劉林波 蔣 卓 申旋旋 何 葉

微流控系統(tǒng)中的流體控制是基于微流體驅(qū)動(dòng),通過(guò)對(duì)微小尺度上液流操控來(lái)達(dá)到對(duì)液滴進(jìn)行快速有效操控和分離分析的目的。微流控系統(tǒng)融合了微型機(jī)械、流體力學(xué)和智能材料等多門學(xué)科的理論,其尺寸小、流量控制準(zhǔn)確,可廣泛用于各類微流體準(zhǔn)確處理流程,在芯片研究[1]、生物化學(xué)分析與檢測(cè)[2]、電子產(chǎn)品冷卻[3]、藥物體系輸送[4]等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

微流控芯片中的微流體的驅(qū)動(dòng)與控制可以實(shí)現(xiàn)低體積液體的混合、自動(dòng)化及高通量篩選,是實(shí)現(xiàn)芯片不同功能的基本條件[5]。而微型泵、閥對(duì)微流控領(lǐng)域中的微量流體控制承擔(dān)著微液滴輸送動(dòng)力與樞紐的重要角色,發(fā)揮著極其重要的作用。其中微泵作為實(shí)現(xiàn)微流體傳動(dòng)的核心部分,把部分能量轉(zhuǎn)換成流體位移所需要的動(dòng)量;微閥是以控制流體通斷和流動(dòng)方向?yàn)橹?來(lái)實(shí)現(xiàn)微流體的摻混、傳遞和保存的一種程序性控制方式。當(dāng)前微型泵閥類型較為齊全,微流控技術(shù)的進(jìn)步對(duì)微型泵閥技術(shù)提出了新的需求[6-7]。鑒于此,文章以微型泵閥技術(shù)作為研究對(duì)象,對(duì)其在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行梳理,對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析,以期為相關(guān)技術(shù)研究提供借鑒。

1 微泵

以微型泵為動(dòng)力源的微流控系統(tǒng)是全系統(tǒng)的核心部件,在微流體傳輸過(guò)程中起到關(guān)鍵作用[8]。按照微泵本身是否含有可移動(dòng)的機(jī)械部件,微泵可分為主動(dòng)泵(機(jī)械泵)和被動(dòng)泵(非機(jī)械泵)兩大類[9-11]。主動(dòng)微泵多靠機(jī)械部件動(dòng)作輸送并控制微流體,被動(dòng)微泵主要靠各種物理作用或者將一定的非機(jī)械能轉(zhuǎn)化為微流體動(dòng)能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微流體進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。表1概述了幾種典型的主動(dòng)泵與被動(dòng)泵,包括液體驅(qū)動(dòng)方法、流量、功率特性、優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 微泵的分類

1.1 主動(dòng)泵(機(jī)械泵)

根據(jù)其致動(dòng)機(jī)理的不同可以分為壓電致動(dòng)微泵[24-25]、靜電致動(dòng)微泵[26]、電磁致動(dòng)微泵[16]、形狀記憶合金致動(dòng)微泵[27]、光驅(qū)動(dòng)式泵[28]、熱氣動(dòng)力致動(dòng)微泵[29]等。在實(shí)際應(yīng)用中,基于流速穩(wěn)定性和可靠性角度考慮,使用較多的是注射泵、蠕動(dòng)泵、離心泵、氣動(dòng)泵等。注射泵是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)程序性推進(jìn)活塞實(shí)現(xiàn)對(duì)微量流體的驅(qū)動(dòng),速度可精確達(dá)到每分鐘幾微升;蠕動(dòng)泵是通過(guò)均勻間隔式擠壓泵管,使其內(nèi)部液體朝一個(gè)方向移動(dòng)。這幾種微泵,雖然穩(wěn)定可靠,但都有局限性,如注射泵和蠕動(dòng)泵體積較大,不能集成到芯片上,壓電微泵和氣動(dòng)微泵雖然可以集成到芯片上,但是前者對(duì)微加工要求較高,后者與蠕動(dòng)泵相似,輸送液流存在脈動(dòng)現(xiàn)象,且需要較大的外接氣源等設(shè)備。

注射泵是最普遍和最容易制造的主動(dòng)泵,但一個(gè)顯著缺點(diǎn)是與小型微泵相比,其結(jié)構(gòu)尺寸偏大,而注射泵小型化是困難的[30]。為了解決這些問(wèn)題,Matsubara等[31]提出了一種無(wú)機(jī)械滑動(dòng)部件且具有高功率源的片上微量注射泵(圖1)。該泵利用電共軛流體(electrically conjugated fluid,ECF)和由ECF驅(qū)動(dòng)的電流體動(dòng)力代替線性致動(dòng)器。為了控制流向,還集成了ECF驅(qū)動(dòng)的無(wú)泄漏微型閥。Zhang等[32]提出一種具有自主流量輸送功能的便攜式即插即用注射泵。流體由泵中專門設(shè)計(jì)的壓縮彈簧機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng),并由3個(gè)被動(dòng)閥的微流體流量調(diào)節(jié)芯片控制。重要的是,液體流量通過(guò)被動(dòng)閥是獨(dú)立的,射流的壓力由變化的彈簧壓縮力引起,并通過(guò)泵中的微流體流量調(diào)節(jié)芯片實(shí)現(xiàn)恒定流量自動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖1 ECF噴射公司提出的無(wú)活塞微量注射泵的概念圖和工作原理

采用注射泵將微流體注入微通道,由于注射器的重新裝載,導(dǎo)致了不同批次之間的液滴差異。因此Gao等[33]報(bào)告了一種新的重力驅(qū)動(dòng)方法,半開式設(shè)計(jì)可在微通道上提供穩(wěn)定的壓力輸入和連續(xù)的液體補(bǔ)充。這種由多個(gè)溢流單元組合而成的系統(tǒng)可有效減少對(duì)多相界面的擾動(dòng),獲得高質(zhì)量的單分散性單乳液。通過(guò)改變溢流高度,可以獲得不同尺寸的單一乳液。此外,雙重乳液也可以通過(guò)簡(jiǎn)單地增加另一個(gè)單元而不影響系統(tǒng)的進(jìn)一步變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些特點(diǎn)也表明重力驅(qū)動(dòng)溢流微流控系統(tǒng)可以穩(wěn)定、連續(xù)地注入流體,見圖2。

圖2 雙單元重力驅(qū)動(dòng)溢流微流控系統(tǒng)

除注射泵以外,蠕動(dòng)泵使用也很廣泛,但最顯著的一個(gè)缺點(diǎn)便是運(yùn)輸液體過(guò)程中存在不連續(xù)、不均勻等問(wèn)題,管道中容易產(chǎn)生氣泡。針對(duì)此問(wèn)題,Ma等[34]展示了一種無(wú)閥微流體蠕動(dòng)泵送方法,能夠以高精度連續(xù)輸送納升級(jí)流量。液體是通過(guò)擠壓嵌在帶有滾動(dòng)凸輪或軸承的多晶硅裝置中的微通道來(lái)泵送的。此泵送方法實(shí)現(xiàn)了連續(xù)和均勻的流動(dòng),速度范圍為1～500 nL/s,流出量誤差在±3 nL以內(nèi)。此外,Xiang等[35]設(shè)計(jì)了用于微流體應(yīng)用的線性蠕動(dòng)泵(圖3),泵的操作基于微型凸輪同步壓縮微流體通道。其柔性微流體通道使用軟光刻技術(shù)用彈性體聚二甲基硅氧烷(PDMS)制造,而微型凸輪從動(dòng)件是使用3D打印技術(shù)制造的。原型泵是自吸式的,并能容忍氣泡。

圖3 完全組裝設(shè)置及其凸輪從動(dòng)件系統(tǒng)

微型氣泵在微流控領(lǐng)域上的應(yīng)用相對(duì)于蠕動(dòng)泵,輸出效率更高、流量波動(dòng)小,但它無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)供樣。通過(guò)將軟光刻技術(shù)與傳統(tǒng)的批量加工相結(jié)合,Sin等[36]設(shè)計(jì)了一種小排量微型泵。該微型泵通過(guò)氣壓驅(qū)動(dòng),為自吸泵,適用于通過(guò)包含哺乳動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)物的微流體裝置使流體再循環(huán)。通過(guò)控制設(shè)計(jì)泵室的容積,可以通過(guò)更改驅(qū)動(dòng)頻率來(lái)嚴(yán)格控制輸出流量。它也可以容易地在塑料基板上制造,而無(wú)需使用昂貴的微加工設(shè)備。為了提高氣泵的輸出流量,Ji等[37]研制了一種可變腔室高度(SPGPVCH)串聯(lián)壓電氣泵。該泵由3個(gè)可變高度的串聯(lián)腔室、3個(gè)帶有柔性支撐的壓電執(zhí)行器和4個(gè)楔形閥組成,與傳統(tǒng)的壓電氣泵相比,輸出流量和壓力都有很大的提高。

離心泵是許多生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)中液體輸送必不可少的機(jī)械部件,其小型化可以促進(jìn)創(chuàng)新的疾病治療方法。然而,離心泵主要由剛性部件構(gòu)成,在運(yùn)輸高黏度液體時(shí)效率極其低下?；诖?Zhou等[38]將軟材料和柔性電子設(shè)備結(jié)合起來(lái),實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量為1.9～12.8 g的軟磁懸浮微型泵(soft magnetic levitation micropump,SMLM)。SMLM以1 000 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),可以泵送黏度為0.001～0.006 Pa·s的各種液體。由于具有良好的生物相容性且不會(huì)損傷器官,可用于輔助透析、血液循環(huán)和皮膚溫度控制,如圖4所示。Matar等[39]提出另一種新型微型離心泵,其基于在集成的同步電機(jī)內(nèi)運(yùn)行葉輪(包括承載直葉片和反葉片的永磁體的轉(zhuǎn)子)來(lái)實(shí)現(xiàn)泵送,該同步電機(jī)可以用不同的轉(zhuǎn)速泵送流體。其葉輪直徑為5.5 mm,高度為1.5 mm,可以在高達(dá)9 000 r/min的轉(zhuǎn)速下平穩(wěn)運(yùn)行,提供高達(dá)14.3 mL/min的無(wú)脈動(dòng)最大流速。該泵可以集成到緊湊尺寸的系統(tǒng)中,并且可以提供寬范圍的流速,見圖5。

圖4 SMLMs的基本概念圖

圖5 離心泵的3D示意圖

傳統(tǒng)泵送方法存在各不相同的缺陷,近些年電磁驅(qū)動(dòng)式的微泵由于有可集成性、高精度可控性以及低成本等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域。Li等[40]提出了一種新型的微流體裝置(圖6),該裝置具有易于集成的高性能電磁微泵和仿生齒輪同步止回閥。裝置包括硅微通道、磁性活塞、1個(gè)或2個(gè)電磁執(zhí)行器和2對(duì)受壓力差影響開啟和關(guān)閉的仿生齒輪同步閥,該微泵在不同阻力的封閉流體回路中具有較大的泵送能力。電磁致動(dòng)無(wú)閥微泵大多不具備雙向流動(dòng)能力,而雙向流動(dòng)能力是化學(xué)分析發(fā)展中的一個(gè)重要特征。因此,Rusli等[41]提出了一種電磁模塊驅(qū)動(dòng)的雙向流動(dòng)微泵雙腔設(shè)計(jì),該泵被設(shè)計(jì)成模塊化系統(tǒng),流動(dòng)方向可以通過(guò)其自身與永磁體耦合的功率感應(yīng)器來(lái)控制。該功率感應(yīng)器放置在2個(gè)腔室之間,用PDMS預(yù)聚物制作了微通道芯片和薄膜。致動(dòng)泵是電磁型的,通過(guò)使用兩個(gè)與永磁體耦合的功率電感器,并且振蕩頻率由外部控制器控制。

圖6 微泵工作原理及GSCV原理圖

綜上所述,各類機(jī)械位移型微型泵已有了顯著的發(fā)展,報(bào)道的大多數(shù)機(jī)械微泵都采用了壓電、電磁致動(dòng)原理,與其他致動(dòng)方案相比,其物理性能參數(shù)相對(duì)優(yōu)越。而基于離子導(dǎo)電聚合物的驅(qū)動(dòng)似乎是微泵驅(qū)動(dòng)的一種新的有前途的方法,因?yàn)樗軌蛟诘碗妷合螺斔土黧w[42]。Naka等[43]開發(fā)了一種由導(dǎo)電聚合物軟致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的微型泵。導(dǎo)電聚合物軟致動(dòng)器分別由于電化學(xué)氧化和還原而實(shí)現(xiàn)打開和關(guān)閉。雖然開發(fā)的微泵不含閥門,但微泵通過(guò)兩個(gè)軟致動(dòng)器的開啟和關(guān)閉,可以單向輸送流體而不會(huì)發(fā)生回流。此外,該微型泵的能量消耗率明顯低于傳統(tǒng)的微型泵。但是,這樣的泵卻存在一次性使用的限制。為了拓寬一次致動(dòng)器的選擇,Zhong等[44]提出了一種新型的靈活的全聚合物膜片執(zhí)行器系統(tǒng),稱為雙隔膜活性聚合物執(zhí)行器(DDAPA),它是一個(gè)模塊化的單元,可以重新用于多種活性微流體組件。所提出的概念拓寬了一次性致動(dòng)器的選擇,見圖7。

a. 雙隔膜活性聚合物致動(dòng)器(DDAPA)的黏合過(guò)程示意圖 b. 俯視圖 c. 橫截面圖中生成DDAPA圖 d. 泵送機(jī)制的圖示 e. 配置為微注射工具的DDAPA的示意圖 f. 微閥 g. 單向微泵

目前,微泵和微芯片的合理集成仍然是微流體技術(shù)商業(yè)化的難題。在主動(dòng)模式中,設(shè)備平臺(tái)空間密集并且成本高。此外,外部機(jī)械結(jié)構(gòu)的使用增加了死體積以及流體泄漏和氣泡形成的可能性。這些限制對(duì)開發(fā)芯片提出了挑戰(zhàn),改善這些問(wèn)題也成了后期主動(dòng)泵開發(fā)需要解決的首要問(wèn)題。

1.2 被動(dòng)泵(非機(jī)械泵)

與主動(dòng)微泵相比,被動(dòng)微泵更便于集成。目前已經(jīng)有多種被動(dòng)泵被研制開發(fā),如電滲泵、磁液態(tài)動(dòng)力泵[45]、電液態(tài)動(dòng)力泵[46]、毛細(xì)驅(qū)動(dòng)式微泵[19-20]、重力驅(qū)動(dòng)泵[21-22]、熱氣泡驅(qū)動(dòng)泵[23]等。熱氣泡微泵不需要外部流動(dòng)或壓力源,在簡(jiǎn)單性和直接集成方面表現(xiàn)出巨大的前景。電滲泵依據(jù)玻璃材料良好的電滲性能,在外加電源條件下,管壁表面形成雙電層,從管壁到微通道中間也隨之分別形成固定層、擴(kuò)散層、中性層,其中擴(kuò)散層在電場(chǎng)力作用下實(shí)現(xiàn)流動(dòng),并可以通過(guò)改變電極方向輕易逆轉(zhuǎn)流體流動(dòng)方向。

電滲泵無(wú)需移動(dòng)部件即可輸送液體,更適用于微流體和芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng),但在輸送液體過(guò)程中管道容易出現(xiàn)氣泡。因此,Silverio等[47]利用潔凈室微/納米制造技術(shù)和現(xiàn)成的設(shè)備設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的電滲驅(qū)動(dòng)的微流體泵,以期能夠穩(wěn)定持續(xù)地分配每分鐘幾納升的極低流量甚至更低的流速,初步測(cè)試顯示流速低至45 nL/min可以在這種微流體電滲泵中獲得。該泵消除了直流電滲泵特有的氣泡的形成,可用于穩(wěn)定和連續(xù)的藥物輸送系統(tǒng),應(yīng)用到患者以及芯片器官上。雖然電滲泵在醫(yī)用領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯,但它的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,使用了同一基板上的成對(duì)共面不對(duì)稱叉指微電極構(gòu)建。為了降低電滲泵的復(fù)雜度,Liu等[48]開發(fā)了一種更簡(jiǎn)單的微型電滲泵系統(tǒng),將兩個(gè)基板上的電極分開,并通過(guò)具有3D微結(jié)構(gòu)的半沉積電極來(lái)打破對(duì)稱性使局部電場(chǎng)發(fā)生彎曲,進(jìn)而由于切向電場(chǎng)與誘導(dǎo)雙電層之間的庫(kù)侖相互作用而產(chǎn)生電滲流。這種微泵系統(tǒng)除了高效和簡(jiǎn)單之外,還可以創(chuàng)建微渦流裝置和主動(dòng)微流體裝置。

相對(duì)于電滲泵的應(yīng)用,電化學(xué)微型致動(dòng)器和微型泵對(duì)于許多應(yīng)用它的響應(yīng)就相對(duì)較慢了,然而Uvarov等[49]提出了在玻璃基板上由聚二甲基硅氧烷制成的簡(jiǎn)單無(wú)閥微泵,使用交替極性電解,這樣可以大大減少響應(yīng)時(shí)間。在10～100 ms的孵育期后,一個(gè)充滿整個(gè)腔室的微泡在不到100 μs的時(shí)間內(nèi)彈出,并在10 ms內(nèi)消失,這個(gè)氣泡將液體排出并驅(qū)動(dòng)泵。對(duì)于較高振幅的驅(qū)動(dòng)脈沖,孵育時(shí)間僅1～2 ms。因此,一種功率較小但速度較快的泵送成為可能。但因種方法可泵送的流量有限,Guo等[50]設(shè)計(jì)并制造了一種基于微機(jī)電技術(shù)的熱氣泡微泵系統(tǒng)技術(shù),并探究了多種參數(shù)(電壓、脈沖時(shí)間、周期延遲時(shí)間等)對(duì)數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的影響。結(jié)果表明,在微泵的幫助下,溶液的流量可超過(guò)15 μL/min。

相比于其他由微電驅(qū)動(dòng)類型的微泵,毛細(xì)驅(qū)動(dòng)式微泵是利用毛細(xì)力的作用驅(qū)動(dòng)流體,大部分都應(yīng)用在紙質(zhì)微流控芯片中。然而,流體控制性能差是毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)微流體的一個(gè)共同缺點(diǎn)。Ye等[51]提出了一種通過(guò)控制形狀記憶微結(jié)構(gòu)變形引起的連續(xù)拉普拉斯壓力來(lái)控制開放通道中液體流動(dòng)的方法。拉氏壓力和毛細(xì)力共同驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng),通過(guò)調(diào)節(jié)通道表面親水性和微柱彎曲角度實(shí)現(xiàn)可控的流體輸送,證明了流量的可控性和水沿預(yù)設(shè)路徑的定向輸送。此外,通過(guò)局部疏水修飾實(shí)現(xiàn)了輸水的啟動(dòng)和停止。該策略改善了傳統(tǒng)開放系統(tǒng)中流體控制能力差的問(wèn)題,使流體流動(dòng)具有高度可控性。但此款微泵如要應(yīng)用于陣列微流體中,它的高度可控性要實(shí)現(xiàn)還有許多問(wèn)題需要解決。Xing等[52]提出了一種由表面張力驅(qū)動(dòng)的新型無(wú)泵微流控陣列,用于研究胰島的生理學(xué)。由于入口和出口尺寸的差異,表面張力產(chǎn)生的壓力實(shí)現(xiàn)了陣列中有效的流體流動(dòng)。該系統(tǒng)不僅通過(guò)消除對(duì)外部泵/管道的需要和減少溶液消耗的體積,而且由于有效的流動(dòng)交換和所需的極少量溶液,還實(shí)現(xiàn)了更高的分析時(shí)空分辨率。

綜上,目前大多數(shù)微泵結(jié)構(gòu)都使用Si、玻璃[53]等材料,但由于其成本較低、強(qiáng)度增強(qiáng)、易于制造,最近出現(xiàn)了使用PDMS、PMMA、塑料等聚合物基材料的趨勢(shì)[54]。重點(diǎn)也轉(zhuǎn)向了材料兼容性,以證明微型泵的應(yīng)用是合理的,特別是在生物相容性、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性至關(guān)重要的生物醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)分析中。除了傳統(tǒng)的微制造技術(shù)外,研究人員[55-56]還提出了用于微泵制造的制造工藝,如CNC銑削、激光切割雕刻,這與微制造技術(shù)一樣具有競(jìng)爭(zhēng)力。但一般來(lái)說(shuō)目前被動(dòng)系統(tǒng)多數(shù)被設(shè)計(jì)為一次性設(shè)備,不能在實(shí)驗(yàn)室中重復(fù)使用。這種系統(tǒng)的流量也總是低于手動(dòng)控制系統(tǒng)的速度,甚至比機(jī)械系統(tǒng)的速度還要低,因此被動(dòng)型泵在未來(lái)還有很大的發(fā)展前景。

2 微閥

微閥作為一種調(diào)節(jié)流體在微流道內(nèi)流動(dòng)的小型閥門,可以實(shí)現(xiàn)流體流量大小調(diào)節(jié)、流體通道開閉和流體流向切換等多種功能。微閥的用途及作用依賴于結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)機(jī)制相關(guān)聯(lián)。所以,很多學(xué)者對(duì)不同制動(dòng)機(jī)構(gòu)微閥裝置進(jìn)行了研究,并且將其運(yùn)用到不同領(lǐng)域中,例如3D打印[57]、單細(xì)胞分選[58]、醫(yī)療應(yīng)用[59]以及生物化學(xué)分析[60-61]等,在這些應(yīng)用中,其中微閥精密控制能力及微型化特性得到了充分的發(fā)揮。

微閥多由微通道與基底組成,通常具有控制微通道開閉的薄膜,而無(wú)固定驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。所以,按照是否具有驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)可以將微閥劃分為主動(dòng)閥與被動(dòng)閥兩大類,前者是指用各種驅(qū)動(dòng)機(jī)理對(duì)主動(dòng)式微閥內(nèi)部運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行致動(dòng),被動(dòng)閥是指不需要外來(lái)驅(qū)動(dòng)力,只需利用自身參數(shù)(例如流體的壓力,流動(dòng)的方向)的改變就可實(shí)現(xiàn)微閥開閉及流量調(diào)劑。以特斯拉微閥[62]為例,它包含三段微通道,流體在前進(jìn)方向上壓力損失較小,而在后進(jìn)方向上則較大,屬于典型的被動(dòng)閥。表2對(duì)已有微閥分類進(jìn)行了概述,包括有無(wú)驅(qū)動(dòng)部件、驅(qū)動(dòng)類型和驅(qū)動(dòng)原理。

表2 微閥的分類

2.1 主動(dòng)閥

機(jī)械微閥原理是建立在微小機(jī)械結(jié)構(gòu)上,包括薄膜、柱塞和活塞等。這些微結(jié)構(gòu)利用外加機(jī)械力或者壓力調(diào)整閥門狀態(tài),多數(shù)微閥都是在柔性膜上耦合磁、電、熱制動(dòng)方法以達(dá)到微流道內(nèi)流體開閉及調(diào)整。

電磁微閥運(yùn)行速度一般很快,可以在毫秒甚至更短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)啟閉運(yùn)行,尤其適用于要求響應(yīng)快、控制精度要求高的場(chǎng)合。與電磁微閥相比,在最新進(jìn)展中,集成式磁性微閥以其采用磁性材料和重量輕、尺寸小等特點(diǎn),使其由“流量小、流體動(dòng)力學(xué)阻力大”向“高流量、流體動(dòng)力學(xué)阻力小”轉(zhuǎn)變更為便捷。在臨床醫(yī)療領(lǐng)域中,Pereira等[63]設(shè)計(jì)并制作了一種磁驅(qū)動(dòng)的微閥,用于調(diào)節(jié)植入后眼壓的青光眼引流。這是通過(guò)采用集成磁性微閥實(shí)現(xiàn)的,該微閥在關(guān)閉時(shí)能提供充分流體動(dòng)力學(xué)阻力以克服低血壓,如圖8所示。電磁驅(qū)動(dòng)閥把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能具有效率高、功率消耗少等特點(diǎn),能用較少驅(qū)動(dòng)力就能產(chǎn)生很大泵膜變形量,為應(yīng)用于植入式生物及醫(yī)學(xué)微流控系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

圖8 微閥三維放大視圖

雖然電磁微閥中的磁場(chǎng)對(duì)任何介質(zhì)都沒有依賴性,可用于驅(qū)動(dòng)多種不同工作介質(zhì)以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線控制等,但是難以調(diào)節(jié)氣體的流量。而靜電微閥由于是以電極間靜電吸引力為驅(qū)動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)高電壓的電解液體而需要較小的電極間隙,其絕緣膜間位移通常為幾個(gè)微米,電壓通常還需要在50 V以上,因此多數(shù)微閥都是用來(lái)調(diào)節(jié)氣體的流量而非液體。但是在最新的研究中,Atik等[65]開發(fā)了一款靜電驅(qū)動(dòng)的常閉微閥,可以將PDMS-玻璃混合微閥組裝在同一芯片上單獨(dú)工作,實(shí)現(xiàn)微觀層面的精確液體流量控制。該團(tuán)隊(duì)表征了半徑為300 μm的膜片的操作參數(shù),引入了電壓(平均221 V)、開閉響應(yīng)時(shí)間(微秒)、重復(fù)性(超過(guò)50次)及觸摸面積(引入電勢(shì)時(shí)為25.3%±2.6%)的表征方法,為證明可以整合到微流體芯片中,該團(tuán)隊(duì)利用PDMS微通道封閉的隔膜對(duì)有色水流動(dòng)條件進(jìn)行試驗(yàn),驗(yàn)證設(shè)計(jì)的通道集成使流體能夠在閥座下流動(dòng),如圖9所示。

在閉合狀態(tài)下通過(guò)完全覆蓋微通道橫截面積的壁來(lái)阻止液體流動(dòng)

靜電微閥電極間的靜電吸引力精度要求非常高,才能使隔膜間的位移保持在幾微米,不適用于具有寬流量范圍、低泄漏等特點(diǎn)的情況。而壓電驅(qū)動(dòng)微閥具有壓電效應(yīng)能夠產(chǎn)生很大的壓力(一般為數(shù)兆帕)以及很小位移(應(yīng)變小于0.1%),能夠滿足寬流量范圍、低泄露等特點(diǎn)的情況?；谝陨弦?Durasiewicz等[67]利用生物相容性材料設(shè)計(jì)了一種新型的壓電驅(qū)動(dòng)金屬基微閥,以滿足醫(yī)療液體應(yīng)用的需求。該微閥包括具有進(jìn)口(Ⅱ)與出口(Ⅲ)的金屬閥體(Ⅰ)和結(jié)構(gòu)化閥座(Ⅳ)。金屬隔膜(Ⅴ)橫跨在閥座上,壓電陶瓷層(Ⅵ)結(jié)合在頂部,以形成彎曲致動(dòng)器。初始狀態(tài)(綠色)時(shí),微閥常開,使流體由進(jìn)口流向出口處。壓電制動(dòng)時(shí),負(fù)電場(chǎng)(藍(lán)色)的應(yīng)用是通過(guò)反向壓電效應(yīng)使閥門處于開啟狀態(tài);施加正電場(chǎng)(紅色)后金屬隔膜緊壓閥座,閥門閉合,驗(yàn)證了所提常開微閥適合醫(yī)療應(yīng)用中安全可靠微流體裝置的設(shè)計(jì),如圖10所示。壓電驅(qū)動(dòng)微閥以壓電晶體及金屬電極為活動(dòng)元件,在外加電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力或者拉伸力來(lái)驅(qū)動(dòng)薄膜開合,引起橫向位移帶動(dòng)隔膜周期性振動(dòng)。

圖10 工作原理示意圖

相比于其他類型的驅(qū)動(dòng)方式,氣動(dòng)微閥對(duì)工作介質(zhì)和溫度要求不高,因而其應(yīng)用范圍更廣,由于其原理簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)仍被廣泛應(yīng)用于微流控系統(tǒng)。Kaminaga等[72]提出了一種具有梯形橫截面的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)微閥,用來(lái)封閉深微通道。所提出的微閥可以關(guān)閉350 μm深的微通道,適用于處理數(shù)百微米大小的液滴。該微閥是通過(guò)黏合三層聚二甲基硅氧烷制成的,由梯形液體通道層、膜和氣動(dòng)通道層組成,膜和氣動(dòng)通道位于梯形橫截面微通道下方,該閥通過(guò)對(duì)氣動(dòng)通道產(chǎn)生氣動(dòng)壓力抵靠在薄膜上,從而防止液滴穿過(guò)。當(dāng)施加的壓力為0 kPa時(shí),直徑為200 μm的液滴可以通過(guò)而不會(huì)堵塞,深度為350 μm的梯形橫截面可以通過(guò)逐漸施加300 kPa的壓力來(lái)閉合,如圖11所示。相較于傳統(tǒng)機(jī)械主動(dòng)微閥而言,采用功能性材料驅(qū)動(dòng)相變主動(dòng)閥成本相對(duì)低廉,例如石蠟和水凝膠,設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可處置性強(qiáng),Selvaganapathy等[71]提出相變閥中流動(dòng)通道采用薄的聚對(duì)二甲苯層并位于石蠟致動(dòng)器處,聚對(duì)二甲苯具有成膜作用,石蠟熔化后膨脹使通道橫截面積縮小而閉合。

圖11 微閥展開示意圖

微閥的應(yīng)用正在從最初的實(shí)驗(yàn)室生化分析迅速擴(kuò)展到其他領(lǐng)域,越來(lái)越多的主動(dòng)微閥被應(yīng)用于人體以治療疾病,如青光眼的治療。而傳統(tǒng)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)微閥由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件多,無(wú)法與微流體系統(tǒng)完全集成,導(dǎo)致泄漏問(wèn)題;與此同時(shí),具有外部驅(qū)動(dòng)裝置的主動(dòng)微閥,便攜性仍然是問(wèn)題,外部驅(qū)動(dòng)裝置的散熱問(wèn)題也影響微閥的性能和精度。因此,為了進(jìn)一步提高主動(dòng)型微閥的性能,微閥的集成加工是后期微閥研究所需要解決的首要問(wèn)題。

2.2 被動(dòng)閥

主動(dòng)微閥需要用驅(qū)動(dòng)裝置控制微流體,被動(dòng)微閥通?？梢酝ㄟ^(guò)背壓控制微流體。大多數(shù)被動(dòng)微閥或止回閥都作為機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件安裝在往復(fù)位移微泵的入口和出口中,如閥瓣[73]、膜片[74]或球形[75]。對(duì)于入口和出口流量的穩(wěn)定控制,在被動(dòng)微閥中較為困難,從而在低流體壓力下進(jìn)行精確流量控制的微閥在經(jīng)濟(jì)高效和小型化的微流體設(shè)備中就顯得尤為重要。Zhang等[76]提出了一種新型的被動(dòng)閥,可以在超低閥值壓力下實(shí)現(xiàn)大流量控制,在不同入口壓力的靜態(tài)和時(shí)間相關(guān)條件下測(cè)試閥門的流速。該閥由1個(gè)橢球面控制室和1個(gè)包含2個(gè)微孔的彈性膜組成,在流經(jīng)微孔的加壓液體作用下,微孔會(huì)偏轉(zhuǎn)以改變控制室的流動(dòng)阻力,從而保持恒定的流速,完全不受入口壓力的影響,如圖12所示。

圖12 微流控被動(dòng)閥工作原理

集成加工技術(shù)減少了微閥中部件的數(shù)量和死區(qū)的面積,保證了配合的精度低于微米。采用噴嘴,擴(kuò)散器或者Tesla元件等“無(wú)閥”部件是液體流動(dòng)控制的另一途徑,在微通道內(nèi)使用幾何形狀或者表面特性被動(dòng)毛細(xì)管微閥系統(tǒng),通過(guò)改變微通道內(nèi)液體的表面積和體積比控制流量的調(diào)節(jié)。Azizian等[77]設(shè)計(jì)了一種新型無(wú)擴(kuò)散毛細(xì)管閥,該閥門由三維結(jié)構(gòu)和空隙區(qū)組成,并驗(yàn)證了該閥門的可行性。當(dāng)閥觸動(dòng)后,受困于間隙內(nèi)的氣流由毛細(xì)管流向下游產(chǎn)生的氣動(dòng)抽吸排出,不把氣泡導(dǎo)入到回路上,與傳統(tǒng)閥(基于收縮膨脹閥)相比,該閥消除了氣泡可能回流到閥中的情況,減少了加載和觸發(fā)步驟中的混合和擴(kuò)散。如圖13所示。

圖13 毛細(xì)管閥的工作原理圖

被動(dòng)閥只在正向壓力時(shí)開啟,與主動(dòng)式微閥相比,在反向泄漏、避免死體積、生物兼容性有很大的優(yōu)勢(shì)[78-79]。盡管主動(dòng)閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大,且加工及集成化困難,但是在流體路徑上具有隨意靈活、特殊的啟閉特性,而被動(dòng)微閥僅只能以流體的正向壓力開啟而以反向壓力關(guān)閉或者作為恒流調(diào)節(jié)器使用。

為了提高微型閥門的性能,隨著微流體技術(shù)的快速發(fā)展,提出了大量的新結(jié)構(gòu)和新材料用于微型閥門,新的工作原理明顯降低了微型閥的成本、泄漏率、功率損失和死區(qū),提高了響應(yīng)速度和生物相容性。但在微型閥性能的改進(jìn)和成本效益的進(jìn)一步商業(yè)化上仍有較大空間。微閥的應(yīng)用正在從最初的實(shí)驗(yàn)室生化分析迅速擴(kuò)展到許多其他領(lǐng)域。突破性地設(shè)想,微閥將使得在個(gè)人診斷或者衛(wèi)生應(yīng)用中充分整合一次微流體芯片實(shí)驗(yàn)室得以實(shí)現(xiàn)。除以上所提到的應(yīng)用之外,微閥也將作為一種高通量的微流體平臺(tái)搭建起來(lái)進(jìn)行干細(xì)胞的研究或者藥物的發(fā)現(xiàn)。此外,微閥將嵌入各種微流體系統(tǒng)[80-81]中,包括太空探索、燃料電池等。當(dāng)然,在不久的將來(lái),嵌入微閥的微流體平臺(tái)將像今天的微處理器一樣普遍[82-83]。

3 總結(jié)與展望

在微流控技術(shù)迅速發(fā)展的今天,微泵與微閥等微流控技術(shù)核心組件仍起到至關(guān)重要的作用。它們的應(yīng)用范圍也由原來(lái)實(shí)驗(yàn)室生化分析向其他領(lǐng)域快速拓展,其不斷創(chuàng)新與完善必將促進(jìn)微流控技術(shù)向醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)及環(huán)境等方面廣泛發(fā)展。

文章概述了用于微流體運(yùn)輸與控制的各種微型閥和微型泵,雖然微型閥和微型泵的性能沒有標(biāo)準(zhǔn)化的衡量標(biāo)準(zhǔn),每種類型的設(shè)計(jì)在工作原理、材料、成本、易于制造、便攜性、生物兼容性和可重復(fù)使用性方面都有很大差異。但隨著微流控基礎(chǔ)理論及應(yīng)用的擴(kuò)大及相關(guān)配套技術(shù)的發(fā)展,微泵微閥應(yīng)用范圍正由實(shí)驗(yàn)室生化分析向其他諸多應(yīng)用領(lǐng)域快速拓展,其不斷地創(chuàng)新與完善必將促進(jìn)微流控技術(shù)向醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)及環(huán)境等方面廣泛發(fā)展。同時(shí),隨著材料科學(xué)與微納加工技術(shù)的深入與應(yīng)用拓展,微泵與微閥性能與可靠性會(huì)越來(lái)越高,這給各類微流體的應(yīng)用提供了更多契機(jī)。