微流体精确控制装置——微分配器

微分配器介绍及分类

在化学和生物医学分析领域，给药和分析应用中通常需要精确的液体量，微分配器是这个过程中的重要设备。微分配器可以看作是微给药系统、微注射器或微吸管。一般来说，微分配器被分为闭环控制分配器或开环控制分配器。

闭环控制分配器是具有流体执行器和流量传感器的复杂系统。流体执行器是一个微型泵或微型阀。在闭环控制分配器中，流量信号被反馈给一个控制器，并与设定值进行比较。来自控制器的控制信号连接到泵的执行器或阀门，以调节设定的流量。

这种类型的分配器适用于连续流动系统。对于固定量的流体，在系统的启动和停止阶段可能会发生错误。

开环控制分配器是一种单一的装置，可分为液滴分配器和通道内分配器。液滴分配器产生恒定体积的外部液滴，用于喷墨打印等应用。通道内分配器配备液滴在同一芯片或其他系统上进一步使用。

通道内分配器目前被认为是基于连续流液滴的微流体分支，其中包含了各种通道内液滴生成的方法，主要用于化学、材料和药物科学。

一般来说，分配器可以根据驱动原理和液滴形成的分裂模式进行分类。通道内液滴的形成可以通过被动和主动的方法来实现。

在被动微流控装置中，通过在连续液体中引入一种不混溶的流体（称为分散流体），可以产生液滴形成的流体不稳定性。在主动装置中，使用外部能量源改变了液滴形成的界面不稳定性。

常用的微分配驱动方法，即液滴形成，有热气动（热气泡）、热机械、静电、压电、气动、电化学和电动。液滴分配器具有大量同时给药的优势，这在生化应用中很常见。通道内分配器操作简单，具有单片集成的优点。

在微流体文献中，基于液滴的微流体还包括使用电润湿或介电泳对平面表面上的离散液滴的操作，这被称为数字微流体。

微分配器
闭环控制分配器	开环控制分配器
泵和流量传感器 阀门和流量传感器	液滴分配器	通道内分配器
	热气动 热机械 静电 压电	有源	无源
		磁力 电力 压电 声表面波 机械 热力

通道内分配器的应用

通道内液滴形成的主要应用包括细胞培养、药物载体的微粒制造、高通量单细胞筛选和药物测试。

具有微升体积的液滴为细胞培养提供了合适的微环境，并能精确控制细胞计数和细胞型。在液滴中捕获的细胞可以进行分析和操作，如果通过设备和液滴提供足够的氧气运输，甚至可以进行培养。

培养物可以通过荧光蛋白的表达或细胞的数量进行分类。液滴内细胞的裂解也可以通过各种方法实现，如电穿孔，在液滴形成过程中将裂解缓冲液体积引入细胞液滴。

使药物负荷持续释放，可以通过使用双或多乳剂修改液滴的内部结构来调整颗粒的药物释放谱。决定药物负荷和释放时间的粒度可以通过调节溶液的流量、表面张力和粘度来控制。

无源通道内液滴的形成

多相系统中液滴形成的发展使微流体出现一个新的类别，称为基于流滴的微流体，主要处理液滴的形成分析系统的取样目的或制药和材料科学的微胶囊和微粒合成。这一概念可以应用于液滴的控制分配。

液滴形成的基本条件是样品流体和载体流体不混溶。液滴形成的行为和分配的液滴的大小由两个参数决定：毛细管数和样品流动的分数。

微流控装置的构型影响了液滴的形成。主要采用交叉流、共流和流动聚焦的流体动力结构来产生液滴破裂的粘性剪切力。此外，通道限制如步进乳化、微通道乳化和膜乳化等也被用于液滴形成。

基于剪切的液滴形成的各种破裂模式分别是挤压、滴落、喷射、尖端流和尖端多断裂的。在交叉流结构中没有尖端流和尖端多断裂。

一旦粘性力低于通道壁的限制力，就会出现挤压破裂模式。这中情况发生在毛细管数较低时。这种模式发生在交叉流、共流和流聚焦结构中，其中连接区域在其生长时被分散的流体突起所阻碍。

由于增大的突起周围的连续流动受到限制，因此在穿过突起的连续流动中形成压力梯度。换句话说，连续流体中压力的增加是液滴形成的主要原因。

一旦压力梯度足够高，以克服分散液滴内部的压力，就通过挤压形成液滴。压缩的液滴通常被通道壁所限制，具有塞式几何形状。

一旦毛细管数增加，就会从压缩破裂模式转向滴式破裂模式。在这种情况下，粘性剪切力足以在液滴增长到阻塞交界处之前将其破碎。因此，液滴直径小于通道尺寸。

在流动聚焦几何形状的交叉流、共流和聚焦孔处。在这种几何结构中，粘性力主导着界面张力，界面张力负责稳定发展中的液滴，防止破裂。

有源通道内液滴的形成

利用外部能量输入形成主动液滴在控制液滴大小和生成速率方面提供了很高的灵活性。更重要的是，主动液滴的产生也可以独立控制液滴的大小和生产频率。使用额外的能源可以改变界面上影响界面不稳定性的力平衡。

界面力平衡的主动控制是通过以下方式实现的：

(1)采用外部输入，如电、磁和离心力；

(2)操纵粘性力、惯性力和毛细管力。

后者通过改变流体速度和材料特性（如界面张力、通道润湿性、流体密度和流体粘性）来实现。

可通过电极对流体通道施加高压来进行电气控制。电场的应用刺激了电荷在液-液界面上的积累，这有利于控制液滴的形成。电气控制可以在直流电（DC）、恒定或脉动电压，交流电（AC）在低频和高频的工作模式下实现。

对于含有磁性纳米颗粒的铁磁流体，通过磁性控制液滴的形成具有可行性。可以通过调节对铁磁流体的诱导磁力来控制液滴的形成。

改变磁化强度或磁场强度的梯度，可以改变对铁磁流体引起的磁力。可以通过改变磁铁的位置和类型、极性和磁场的均匀性来获得磁力的控制。

根据磁体的位置（磁场的方向）和器件的几何形状，液滴的大小及其大小的变化也会发生改变。

例如，一旦磁铁位于结的上游，磁力就会将液滴拉回来，从而推迟液滴的形成。它导致产生更大的液滴。

改变液压和流动阻力来控制流体的速度，使液-液界面不稳定，为主动控制液滴的形成提供了灵活的方法。

通过使用压电执行器，也可以改变液滴产生的通道几何形状。压电脉动导致PDMS材质的柔性通道变形，以便按需产生液滴或促进液滴的产生。压电脉冲信号的轮廓会影响液滴的大小及其尺寸的变化。

表面声波（SAW）也代表了另一种外部能量输入，以破坏液-液界面的稳定。

微通道是在一个交错的传感器（IDT）上实现的，它允许将一种液体扩散到另一种液体中。液滴的大小可以通过通道的几何形状、连续液体的流量、脉冲功率及其持续时间来调节。

液滴形成的流动操作也可以实现借助于微阀。常开和常闭的微阀可以在分散流体的通道内实现。阀膜的变形引起了流体速度的扰动。微阀可以在连接处的下游实现，将预制的液滴或流聚焦的分散流切成子液滴。