网络课堂：模块化微流控应用于化学领域的介绍

微流控技术已经被应用于各个领域比如化学化工、材料、生命科学、食品科学等。采用微流控技术的各种应用必然会用到微流控芯片，如何解决微流控芯片沟道的多变性和灵活性是当前关注的一个热点。本次网络课堂介绍了模块化微流控化学的应用，通过模块化的组合，完成化工化学中各种不同微流体芯片的需求。这解决了微流控芯片的沟道灵活性和多变性的难题。此外，本次网络课堂还介绍了柔性热弹性荧光材料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。

微流体气泡是指采用微流控技术产生的液体环境中存在的微小腔室。水泡是指微小气体腔室存在于水溶液中。微流控技术采用微流控芯片和流量控制泵来产生各种各样的微气泡。

微泡沫由分散在液体连续相中的微泡组成。 泡沫性质取决于微泡的产生性质和性能。 微气泡和微泡沫广泛应用于生物医药、食品、石油增强恢复、生物学、化妆品及去污剂等方面。

本次网络课堂介绍了微气泡产生的理论基础、产生方法（流动聚焦、T型结构或同轴流）、产生装置及微气泡的应用。

在为您的实验应用选择注射泵时，压力可能是一个重要的考虑因素，但是如何知道哪个泵可以满足要求呢？使用单个注射器或者多个注射器都会影响压力。要计算泵的Z终压力，我们需要知道泵的线性力，该线性力与注射器将要承受的压力直接相关。因此，本文将讨论线性力，如何计算线性力以及线性力为什么很重要。

我们将介绍线性力的基本原理，以了解注射泵背后的机理。我们还将通过示例计算力和压力。希望通过本文的介绍，您将对注射泵的工作方式有更深入的了解。

线性力基础
注射泵使用步进电机线性致动器，将旋转运动转换为线性运动，这意味着电动机的力将从扭矩传递到线性力。为了计算给定设备中的线性力，我们必须考虑4个因素：摩擦力、加速度力、重力和施加的作用力。线性力定义如下：

总线性力（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进电机提供的力，但是，净力由于摩擦而减小（在较高的速度下为较低的力）。实际上，摩擦力被当作校正效率方面反映电动机Z大力的一个因素。效率还受到执行器中使用的螺杆（长度和螺距）的影响，螺杆改变了移动注射器活塞的螺母的速度。考虑到这些特性，我们可以使用以下公式计算线性力。

线性力=（马达或电机的Z大力 × 2π × 效率）/螺距

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

例如，具有0.5Nm的电机和1mm螺距的螺杆和1mm/s速度的0.8效率的线性致动器的线性力为：

线性力=（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，注射器中的压力与泵的线性力有关。回想一下，压力是在给定区域中施加的力的大小，例如，在这种情况下，如果我们使用直径为0.3-inch的注射器，则Z终压力将为：

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

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

由于压力与面积有关，因此，如果我们使用2个直径为0.3-inch的注射器，则每个注射器承受的力和压力是所计算压力的一半。注射泵的优点之一是，由于注射器中的面积小，我们可以承受高压，这使得使用高质量的注射器（用于高压的不锈钢）至关重要。

总之，我们可以说，了解注射泵的线性力对于实验应用选择正确的型号是非常重要的，例如，粘性液体需要更高的压力，或者您可能想要使用多个通道。

如何使用压力控制器进行超精确和响应的流量控制？

由于微流控刚开始出现时采用注射泵以及注射泵易于寻找、使用等方面的历史原因，使得注射泵是微流体实验应用中Z常用的系统。然而，由于压力控制独特的性能可以增强实验，很多研究人员开始转向压力控制系统。

本文中，我们将解释压力驱动的流量控制如何工作，不同驱动控制技术的优点/缺点以及如何根据您的要求在注射泵和压力控制之间进行选择。

组件列表
（1）微流体OB1 MK3流量控制器

（2）样品储液池

（3）液体流量传感器

实验装置连接图：将您的系统转换为强大的注射泵
压力驱动的流量控制是取代注射泵的明智选择，它允许在毫秒响应时间内无脉冲流动，包括在样品储液池内使用气体输入压力，以便将液体从储液池流到您的微流体实验装置。

流量控制原理
压力控制器对储液池如Eppendorf，Falcon或含有样品的瓶子等施加压力，然后，将液体平稳且准瞬间注入到微流体芯片中。

图3：样品储液池被加压，气体推动液体表面，流体将流过出口。因此，控制储液池的输入气体的压力将能够控制流出储液池的液体。由于采用压电技术的压电压力调节，Elveflow系统能够在40   ms内调节液体流量，稳定性为0.005%。压力驱动流量控制的一个优点在于能够处理数百mL的流体体积。因此，您可以将您的系统变成一个强大的注射泵。

通过将我们的压力控制器与流量传感器相结合，您可以实现超精确和快速响应的流量控制。您可以在Elveflow软件中设定液体流量值，并且由于可定制的PID反馈回路，压力控制器将自动调节压力以便达到所设定的液体流量值。

优点/弱点

性能：注射泵 VS 压力控制
注射器泵的主要优点是它们非常易于使用，并且微流体实验中使用注射泵的两个主要缺点是在设置新的液体流速时，由于电机步进而导致的流动振荡的响应时间较慢。芯片内部的流量变化可能需要几秒到几小时（请参见：为什么注射泵在微流体实验中具有较低的响应？博文），这种反应性的缺乏是注射泵对于许多应用的主要限制之一。

现代微流体压力控制器还可以通过将流量计与反馈回路集成来控制压力和流量。因为当微流体研究人员需要高流量响应性，高流动稳定性和准确度，以及当他们使用死端通道或需要大量的样品时，他们主要使用压力控制器。

响应时间和稳定性

结论
如前所述，每个系统都有其缺点和优点。注射泵方便，并且已经使用了很长时间。然而，当设置复杂或需要精细控制时，性能受到限制（响应时间，振动等等），这在微流体实验中经常碰到这种情况。

压力控制越来越多地被使用，因为它是为微流体开发的，它完全满足用户的期望（响应性、稳定性、可重复性等等）。压力控制技术几乎涵盖了所有的微流体应用（97%以上），并开始进入其它相关领域，如生物学和化学。同时，配套压力控制器的可选配件如切换阀MUX、传感器等非常广泛，可以针对实验的需求而加以选择，同时这些选配件的价格下降使得其应用领域更加广泛。

Elveflow同时提供压力控制器OB1、液体流量传感器MFS和BFS、液体压力传感器MPS及微流体切换阀等，希望广大的研究人员凭借这些优异的微流控仪器取得丰富的研究成果。

在微流控实验领域，压力驱动进样的压力泵/压力控制器因采用传感器测量方式而具有较高的压力分辨率和快速响应性，这些压力控制器由于外形体积小，故无法把操作按钮直接做在物理外壳上，而是采用电脑端的软件操作控制模式。也就是说在PC端安装操作软件，然后通过USB线连接压力控制器和PC来实现数据通信，由此便可通过PC端的操作软件实现压力控制器物理端的控制。

Elveflow微流控产品的智能界面控制软件ESI（Elveflow Smart Interface）可通过几次点击来直观的控制微流控仪器。由于采用了调度程序（scheduler），ESI可以方便的执行微流控实验的基本控制和复杂任务控制。

ESI微流控软件可以轻松实现许多应用比如连续流流体的产生、体积计量、动态流动剖面的生成、光流体控制等等。

ESI微流控软件的特色和优势

1、易于流量控制

ESI微流控软件流量控制直观界面允许用户友好的控制Elveflow的全部仪器。结合微流体流量传感器，其会成为用户友好的强大的流量控制器。

使用预定义模式可创建、监控和修改实时复杂的压力和流速曲线如正弦、方波、三角波、斜波或锯齿...或者是导入您的自定义曲线。

2、保存仪器配置

创建仪器实验参数配置并保存和调用这些配置。使用仪器参数配置可以从一种仪器状态切换到另一种仪器状态。

播放/暂停按钮允许用户编辑不同的通道，同时保持控制器的当前状态并同时考虑修改。

3、自动化您的实验

Scheduler提供了一种用户友好的方式来自动执行复杂的任务。

您可以创建或编辑仪器参数配置，控制实验时间，设置仪器触发。使用循环（for）和条件（if）语句来构建复杂的任务。

可以以.txt格式加载序列。

4、使用传感器来表征您的实验

ESI微流控软件可以表征您的实验（流量、压力、电平...）。MSR（Microfluidic Sensor Reader）或OB1可以读取传感器的输出。

您还可以使用我们的自定义传感器选项从任何传感器获取信息。

这些传感工具可以用来控制我们的压力控制器。

ESI微流控软件：一种旨在一次控制所有仪器的软件

该软件可通过同一接口控制多达16台仪器。结合我们的National Instrument DAQ，其可以实现仪器之间的wan美同步。

ESI微流控软件提供了直观的界面，增强了从一台仪器到另一台仪器的导航。几分钟内熟悉该软件后，便可以利用我们强大的硬件。

Elveflow还提供了标准开发套件SDK，使用C++，Python，MATLAB或LabVIEW代码可以控制我们的仪器。SDK套件中提供了文档和示例程序。

使用阀来控制微流体通路
使用我们的阀系统和ESI微流控软件只需点击几下便可轻松的控制微流体通路。

为此，Elveflow开发了一个适合我们几个阀门的直接操作界面。

通过界面上的配置，您只需单击一次便可从一种阀门配置切换到另一种阀门配置。

可视化和保存数据—100Hz采集

以用户定义的时间间隔来记录任何数据，Z高可达100Hz。所记录的数据是存储文件，可以在您选择的应用中保存和分析。

数据可以被连续保存以优化计算机的活动内存以便进行长期实验。

使用图表显示实时数据（压力，流量...）

控制注射体积
精密压力调节器，流量传感器和ESI微流控软件（通过集成模块）的组合可实现精确的液体流量注入。

软件开发套件SDK

我们的软件包允许开发人员将Elveflow系统集成到他们自己的程序中。这些库可以快速轻松地将我们的仪器集成到您的实验程序中。

我们提供了以下库（包含文档和示例代码）：

ESI微流控软件性能

为了优化USB的使用并提供高性能数据采集，我们的合作伙伴National Instruments创建了NI信号流技术。信号流（Signal Streaming）结合了三种创新的硬件和软件级设计元素，可通过USB实现持续的高速和双向数据流。

同步 - 触发

使用TTL连接器触发和同步Elveflow系统和您实验室中使用的任何其他仪器（显微镜或任何电子仪器...）。

适用于Windows系统

Elveflow微流控智能界面软件 ESI视频介绍

利用微流控技术在微流控芯片通道内进行实时的细胞培养对很多生物学、医学等领域的工作人员来讲是一个重大的挑战和机会，通过该技术可以大规模的降低实验耗材消耗，提高实验转化效率，模拟实际生物环境下的细胞生长行为等。在科学研究和工业应用中，活细胞成像的细胞培养都具有较大的应用前途，那么现在有没有一款或一套合适的仪器来做细胞培养实验呢？答案是有的，Elveflow微流控灌注套装（Perfusion Pack）结合ALine公司的Microslides便可以完成细胞培养实验。

Elveflow微流控OB1压力控制器的详细介绍：Elveflow微流控压力泵/压力控制器OB1（四通道）简要介绍

更加详细的内容介绍，请查看如下链接：http://blog.sina.com.cn/fangdzxx

也可以随时关注我们的微信公众号：信号测量与微流控系统

微流控液滴技术是近年来在微流控芯片上发展起来的一种研究几微米至几百微米尺度范围内微液滴的生成、操控及应用的新技术。微液滴常作为微反应器，实现生化反应、试剂快速混合以及微颗粒合成等，极大地强化了微流控芯片的低消耗、自动化和高通量等优点。本次网络课堂主要介绍了液滴微流控的发展历程、微液滴产生方式、液滴微流控的应用领域、液滴产生的实验装置、双乳液滴产生实验等知识。

电阻抗检测技术广泛应用于材料科学、生命科学、食品安全、疾病诊断等领域。在微流控领域，电阻抗检测技术可应用于单细胞或微液滴的检测与分析、生物组织分析、细胞计数、细胞分选、交流介电电泳（DEP）和生物阻抗测量等。实验室内的微流控电阻抗检测系统在一定程度上可以看成是由多个不同功能的模块经过有效的有机组合而成的。该检测系统主要包括五个模块：微流控电阻抗检测芯片、微流控芯片进样泵、流量计或压力计、电阻抗分析仪/锁相放大器、光学显微镜等，如下图所示。

对于以上四个模块的组合，我们仅仅给出一个微流控电阻抗检测系统的连接示例，如下图1所示。对于该系统中所用到的设备，可以使用其他的实验设备进行代替，但是总体的连接方式是相同的。MFCS或者OB1Mk3驱动泵把储液池内的液体推入到微流控芯片的通道内。MFLI或者HF2LI产生一个或多个不同频率的正弦电压信号，施加在电阻抗芯片的激励电极上，敏感电极测量到的电流信号经过跨阻放大器转化为电压信号并对信号进行放大。放大后的电压信号输送到MFLI或者HF2LI锁相放大器。MFLI或者HF2LI锁相放大器和MFCS或者OB1mk3驱动泵的参数调节和控制都在PC电脑上的LabOne软件和MAESFLO软件或者Elveflow Smart Interface上进行设置。

图1 微流控动态电阻抗检测系统连接图

HF2仪器与电阻抗芯片连接的实物图

如下以瑞士苏黎世仪器的MFLI锁相放大器连接电阻抗芯片为例介绍微流控动态电阻抗检测的原理。

MFLI锁相放大器与电阻抗芯片的连接图

动态电阻抗检测可用于测量微流体芯片通道内单个粒子的介电特性。以两对共面电极的微流控电阻抗芯片为例介绍动态电阻抗检测的过程，芯片结构示意图[8]如上图所示。在微流体芯片通道内加工两对金属微电极，一对微电极作为测量电极，用于测量介质溶液中单个粒子经过时的电流变化，而另一对电极作为参考电极，仅用于测量介质溶液的电流。当MFLI锁相放大器对两对电极同时施加一定幅值且具有一个频率或多个不同频率的交流信号时，微流体芯片通道内两对电极之间会产生电场。当粒子经过电极对之间的间隙时，电场会受到扰动而产生电流的变化，电流变化的幅度取决于粒子的尺寸、形状和介电性质。变化的电流经跨阻差分放大器进行放大并转换为差分电压信号。MFLI锁相放大器同时解调一个频率或多个不同频率的差分电压信号，从而给出每一个频率信号的同相分量和正交分量或者幅值和相位值，同时抵制所有其他频率信号的干扰。所测量的电阻抗的变化可在本地电脑上的LabOne软件里的Plotter进行实时观察且测量的数据可直接保存在本地电脑，方便后续使用MATLAB、Python等软件进行分析处理。

LabOne软件显示动态差分测量的显示曲线

带有共面金属电极的PDMS芯片中产生油包水微液滴，石蜡油为连续相（含span80表面活性剂），经过滤后的去离子水为分散相。产生的微液滴如下视频所示。

MFLI锁相放大器动态差分输入检测PDMS芯片中产生的微液滴视频如下所示。