摘 要 对微型流动分离分析系统的输液形式,输液要求及存在的问题作了描述;对活塞式、隔膜式、齿轮式等目前的商品输液泵作了简要评述;并对声波式、电磁式、电渗式微泵等新颖的无活塞无阀微型输液激励方式作了前瞻性分析。
国际上微型流动分析芯片在20年前就开始出现,但是商品化的仪器则是近几年的事。微制造技术的进步使得20μm以上微通道网的设计和加工可以较容易地实现。但是如下三个问题至今没有真正解决:液体输送、检测、实际样品的预处理和进样。本文集中讨论液体输送问题。
1 微型流动分离分析系统输液形式,输液要求及存在的问题
与常规分离分析系统不同的是,微型流动分离分析系统的液体流量在nL/min级至50μL/min(即10-5~10-9L/min),并要求流量/压强可控、流动相组成和流向可控。目前微系统常用两类液体驱动形式:1)电渗驱动。如CE或CEC分离分析———没有泵系统,无压差;它的缺点是只能驱动可产生电渗流的介质,而且流量与介质有关。2)机械力驱动。如流动注射分析用的压电陶瓷输液泵, Pmax =0·2MPa;它的体积很小,制作在芯片上,但使用寿命短。还有小型注射泵,Pmax=0·7MPa,以及行星齿轮泵,其Pmax=3MPa。
微型高效分离分析系统因含有高效微型色谱柱,阻力很大,要求高压输液。微型流动分离分析系统输液的要求如下:
1)输液脉动小于3%,重现性误差<1%,流量准确度误差≤±10%,以保证保留时间的重复性和定性定量的精度;
2)高效分离分析系统,压强10(-35)MPa,液体流量50nL/min~50μL/min;
3)流动注射分析系统,压强0·2(-3)MPa,液体流量200nL/min~200μL/min;
4)更换溶剂方便,死空间小,易于清洗和更换溶剂;
5)必须耐酸、碱、有机溶剂和缓冲溶液腐蚀。
就目前的技术和输液泵的激励原理而言,流量在2μL/min以下,压强在3MPa以上的液体输送是非常困难的。因为在3MPa以上时,绝大多数的输液是靠活塞杆驱动,动态密封不可避免。动态密封的渗漏量一般在0·1μL/min以上,而且是不可控的。微型分析系统又不允许使用大泵,否则微型化的意义就大打折扣。
2 商品输液泵评述
以物理原理分类,目前的商品输液泵有如下三类:活塞式———活塞直接和流动相接触,含动态密封和单向阀,如图1所示。该类泵主要有往复泵、注射泵(包括电机、气动和电磁力驱动)。目前微型泵重250g,分辨率0·1μL,每冲程50μL,Pmax=0·2MPa和Pmax=3MPa两种。因有动态密封,在3MPa以上时μL/min级流量不准确,拌有压力和流量波动。特别在较高压强下,流量误差较大。
隔膜式———驱动力通过某种介质推动隔膜,隔膜
再压缩或吸入流动相,含单向阀,如图2所示。该类泵主要有隔膜泵(包括电机、气动、电磁力和压电驱动)和蠕动泵(主要是电机驱动)。前者在0·2MPa以上时不能提供稳定的μL/min级流量,后者流量误差大,压强低。最好的微型泵重250g,分辨率0·1μL,每冲程50μL,Pmax=0·03MPa。
齿轮式———用行星齿轮压缩流动相,含动态密封,最高输出压强3MPa。在0·3MPa以上时,μL/min级流量不准确。最小的微型泵Φ13×75mm,分辨率0·25μL,每冲程1·5μL,Pmax=0·3MPa。
以上3种输液形式在低压下(<0·2MPa)可以提供稳定的10μL/min以上流量。高压下只有特制的注射泵能够提供准确的μL/min级流量。尽管美国Isco公司宣称它的注射泵、美国Micro-Tech Scientific公司标明它的注射-往复泵都能提供0·01μL/min的流量精度和0·1μL/min的流量,其实那只是根据螺杆转动步长计算出的。至今,还没有商品化的在3MPa压强以上提供稳定准确的sub-μL /min级流量的微型机械泵!
3 新颖的无活塞无阀微型输液激励方式
目前正在研究的微型输液激励方式多种多样。一般来说,微型泵可以分为三种基本的激励方式:一种是类似于商品的机械输液泵———即有阀有活塞的微型泵,例如,压电式、静电式、热动式、声波式、电磁式。这些泵的优点是它们往往可以输送各种流体,其共同缺点是,由于有出入口动态密封,高压液体会通过动态密封部位渗漏,而且有时存在机械磨损;二是行星齿轮泵,无阀无活塞,连续输液,但有动态密封,存在渗漏和机械磨损;第三种是无阀无活塞的微型泵。如电流体动力式的、磁流体动力式的、电渗式的,光激发氧化还原反应式的,这些泵的优点是无阀无活塞、无动态密封,其缺点是只能输送某些种类的流体,除电渗泵外,其它的输出压强非常低。现择要举例说明:
3·1 热动式微型泵
热动式微型泵[1],如图3所示。该泵是典型的有阀有活塞的微型泵,和机械隔膜输液泵没有本质区别,不再赘述。
3·2 声波式微型泵
声波式微型泵———利用声流(acoustic streaming)激发,,即FPW(flexural plate wave)泵[2],如图4所示,可驱动液体和气体。当波在一薄膜上运动时,高密度声场将会在靠近膜的流体出现,声场引起液流以波的传播方向流动。膜一般用低应力的硅氮化物、具有压电效应的氧化锌和铝构成,典型厚度1~3μm,FPW的典型频率在3MHz,波长100μm。
3·3 电磁式微型泵
电磁式微型泵———直流电磁微型泵DC-MHD(magnethydrodynamic micropump),其激励原理如图5所示,图中1,2为电极板,分别接直流电源正负极,
N,S为永久性磁铁的两极,B为磁力线方向,J为电场方向,J×B为液体被驱动方向(可用右手定则判断)即Lorentz力方向。该种泵的优越性是:1)简单的构造制作过程,可以制作在硅片上,文献[3]据此原理设计了一种微通道尺寸为1mm宽,0·4mm高,40mm长的流通通道,压头(水柱)在38mA时为18mm,流速在1·8mA时为63μL/min,磁流密度为044T;2)流向双向可调,例如改变电场方向即可改变流体流向;
3)适用于中性电导液;4)用于生物医药例如药物传送或微流驱动;5)带正、负电荷的离子在Lorentz力的驱动下,将按同一方向运动,如图6所示。图中,B为磁力线方向,由纸面垂直向外,I为电场力方向,+vt为正离子运动方向, - vt为负离子运动方向, F为Lorentz力的驱动方向。
直流电磁微型泵的致命缺点是,电压稍高或溶液中电解质离子浓度较大时极易产生气泡。为了消除气泡,已经设计出用交流电供电的磁流体动力学微泵AC-MHD[4]。推动力仍然是Lorentz力,整个泵设计在硅片上,可以用于电解质溶液中。这种泵属于无阀无活塞系统,可以产生连续的、无脉动的液流,特别适用于生物样品的流动相注射。AC-MHD微泵设计的新颖之处在于,将正弦曲线的电场与一个同步的交流磁场垂直放置,由于这两个场是同步的,所以在整个过程中,Lorentz力方向将指向同一方向,当高频交流电场通过电解质溶液的时候,化学反应快速地向相反方向进行,气泡将没有机会形成,也没有电场梯度产生。
3·4 具有很大应用潜力的电渗流泵
电渗流泵———电渗泵在流动注射中的应用已多见报道,以毛细管电渗泵居多,其缺点是流量小,输出压强小(一般小于104Pa),流动稳定性差。近年来出现了一些具有实际意义的应用。何友昭,多孔芯柱电渗流泵(用于FIA系统)[5],使用数百伏低电压直流电源作为泵的工作电压,流量调节范围为每分钟数微升至毫升(μL~mL/min)级,输出压强为零点几个兆帕;缺点是泵的不间断工作时间只能持续几个小时,微升以下流量仍难以精确控制,输出压强太低。Paul等[6](美国Sandia Corporation),无活塞无阀高压输液系统,能够得到2,500Psi (即17兆帕)的压力,可以实现毛细系统的流动相“驱动”;致命问题是:高压电极表面在缓冲液体中总是要产生气体的,时间稍长就形成气泡,而气泡不可避免地进入毛细管柱中,电场梯度在气泡处变大,局部产生更高的焦耳热而使气泡体积扩大,致使液流断路和电渗中断。总之,这个专利与上述专利相反,该系统只能提供高压极低流量的“输液”,而且只能输送水的缓冲溶液,不能除气,不能连续工作,也不实用。目前美国的国家实验室和几个大学的著名分离分析科学家,如RegNIer等,都在做微流量高压输液泵的研究,但没有解决电渗泵的气泡去除问题。
电渗泵的另一个重要问题是:要产生高液压,必须用高电压。微型化要求尽量用低电压,以避免放电和绝缘问题。用类似倍增器的多级泵串联与用单级泵是一回事,因为多组浮地的电源串联的电压是每组之和,即VTotal=ΣVi,式中Vi是第i组供电电压,且对绝缘的要求也是VTotal。当然,PTotal=ΣPi,式中Pi是第i组泵的压强。这与用单组VTotal和一支长柱子得到的结果是一样的。
我组正在研究的高压无活塞无阀微型电渗流泵[7],有4个特点:1)用物理方法消除气泡;2)用单组电源就能驱动多级串联泵,输出压强为PT=ΣkiPi ,式中0·5
参考文献
[1] Ok Chan Jeong, Sang Sik Yang, Sensors and Actuators 2000,A 83249~255
[2] N.T. Nguyen, R.M. White, Sensors and Actuators 1999,A 77229~236
[3] Jaesung Jang, Seung S. Lee, Sensors and Actuators 2000,A 80 84~89
[4] Lemoff,A.V. A.P. Lee, Sensors and Actuators 2000,B 63 178~185
[5] 何友昭,淦五二,中国专利申请号ZL97,212,126;1997
[6] Paul,et al, United States Patent 6,019,882, 1,2000
[7] 关亚风,陈令新,电渗流驱动高压输液泵,中国专利申请号
本文作者：陈令新 关亚风
