE導(dǎo)管、接頭連接器、過濾器等

（4）圖形界面操作軟件ESI
       

基本示例：微流控芯片的液體注入

為什么要使用微流控技術(shù)？
微流體學(xué)是處理和控制流體的科學(xué)，流體體積通常在微升到皮微升的范圍內(nèi)。微流控技術(shù)為多個學(xué)科的許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域帶來了很多益處，例如：
—樣品和試劑消耗極低
—高度可重復(fù)性
—控制實驗條件（溫度、混合、壓力等）
—易于自動化
—連續(xù)過程控制

適用于所有Elveflow儀器的免費軟件
——強大、模塊化和多功能的實驗裝置控制的解決方案

ESI操作軟件可以通過同一個接口控制多達16臺儀器。借助TTL觸發(fā)器，您可以將Elveflow系統(tǒng)與實驗室中使用的任何其他儀器（光學(xué)顯微鏡或任何電子儀器等）同步。Scheduler是一種用戶友好的使用工具，可自動執(zhí)行實驗和方案的復(fù)雜步驟，節(jié)省您的寶貴時間。

體積注入模塊
 

輸入目標(biāo)液體體積，該模塊將在合適的時間自動調(diào)整流速以將液體注入。

流體系統(tǒng)優(yōu)化模塊
 

微流體實驗系統(tǒng)路徑的自動診斷功能，并給出改善建議，從而提高實驗系統(tǒng)的流體流動性。

氣泡檢測模塊
 

不再經(jīng)受氣泡的危害了！

傳感器校準(zhǔn)模塊
 

在校準(zhǔn)協(xié)議過程中，不要浪費寶貴的時間。

微流控起始套裝可升級選項
直接控制液體流量

通過添加Elveflow的流量傳感器MFS或BFS，您可以在ESI軟件上從壓力控制切換到流量控制。這些流量傳感器與ESI軟件及其內(nèi)置的反饋回路控制相結(jié)合，可以實時監(jiān)控液體的流量。此外，您還可以設(shè)定一個流量值，利用反饋控制回路，您的系統(tǒng)將通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力來快速準(zhǔn)確地達到所設(shè)定的流量。

升級您的OB1流量控制器

OB1流量控制器是一款功能強大的儀器，可以根據(jù)您的需求量身定制。我們提供從-900mbar到8000mbar的不同壓力通道，用于真空和/或壓力的輸出控制。您后續(xù)可以根據(jù)實驗?zāi)繕?biāo)而升級OB1流量控制的通道。

添加芯片以制備液滴、細胞包裹等

Elveflow提供了針對特定應(yīng)用而設(shè)計的各種芯片，例如液滴發(fā)生器、流動聚焦芯片、細胞包裹芯片等。

微流控起始入門套裝包含微流體實驗需要的所有組件，可以滿足您立即開始您的微流體控制實驗。該起始套裝基于Elveflow流行的OB1壓力&真空流量控制且易于使用，滿足70%的微流體研究人員的需求。此外，微流控起始套裝與Elveflow其他產(chǎn)品如低流量流量計MFS/BFS、流體切換閥等完全兼容，滿足您特定實驗需求而逐步升級。

微流控起始套裝中的壓力驅(qū)動泵OB1是當(dāng)前唯yi一款基于壓電技術(shù)的流量控制器，主要優(yōu)點是消除了任何液體流動振蕩，并實現(xiàn)了非?？焖俚牧髁孔兓?，同時保持了極其穩(wěn)定的狀態(tài)。

從簡單的單通道微流體流動到多通道液滴實驗，微流控起始套裝均可滿足這些應(yīng)用需求。整個系統(tǒng)由功能強大的ESI操作軟件控制，該軟件可讓您輕松設(shè)置壓力并監(jiān)控實驗，甚至可以全自動運行實驗。

微流控起始套裝包含的組件
（1）4通道微流體壓力&真空流量控制器

（2）4個15mL樣品儲液池

（3）所有必需的配件：PTFE導(dǎo)管、接頭連接器、過濾器等

（4）圖形界面操作軟件ESI
       

基本示例：微流控芯片的液體注入

為什么要使用微流控技術(shù)？
微流體學(xué)是處理和控制流體的科學(xué)，流體體積通常在微升到皮微升的范圍內(nèi)。微流控技術(shù)為多個學(xué)科的許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域帶來了很多益處，例如：
—樣品和試劑消耗極低
—高度可重復(fù)性
—控制實驗條件（溫度、混合、壓力等）
—易于自動化
—連續(xù)過程控制

適用于所有Elveflow儀器的免費軟件
——強大、模塊化和多功能的實驗裝置控制的解決方案

ESI操作軟件可以通過同一個接口控制多達16臺儀器。借助TTL觸發(fā)器，您可以將Elveflow系統(tǒng)與實驗室中使用的任何其他儀器（光學(xué)顯微鏡或任何電子儀器等）同步。Scheduler是一種用戶友好的使用工具，可自動執(zhí)行實驗和方案的復(fù)雜步驟，節(jié)省您的寶貴時間。

體積注入模塊
 

輸入目標(biāo)液體體積，該模塊將在合適的時間自動調(diào)整流速以將液體注入。

流體系統(tǒng)優(yōu)化模塊
 

微流體實驗系統(tǒng)路徑的自動診斷功能，并給出改善建議，從而提高實驗系統(tǒng)的流體流動性。

氣泡檢測模塊
 

不再經(jīng)受氣泡的危害了！

傳感器校準(zhǔn)模塊
 

在校準(zhǔn)協(xié)議過程中，不要浪費寶貴的時間。

微流控起始套裝可升級選項
直接控制液體流量

通過添加Elveflow的流量傳感器MFS或BFS，您可以在ESI軟件上從壓力控制切換到流量控制。這些流量傳感器與ESI軟件及其內(nèi)置的反饋回路控制相結(jié)合，可以實時監(jiān)控液體的流量。此外，您還可以設(shè)定一個流量值，利用反饋控制回路，您的系統(tǒng)將通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力來快速準(zhǔn)確地達到所設(shè)定的流量。

升級您的OB1流量控制器

OB1流量控制器是一款功能強大的儀器，可以根據(jù)您的需求量身定制。我們提供從-900mbar到8000mbar的不同壓力通道，用于真空和/或壓力的輸出控制。您后續(xù)可以根據(jù)實驗?zāi)繕?biāo)而升級OB1流量控制的通道。

添加芯片以制備液滴、細胞包裹等

Elveflow提供了針對特定應(yīng)用而設(shè)計的各種芯片，例如液滴發(fā)生器、流動聚焦芯片、細胞包裹芯片等。

利用微流控技術(shù)在微流控芯片通道內(nèi)進行實時的細胞培養(yǎng)對很多生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的工作人員來講是一個重大的挑戰(zhàn)和機會，通過該技術(shù)可以大規(guī)模的降低實驗耗材消耗，提高實驗轉(zhuǎn)化效率，模擬實際生物環(huán)境下的細胞生長行為等。在科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用中，活細胞成像的細胞培養(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胞培養(yǎng)實驗呢？答案是有的，Elveflow微流控灌注套裝（Perfusion Pack）結(jié)合ALine公司的Microslides便可以完成細胞培養(yǎng)實驗。

在為您的實驗應(yīng)用選擇注射泵時，壓力可能是一個重要的考慮因素，但是如何知道哪個泵可以滿足要求呢？使用單個注射器或者多個注射器都會影響壓力。要計算泵的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理。我們還將通過示例計算力和壓力。希望通過本文的介紹，您將對注射泵的工作方式有更深入的了解。

線性力基礎(chǔ)
注射泵使用步進電機線性致動器，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為線性運動，這意味著電動機的力將從扭矩傳遞到線性力。為了計算給定設(shè)備中的線性力，我們必須考慮4個因素：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電機提供的力，但是，凈力由于摩擦而減小（在較高的速度下為較低的力）。實際上，摩擦力被當(dāng)作校正效率方面反映電動機Z大力的一個因素。效率還受到執(zhí)行器中使用的螺桿（長度和螺距）的影響，螺桿改變了移動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算線性力。

線性力=（馬達或電機的Z大力 × 2π × 效率）/螺距

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

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

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)。回想一下，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個直徑為0.3-inch的注射器，則每個注射器承受的力和壓力是所計算壓力的一半。注射泵的優(yōu)點之一是，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于實驗應(yīng)用選擇正確的型號是非常重要的，例如，粘性液體需要更高的壓力，或者您可能想要使用多個通道。

微流控技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于各個領(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)注的一個熱點。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。

微流體學(xué)的Z終目標(biāo)是實現(xiàn)所謂的芯片實驗室，即將通常在實驗室中進行的所有實驗活動都整合到一個微流體芯片上操作。在過去的幾年中，微流控朝著這個方向邁出了巨大的步伐：微流控設(shè)備廣泛的應(yīng)用于從物理到生物醫(yī)學(xué)的許多應(yīng)用領(lǐng)域。此外，單個微流控芯片上植入多種功能不僅在便攜性和成本上具有明顯的優(yōu)勢，而且小型化還可以研究細胞量級的生化現(xiàn)象。

微流控的這些優(yōu)良的特性激發(fā)了研究人員對微流控技術(shù)在細胞培養(yǎng)相關(guān)研究中的廣泛興趣。實際上，使用微流控芯片既可以培養(yǎng)樣品，又可以在同一平臺上進行所需要的實驗觀察。然而，微流控芯片中的細胞培養(yǎng)具有很大的挑戰(zhàn)性。實際上，細胞培養(yǎng)Z重要的問題之一是通過微流控芯片將細胞從外部撕裂，從而無法直接監(jiān)視其微環(huán)境。在這方面，探測培養(yǎng)室內(nèi)部Z重要的參數(shù)之一是pH值。實際上，細胞會影響其周圍環(huán)境，例如在呼吸過程中會產(chǎn)生二氧化碳和/或乳酸，從而酸化培養(yǎng)室的微環(huán)境。由于典型的微流控培養(yǎng)室中所含的液體量極低（約1μL左右），因此，這些自然過程的影響會變得更加重要。

因此，能夠動態(tài)地測量甚至是控制微流體裝置內(nèi)的pH值是微流體應(yīng)用的關(guān)鍵主題。在以下部分中，將會簡要介紹微流體器件中實現(xiàn)pH監(jiān)控的幾種方法。此外，補充說明中，還介紹了集成在微流體器件中的用于pH測量的固態(tài)傳感器的基本原理。

微流控中的光學(xué)pH監(jiān)控
當(dāng)前大多數(shù)細胞培養(yǎng)基都包含簡單的pH指示劑例如酚紅，這些化合物分子的特征在于其能夠根據(jù)周圍環(huán)境的pH值改變顏色。因此，該特性允許進行簡單但粗略地監(jiān)測中等pH值。然而，為了能夠通過光學(xué)方法進行pH的定量測量，需要具有相當(dāng)長的吸收光的路徑，這對于微流體器件而言顯然是不可能的。

Magnusson等（2013）開發(fā)了一種技術(shù)，該技術(shù)可以克服光吸收路徑長的問題，在成像區(qū)域中實現(xiàn)非吸收性部件，從而可以進行定量和精確的pH測量。該技術(shù)的前提條件是需要在使用非吸收性液體進行任何測量之前對光源進行嚴(yán)格的校準(zhǔn)。這種技術(shù)的主要優(yōu)點是僅僅需要標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備例如透射光顯微鏡和帶有CCD傳感器的數(shù)碼相機，這在大多數(shù)生物醫(yī)學(xué)研究實驗室中都可以找到。以下部分介紹了該技術(shù)的基本工作原理。

圖 1

如圖1所示，從微流體器件發(fā)出的光被光學(xué)顯微鏡中的物鏡收集，然后被選定的帶通濾波片綠光，然后通過旋轉(zhuǎn)鏡將光線輸送到相機的CCD傳感器上。當(dāng)添加吸收介質(zhì)如包含酚紅的溶液時，到達相機的光強度將具有以下形式：

其中，λi是酚紅的兩個吸收波長（酸和堿性形式），∝i是相應(yīng)的吸收系數(shù)，ρ是酚紅的濃度，d是微流體器件的厚度。為了確定兩個吸收系數(shù)之間的比率，在不使用酚紅介質(zhì)的情況下執(zhí)行校準(zhǔn)測量，以便忽略對它的依賴性。因此，我們有：

為了避免時間變化，在成像幀中不僅捕獲培養(yǎng)室圖像，還捕獲芯片附近的空白區(qū)域，與校準(zhǔn)測量值相比，該空白區(qū)域不應(yīng)該顯示吸收。因此，該區(qū)域中的相對強度提供了比率即在校準(zhǔn)（t0）和測量（t1）之間的時間內(nèi)光源強度的變化。對兩個酚紅的吸收波長重復(fù)該過程，然后將兩個獲得的值相除，得出：

先前表達式的自然對數(shù)給出了酚紅的兩個吸收系數(shù)之間的比率。該比率使用以下表達式給出細胞培養(yǎng)環(huán)境的pH值：

需要注意的是，pH值還取決于其他因素，例如溫度和所用的特定細胞培養(yǎng)基。采用的設(shè)備是帶有12個培養(yǎng)室和內(nèi)置閥的PDMS微流體芯片，用于沖洗和培養(yǎng)基供應(yīng)，其設(shè)計由Gomez-Sjober等人（2007）開發(fā)。為了捕捉不同波長的圖像，使用了一些寬度為10nm的商業(yè)帶通濾波片（以430nm和560nm為ZX，以匹配酚紅吸收峰）。該系統(tǒng)是自動化的，可以通過MATLAB軟件進行操作。

圖 2

圖2給出了使用此技術(shù)進行pH測量的可靠性和可重復(fù)性的一些結(jié)果。測量偏差的主要來源是由于沖洗不完全、沖洗不徹底和化學(xué)痕跡而導(dǎo)致的腔室之間的波動。此外，PDMS對苯酚分子的吸收會引起時間上的連續(xù)偏差，該偏差可以通過在pH測量中引入時間函數(shù)偏差來進行解決。

總之，通過使用標(biāo)準(zhǔn)生命科學(xué)儀器進行簡單的設(shè)置，該方法可提供可靠且精確的pH測量值（對于pH≈7-8，Z大靈敏度＜0.005）。此外，它利用了nL量級的少量培養(yǎng)基，因此，與傳統(tǒng)的pH控制方法相比，降低了昂貴的成本。此測量方法的主要缺點是由于腔室的沖洗不徹底以及微流體器件對吸收介質(zhì)的吸收，pH值出現(xiàn)了意想不到的偏差。

使用混合EIS傳感器/微流體器件進行pH測量
Lin（2013）等開發(fā)了一種能夠同時監(jiān)測pH和葡萄糖水平的微流體裝置。圖3示意圖顯示了組成芯片的各個層。從底部開始，有一個電解質(zhì)-絕緣體-半導(dǎo)體（EIS）傳感器粘接到帶有內(nèi)置鋁電極的玻璃基板上，以便傳導(dǎo)來自EIS傳感器底部的傳感器信號。然后，將兩個PDMS層用于樣品的流體處理。特別是，一層承載微流體通道，而另一層PDMS則內(nèi)置六個氣動泵，用于流量調(diào)節(jié)和樣品加載。重要的是這些泵也可以充當(dāng)閥門的功能：實際上，自動壓縮空氣流會將PDMS層偏轉(zhuǎn)到通道上，從而調(diào)節(jié)或阻塞下面的樣品流。Z后，在器件的底部，玻璃基板上有一個Ag/AgCl薄膜參比電極，可為pH測量提供參比電位。

圖 3

下面簡要介紹監(jiān)測pH值的工作原理。EIS傳感器的平帶電壓由以下表達式定義：

其中，Eref是參考電極電勢，Xsol是溶液的表面偶極電勢，Φsi是硅功函數(shù)，q是電荷，Qss是硅表面每單位面積的表面態(tài)密度，Qox是每單位面積的固定氧化物電荷，Cox是每單位面積的柵極絕緣體電容，ψ是表面電勢。在前面的表達式中，唯yi的自由參數(shù)是表面電勢，因此，EIS傳感器的平帶電勢的變化僅由表面電勢的變化決定，從而也就是由周圍環(huán)境pH的變化確定。

為了驗證系統(tǒng)的性能，已將四種具有已知pH值（4.03、6.70、7.40和9.57）的溶液注入腔室內(nèi)。

圖 4

圖4是Lin等（2013）人的實驗結(jié)果。所達到的高線性度（0.9996）表示可以在不同樣品加載之間對腔室進行有效沖洗。此外，該系統(tǒng)能夠使用非常少量的試劑（約102μL）進行操作。所有測量都是自動進行的，從而避免了與手工操作引起的污染有關(guān)的任何問題。

使用基于反饋的微流體系統(tǒng)調(diào)節(jié)pH值
本部分提出了另一種能夠監(jiān)測pH值的微流體器件。該器件由Welch和Christen（2014）開發(fā)，利用PDMS芯片進行管理，該芯片可以管理液體以及用于測量pH值的離子選擇場效應(yīng)晶體管（ISFET）。該器件的主要功能是不僅可以進行pH探測，還可以自動調(diào)節(jié)液位。實際上，在PDMS芯片（圖5）中，有兩個具有堿性（pH+）和酸性（pH-）溶液的儲液池。這些儲液池的輸出由兩個閥門控制，這兩個閥門調(diào)節(jié)流出的流量以及后面的混合，從而可以主動控制暴露于ISFET傳感器的混合溶液的pH值。

圖 5

如上所述，該器件是通過常規(guī)的PDMS軟光刻技術(shù)加工而成的。聚合物結(jié)構(gòu)位于形成微通道基礎(chǔ)的硅基底上。其向位于pH傳感器所在的反應(yīng)室中的酸和堿性溶液在反應(yīng)室之前在兩個微通道的結(jié)合處混合。第三個無閥輸入通道用于為傳感器校準(zhǔn)目的提供標(biāo)準(zhǔn)pH緩沖液。相同的硅基板支撐著由兩個電極組成的ISFET：一個用于參考，另一個用于感應(yīng)。軟件根據(jù)傳感器的讀數(shù)控制閥門。為了計算輸出信號以管理pH值，使用了比例微分（PD）反饋控制算法。已經(jīng)證明該系統(tǒng)可以實時控制芯片內(nèi)部反應(yīng)室中溶液的pH值。這是通過在0.14pH值的增加和減少方向上進行反饋控制的步進實現(xiàn)的。Z后，該系統(tǒng)能夠在操作員Z初輸入后的20秒內(nèi)穩(wěn)定達到pH設(shè)定值。

通過基于水凝膠的微流控芯片主動調(diào)節(jié)pH值
水凝膠是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中越來越重要的一類材料。水凝膠能夠在聚合物鏈之間捕獲水分子的聚合物基質(zhì)。此功能使他們無需任何外部電源即可更改其形態(tài)。此外，此類材料具有高度的生物相容性和耐用性，因此，在文件科學(xué)家的應(yīng)用中非常具有優(yōu)勢。特別地，前述的由環(huán)境參數(shù)的變化觸發(fā)的形狀和尺寸變化的能力可以使它們成為旨在控制pH的良好材料。Atwe等（2014年）利用此功能設(shè)計了一種微流體器件，該器件使用水凝膠作為微閥來根據(jù)其pH值控制流量。pH敏感的水凝膠具有酸性或堿性基團，可以通過使它們流過特定pH的介質(zhì)來觸發(fā)電離。這種電離導(dǎo)致抗衡離子從周圍區(qū)域流入凝膠，Z終導(dǎo)致水分子流均衡凝膠邊界兩側(cè)之間的滲透壓。因此，為了維持該壓力梯度，水凝膠根據(jù)pH的變化而發(fā)生膨脹。水凝膠的這種pH依賴性擴展是在微流體通道中創(chuàng)建微閥的基本原理。實際上，在Atwe的器件中，水凝膠切片已包含在PDMS芯片內(nèi)部的微通道網(wǎng)絡(luò)中，因此，流路可以根據(jù)流動介質(zhì)的pH值自動變窄或自行擴展，從而實現(xiàn)pH值相關(guān)的流量調(diào)節(jié)。

圖 6

圖6顯示了該過程的示意圖：中等pH值會使水凝膠收縮，從而使微通道的直徑從Db減小到Da（Db＜Da）。圖7顯示了在各種pH下，由于離子的吸收，孔尺寸發(fā)生的變化。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)Z大變化發(fā)生在pH=3時，其中孔從平均直徑20μm穿過到平均值3μm。因此，可以推斷出當(dāng)流動介質(zhì)處于pH=3時，泵的效率Z大。

圖7

補充說明
pH的概念源于Lavoisier和Arrhenius，他們在18世紀(jì)以更科學(xué)的方式研究了這種化學(xué)特性。確實，在他們之前，“酸”和“堿”之間的分類被認(rèn)為是可觀察或感知到的諸如口味之類的特性。Arrhenius首先提出了pH值與給定物質(zhì)中的電荷載體有關(guān)的假設(shè)。特別是，他推斷氫離子在酸性物質(zhì)中攜帶電流，而在堿性物質(zhì)中以離子形式運動。

到目前為止，pH的正式定義為：

其中，公式中的系數(shù)是水合氫離子在摩爾尺度上的活度。此外，在電解質(zhì)溶液中，使?jié)舛忍荻扰c電梯度相關(guān)的公式為Nerst方程：

其中，E是電解質(zhì)的電勢，E^-是標(biāo)準(zhǔn)電勢，R是通用氣體常數(shù)，T是溫度（以開爾文為單位），z是反應(yīng)過程中轉(zhuǎn)移的電子摩爾數(shù)，F(xiàn)是法拉第常數(shù)，Q_r是反應(yīng)商。該方程式是用于pH測量的固態(tài)傳感器（例如離子選擇場效應(yīng)晶體管（ISFET））實現(xiàn)的基礎(chǔ)（圖8）。實際上，對于這些電位離子傳感器，即其電勢作為離子濃度的函數(shù)進行測量的傳感器，Nerst方程規(guī)定電極電勢是該傳感器侵入其中的電解質(zhì)溶液中離子活度的直接對數(shù)函數(shù)。實際上，對于ISFET的平帶電壓，得出的公式為：

其中，除φ_0外，所有項都是常數(shù)。因此，ISFET電勢與表面電勢的直接相關(guān)性使得ISFET對電解質(zhì)pH敏感。ISFET類似于金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET），實際上可以用相同的等效電路對其進行等價（圖9，c）。

圖 8

兩者之間的宏觀差異是MOSFET的金屬柵極（圖9，a）被參比電極的金屬（圖9，b）代替。參比電極只是金屬線和水溶液之間的接觸點，用于確定該溶液的電勢。實際上，參比電極例如由AgCl線（具有不溶性AgCl涂層的銀）在KCl溶液中以恒定濃度組成。根據(jù)能斯特方程式，電化學(xué)耦合的形成產(chǎn)生恒定的電勢。參比電極的內(nèi)部溶液與必須通過勢壘（所謂的熔塊）測量電位的溶液接觸。請注意，對于這種類型的電位傳感器，必須使感測材料（膜）導(dǎo)電，因為測量電路必須“閉合”。換句話說，參比電極以穩(wěn)定的方式將穿透氧化物的電場耦合到“電子世界”。如果氧化物的外表面與與氧化物接觸的離子溶液處于平衡狀態(tài)，則產(chǎn)生的界面電位將調(diào)節(jié)電場，因此，在“離子世界”和“電子世界”之間提供了wan美而穩(wěn)定的接觸。

圖 9

此外，在ISFETS的情況下，柵極電壓是參考電極上的電壓，通常為零（接地參考電極），但是閾值電壓包含在一側(cè)反映液體和柵極氧化物之間界面的項，并且液體和參比電極在另一側(cè)。因此，設(shè)計具有Z大靈敏度和選擇性的pH敏感ISFET需要對氧化物-電解質(zhì)界面進行詳細研究，以便能夠選擇Z佳氧化物，而氧化物并不是MOSFET所用的二氧化硅。

參考文獻
http://en.wikipedia.org/wiki

A. Atwe, A. Gupta, R. Kant, M. Das, I. Sharma, S. Bhattacharya. A novel microfluidic switch for pH control using Chitosan based hydrogels. Microsystem Technologies (2014), 20:1373-1381.

L. Florea, C. Fay, E. Lahiff, T. Phenal, N.E. O’Connor, B. Corcoran, D. Diamond, F. Benito-Lopez.Dynamic pH mapping in microfluidic devices by integrating adaptive coatings based on polyaniline with colorimetric imaging techniques. Lab on a chip (2013), 13:1079-85.

P. Bergveld. ISFET, theory and practice. IEEE sensor conference Toronto (2003), avalaible at .

Y.-H. Lin, A. Das, M.-H. Wu, T.-M. Pan, C.-S. Lai. Microfluidic chip integrated with an electrolyte-insulator-semiconductor sensor for pH and glucose level measurement. Int. J. Electrochem. Sci. (2013), 8:5886-5901.

E. B. Magnusson, S. Halldorsson, R.M.T. Fleming, K. Leosson. Real-time optical pH measurement in a standard microfluidic cell culture system. Biomedical optics express (2013), 4:1749-58.

A. Persat, R. Chambers. Basic principles of electrolyte chemistry for microfluidic electrokinetics (Part I). LAb on a chip (2009), 9:2437-53.

D. Welch, J. Christen. Real-time feedback control of pH within microfluidics using integrated sensing and actuation. Lab on a chip (2014), 14:1191-7.

微流體的流體輸送需要引起特別的注意。PneuWave泵是一款高性能的氣壓泵，具有流量傳感和可追溯性。而且，這一切都是電動的！

 微流體輸送泵的新時代

內(nèi)部壓縮機對流體容器加壓，導(dǎo)致流體從容器內(nèi)流出。內(nèi)部流量傳感器測量通路上的流體流量。壓力和流量數(shù)據(jù)由板載微處理器監(jiān)控，微處理器在需要時會自動對壓力系統(tǒng)進行調(diào)整。

PneuWave氣壓泵對流體容器加壓，容器的體積范圍可以從幾個μL到大于1 L，容器采用安靜、集成的微型壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)加壓。一旦容器加壓，容器內(nèi)的流體流入管道。在線流量傳感器測量實際的流量。當(dāng)在流量控制模式下操作時，流量傳感器和壓縮機調(diào)節(jié)系統(tǒng)都與微處理器連續(xù)通信?；诹髁總鞲衅髯x數(shù)，微處理器向壓縮機調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)送命令，允許以nL分辨率進行高度精確的流量控制。通過這種方式，可以實現(xiàn)可編程的流動剖面?；蛘?，PneuWave氣壓泵可以在壓力控制模式下工作，其中壓縮機調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)置在用戶定義的值，并且不再進行基于流量傳感器讀數(shù)的任何調(diào)節(jié)。在流量控制模式和壓力控制模式下記錄流量和壓力。

包含在PneuWave氣壓泵中：

l  集成內(nèi)部流量傳感器

l  集成內(nèi)部壓力傳感器

l  集成內(nèi)部壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)

l  集成內(nèi)部板載微處理器

l  超過用戶定義的Z大壓力時安全關(guān)閉

l  可選使用外部氣源供應(yīng)

l  Falcon導(dǎo)管的壓力帽

l  PC軟件

l  LabVIEW VI

l  前面板顯示控制

l  可在板上存儲多個校準(zhǔn)

PneuWave氣壓泵的可選件：

l  各種壓力帽

l  壓力室

l  導(dǎo)管/適配器/聯(lián)合接頭

l  帶集成驅(qū)動電子設(shè)備的液體隔離閥

l  用于模擬輸出，觸發(fā)和報警的I/O模塊

l  用于生成不同液體校準(zhǔn)的軟件

主要特點

l  內(nèi)置一個安靜的壓縮機 – 全電動！無需外部壓縮機！

l  精確、準(zhǔn)確的流體流量控制

l  納升分辨率

l  基于氣動模式，帶集成流量傳感器的閉環(huán)

l  無脈沖流動

l  響應(yīng)時間快，穩(wěn)定性好

l  無限制的流體儲液池容積

l  通過用戶友好的控制軟件實現(xiàn)可編程的流體輸送

l  可以通過前顯示器或PC軟件（獨立和LabVIEW）進行操作

l  可配置1到8個通道

l  獨立控制或與PC同步

l  可以在流速或壓力控制模式下運行

l  可以存儲多個校準(zhǔn)，以便對不同液體進行精確的流速控制

l  低死體積的流體路徑

l  兼容多種化學(xué)品

l  高性能

l  非常適用于微流體應(yīng)用

l  可選的擴展I/O功能

流量規(guī)格參數(shù)

想要更多了解微流控氣壓泵PneuWave的詳細詳細，請查看鏈接：http://m.sdczts.cn/zt10926/product_294731.html