Elveflow微流控智能界面控制软件ESI介绍

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

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。

微流控起始入门套装包含微流体实验需要的所有组件，可以满足您立即开始您的微流体控制实验。该起始套装基于Elveflow流行的OB1压力&真空流量控制且易于使用，满足70%的微流体研究人员的需求。此外，微流控起始套装与Elveflow其他产品如低流量流量计MFS/BFS、流体切换阀等完全兼容，满足您特定实验需求而逐步升级。

微流控起始套装中的压力驱动泵OB1是当前唯yi一款基于压电技术的流量控制器，主要优点是消除了任何液体流动振荡，并实现了非常快速的流量变化，同时保持了极其稳定的状态。

从简单的单通道微流体流动到多通道液滴实验，微流控起始套装均可满足这些应用需求。整个系统由功能强大的ESI操作软件控制，该软件可让您轻松设置压力并监控实验，甚至可以全自动运行实验。

微流控起始套装包含的组件
（1）4通道微流体压力&真空流量控制器

（2）4个15mL样品储液池

（3）所有必需的配件：PTFE导管、接头连接器、过滤器等

（4）图形界面操作软件ESI
       

基本示例：微流控芯片的液体注入

为什么要使用微流控技术？
微流体学是处理和控制流体的科学，流体体积通常在微升到皮微升的范围内。微流控技术为多个学科的许多不同的应用领域带来了很多益处，例如：
—样品和试剂消耗极低
—高度可重复性
—控制实验条件（温度、混合、压力等）
—易于自动化
—连续过程控制

适用于所有Elveflow仪器的免费软件
——强大、模块化和多功能的实验装置控制的解决方案

ESI操作软件可以通过同一个接口控制多达16台仪器。借助TTL触发器，您可以将Elveflow系统与实验室中使用的任何其他仪器（光学显微镜或任何电子仪器等）同步。Scheduler是一种用户友好的使用工具，可自动执行实验和方案的复杂步骤，节省您的宝贵时间。

体积注入模块
 

输入目标液体体积，该模块将在合适的时间自动调整流速以将液体注入。

流体系统优化模块
 

微流体实验系统路径的自动诊断功能，并给出改善建议，从而提高实验系统的流体流动性。

气泡检测模块
 

不再经受气泡的危害了！

传感器校准模块
 

在校准协议过程中，不要浪费宝贵的时间。

微流控起始套装可升级选项
直接控制液体流量

通过添加Elveflow的流量传感器MFS或BFS，您可以在ESI软件上从压力控制切换到流量控制。这些流量传感器与ESI软件及其内置的反馈回路控制相结合，可以实时监控液体的流量。此外，您还可以设定一个流量值，利用反馈控制回路，您的系统将通过调节系统压力来快速准确地达到所设定的流量。

升级您的OB1流量控制器

OB1流量控制器是一款功能强大的仪器，可以根据您的需求量身定制。我们提供从-900mbar到8000mbar的不同压力通道，用于真空和/或压力的输出控制。您后续可以根据实验目标而升级OB1流量控制的通道。

添加芯片以制备液滴、细胞包裹等

Elveflow提供了针对特定应用而设计的各种芯片，例如液滴发生器、流动聚焦芯片、细胞包裹芯片等。

微流控起始入门套装包含微流体实验需要的所有组件，可以满足您立即开始您的微流体控制实验。该起始套装基于Elveflow流行的OB1压力&真空流量控制且易于使用，满足70%的微流体研究人员的需求。此外，微流控起始套装与Elveflow其他产品如低流量流量计MFS/BFS、流体切换阀等完全兼容，满足您特定实验需求而逐步升级。

微流控起始套装中的压力驱动泵OB1是当前唯yi一款基于压电技术的流量控制器，主要优点是消除了任何液体流动振荡，并实现了非常快速的流量变化，同时保持了极其稳定的状态。

从简单的单通道微流体流动到多通道液滴实验，微流控起始套装均可满足这些应用需求。整个系统由功能强大的ESI操作软件控制，该软件可让您轻松设置压力并监控实验，甚至可以全自动运行实验。

微流控起始套装包含的组件
（1）4通道微流体压力&真空流量控制器

（2）4个15mL样品储液池

（3）所有必需的配件：PTFE导管、接头连接器、过滤器等

（4）图形界面操作软件ESI
       

基本示例：微流控芯片的液体注入

为什么要使用微流控技术？
微流体学是处理和控制流体的科学，流体体积通常在微升到皮微升的范围内。微流控技术为多个学科的许多不同的应用领域带来了很多益处，例如：
—样品和试剂消耗极低
—高度可重复性
—控制实验条件（温度、混合、压力等）
—易于自动化
—连续过程控制

适用于所有Elveflow仪器的免费软件
——强大、模块化和多功能的实验装置控制的解决方案

ESI操作软件可以通过同一个接口控制多达16台仪器。借助TTL触发器，您可以将Elveflow系统与实验室中使用的任何其他仪器（光学显微镜或任何电子仪器等）同步。Scheduler是一种用户友好的使用工具，可自动执行实验和方案的复杂步骤，节省您的宝贵时间。

体积注入模块
 

输入目标液体体积，该模块将在合适的时间自动调整流速以将液体注入。

流体系统优化模块
 

微流体实验系统路径的自动诊断功能，并给出改善建议，从而提高实验系统的流体流动性。

气泡检测模块
 

不再经受气泡的危害了！

传感器校准模块
 

在校准协议过程中，不要浪费宝贵的时间。

微流控起始套装可升级选项
直接控制液体流量

通过添加Elveflow的流量传感器MFS或BFS，您可以在ESI软件上从压力控制切换到流量控制。这些流量传感器与ESI软件及其内置的反馈回路控制相结合，可以实时监控液体的流量。此外，您还可以设定一个流量值，利用反馈控制回路，您的系统将通过调节系统压力来快速准确地达到所设定的流量。

升级您的OB1流量控制器

OB1流量控制器是一款功能强大的仪器，可以根据您的需求量身定制。我们提供从-900mbar到8000mbar的不同压力通道，用于真空和/或压力的输出控制。您后续可以根据实验目标而升级OB1流量控制的通道。

添加芯片以制备液滴、细胞包裹等

Elveflow提供了针对特定应用而设计的各种芯片，例如液滴发生器、流动聚焦芯片、细胞包裹芯片等。

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。

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。

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。

微流体学的Z终目标是实现所谓的芯片实验室，即将通常在实验室中进行的所有实验活动都整合到一个微流体芯片上操作。在过去的几年中，微流控朝着这个方向迈出了巨大的步伐：微流控设备广泛的应用于从物理到生物医学的许多应用领域。此外，单个微流控芯片上植入多种功能不仅在便携性和成本上具有明显的优势，而且小型化还可以研究细胞量级的生化现象。

微流控的这些优良的特性激发了研究人员对微流控技术在细胞培养相关研究中的广泛兴趣。实际上，使用微流控芯片既可以培养样品，又可以在同一平台上进行所需要的实验观察。然而，微流控芯片中的细胞培养具有很大的挑战性。实际上，细胞培养Z重要的问题之一是通过微流控芯片将细胞从外部撕裂，从而无法直接监视其微环境。在这方面，探测培养室内部Z重要的参数之一是pH值。实际上，细胞会影响其周围环境，例如在呼吸过程中会产生二氧化碳和/或乳酸，从而酸化培养室的微环境。由于典型的微流控培养室中所含的液体量极低（约1μL左右），因此，这些自然过程的影响会变得更加重要。

因此，能够动态地测量甚至是控制微流体装置内的pH值是微流体应用的关键主题。在以下部分中，将会简要介绍微流体器件中实现pH监控的几种方法。此外，补充说明中，还介绍了集成在微流体器件中的用于pH测量的固态传感器的基本原理。

微流控中的光学pH监控
当前大多数细胞培养基都包含简单的pH指示剂例如酚红，这些化合物分子的特征在于其能够根据周围环境的pH值改变颜色。因此，该特性允许进行简单但粗略地监测中等pH值。然而，为了能够通过光学方法进行pH的定量测量，需要具有相当长的吸收光的路径，这对于微流体器件而言显然是不可能的。

Magnusson等（2013）开发了一种技术，该技术可以克服光吸收路径长的问题，在成像区域中实现非吸收性部件，从而可以进行定量和精确的pH测量。该技术的前提条件是需要在使用非吸收性液体进行任何测量之前对光源进行严格的校准。这种技术的主要优点是仅仅需要标准设备例如透射光显微镜和带有CCD传感器的数码相机，这在大多数生物医学研究实验室中都可以找到。以下部分介绍了该技术的基本工作原理。

图 1

如图1所示，从微流体器件发出的光被光学显微镜中的物镜收集，然后被选定的带通滤波片绿光，然后通过旋转镜将光线输送到相机的CCD传感器上。当添加吸收介质如包含酚红的溶液时，到达相机的光强度将具有以下形式：

其中，λi是酚红的两个吸收波长（酸和碱性形式），∝i是相应的吸收系数，ρ是酚红的浓度，d是微流体器件的厚度。为了确定两个吸收系数之间的比率，在不使用酚红介质的情况下执行校准测量，以便忽略对它的依赖性。因此，我们有：

为了避免时间变化，在成像帧中不仅捕获培养室图像，还捕获芯片附近的空白区域，与校准测量值相比，该空白区域不应该显示吸收。因此，该区域中的相对强度提供了比率即在校准（t0）和测量（t1）之间的时间内光源强度的变化。对两个酚红的吸收波长重复该过程，然后将两个获得的值相除，得出：

先前表达式的自然对数给出了酚红的两个吸收系数之间的比率。该比率使用以下表达式给出细胞培养环境的pH值：

需要注意的是，pH值还取决于其他因素，例如温度和所用的特定细胞培养基。采用的设备是带有12个培养室和内置阀的PDMS微流体芯片，用于冲洗和培养基供应，其设计由Gomez-Sjober等人（2007）开发。为了捕捉不同波长的图像，使用了一些宽度为10nm的商业带通滤波片（以430nm和560nm为ZX，以匹配酚红吸收峰）。该系统是自动化的，可以通过MATLAB软件进行操作。

图 2

图2给出了使用此技术进行pH测量的可靠性和可重复性的一些结果。测量偏差的主要来源是由于冲洗不完全、冲洗不彻底和化学痕迹而导致的腔室之间的波动。此外，PDMS对苯酚分子的吸收会引起时间上的连续偏差，该偏差可以通过在pH测量中引入时间函数偏差来进行解决。

总之，通过使用标准生命科学仪器进行简单的设置，该方法可提供可靠且精确的pH测量值（对于pH≈7-8，Z大灵敏度＜0.005）。此外，它利用了nL量级的少量培养基，因此，与传统的pH控制方法相比，降低了昂贵的成本。此测量方法的主要缺点是由于腔室的冲洗不彻底以及微流体器件对吸收介质的吸收，pH值出现了意想不到的偏差。

使用混合EIS传感器/微流体器件进行pH测量
Lin（2013）等开发了一种能够同时监测pH和葡萄糖水平的微流体装置。图3示意图显示了组成芯片的各个层。从底部开始，有一个电解质-绝缘体-半导体（EIS）传感器粘接到带有内置铝电极的玻璃基板上，以便传导来自EIS传感器底部的传感器信号。然后，将两个PDMS层用于样品的流体处理。特别是，一层承载微流体通道，而另一层PDMS则内置六个气动泵，用于流量调节和样品加载。重要的是这些泵也可以充当阀门的功能：实际上，自动压缩空气流会将PDMS层偏转到通道上，从而调节或阻塞下面的样品流。Z后，在器件的底部，玻璃基板上有一个Ag/AgCl薄膜参比电极，可为pH测量提供参比电位。

图 3

下面简要介绍监测pH值的工作原理。EIS传感器的平带电压由以下表达式定义：

其中，Eref是参考电极电势，Xsol是溶液的表面偶极电势，Φsi是硅功函数，q是电荷，Qss是硅表面每单位面积的表面态密度，Qox是每单位面积的固定氧化物电荷，Cox是每单位面积的栅极绝缘体电容，ψ是表面电势。在前面的表达式中，唯yi的自由参数是表面电势，因此，EIS传感器的平带电势的变化仅由表面电势的变化决定，从而也就是由周围环境pH的变化确定。

为了验证系统的性能，已将四种具有已知pH值（4.03、6.70、7.40和9.57）的溶液注入腔室内。

图 4

图4是Lin等（2013）人的实验结果。所达到的高线性度（0.9996）表示可以在不同样品加载之间对腔室进行有效冲洗。此外，该系统能够使用非常少量的试剂（约102μL）进行操作。所有测量都是自动进行的，从而避免了与手工操作引起的污染有关的任何问题。

使用基于反馈的微流体系统调节pH值
本部分提出了另一种能够监测pH值的微流体器件。该器件由Welch和Christen（2014）开发，利用PDMS芯片进行管理，该芯片可以管理液体以及用于测量pH值的离子选择场效应晶体管（ISFET）。该器件的主要功能是不仅可以进行pH探测，还可以自动调节液位。实际上，在PDMS芯片（图5）中，有两个具有碱性（pH+）和酸性（pH-）溶液的储液池。这些储液池的输出由两个阀门控制，这两个阀门调节流出的流量以及后面的混合，从而可以主动控制暴露于ISFET传感器的混合溶液的pH值。

图 5

如上所述，该器件是通过常规的PDMS软光刻技术加工而成的。聚合物结构位于形成微通道基础的硅基底上。其向位于pH传感器所在的反应室中的酸和碱性溶液在反应室之前在两个微通道的结合处混合。第三个无阀输入通道用于为传感器校准目的提供标准pH缓冲液。相同的硅基板支撑着由两个电极组成的ISFET：一个用于参考，另一个用于感应。软件根据传感器的读数控制阀门。为了计算输出信号以管理pH值，使用了比例微分（PD）反馈控制算法。已经证明该系统可以实时控制芯片内部反应室中溶液的pH值。这是通过在0.14pH值的增加和减少方向上进行反馈控制的步进实现的。Z后，该系统能够在操作员Z初输入后的20秒内稳定达到pH设定值。

通过基于水凝胶的微流控芯片主动调节pH值
水凝胶是生物医学应用领域中越来越重要的一类材料。水凝胶能够在聚合物链之间捕获水分子的聚合物基质。此功能使他们无需任何外部电源即可更改其形态。此外，此类材料具有高度的生物相容性和耐用性，因此，在文件科学家的应用中非常具有优势。特别地，前述的由环境参数的变化触发的形状和尺寸变化的能力可以使它们成为旨在控制pH的良好材料。Atwe等（2014年）利用此功能设计了一种微流体器件，该器件使用水凝胶作为微阀来根据其pH值控制流量。pH敏感的水凝胶具有酸性或碱性基团，可以通过使它们流过特定pH的介质来触发电离。这种电离导致抗衡离子从周围区域流入凝胶，Z终导致水分子流均衡凝胶边界两侧之间的渗透压。因此，为了维持该压力梯度，水凝胶根据pH的变化而发生膨胀。水凝胶的这种pH依赖性扩展是在微流体通道中创建微阀的基本原理。实际上，在Atwe的器件中，水凝胶切片已包含在PDMS芯片内部的微通道网络中，因此，流路可以根据流动介质的pH值自动变窄或自行扩展，从而实现pH值相关的流量调节。

图 6

图6显示了该过程的示意图：中等pH值会使水凝胶收缩，从而使微通道的直径从Db减小到Da（Db＜Da）。图7显示了在各种pH下，由于离子的吸收，孔尺寸发生的变化。已经发现Z大变化发生在pH=3时，其中孔从平均直径20μm穿过到平均值3μm。因此，可以推断出当流动介质处于pH=3时，泵的效率Z大。

图7

补充说明
pH的概念源于Lavoisier和Arrhenius，他们在18世纪以更科学的方式研究了这种化学特性。确实，在他们之前，“酸”和“碱”之间的分类被认为是可观察或感知到的诸如口味之类的特性。Arrhenius首先提出了pH值与给定物质中的电荷载体有关的假设。特别是，他推断氢离子在酸性物质中携带电流，而在碱性物质中以离子形式运动。

到目前为止，pH的正式定义为：

其中，公式中的系数是水合氢离子在摩尔尺度上的活度。此外，在电解质溶液中，使浓度梯度与电梯度相关的公式为Nerst方程：

其中，E是电解质的电势，E^-是标准电势，R是通用气体常数，T是温度（以开尔文为单位），z是反应过程中转移的电子摩尔数，F是法拉第常数，Q_r是反应商。该方程式是用于pH测量的固态传感器（例如离子选择场效应晶体管（ISFET））实现的基础（图8）。实际上，对于这些电位离子传感器，即其电势作为离子浓度的函数进行测量的传感器，Nerst方程规定电极电势是该传感器侵入其中的电解质溶液中离子活度的直接对数函数。实际上，对于ISFET的平带电压，得出的公式为：

其中，除φ_0外，所有项都是常数。因此，ISFET电势与表面电势的直接相关性使得ISFET对电解质pH敏感。ISFET类似于金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），实际上可以用相同的等效电路对其进行等价（图9，c）。

图 8

两者之间的宏观差异是MOSFET的金属栅极（图9，a）被参比电极的金属（图9，b）代替。参比电极只是金属线和水溶液之间的接触点，用于确定该溶液的电势。实际上，参比电极例如由AgCl线（具有不溶性AgCl涂层的银）在KCl溶液中以恒定浓度组成。根据能斯特方程式，电化学耦合的形成产生恒定的电势。参比电极的内部溶液与必须通过势垒（所谓的熔块）测量电位的溶液接触。请注意，对于这种类型的电位传感器，必须使感测材料（膜）导电，因为测量电路必须“闭合”。换句话说，参比电极以稳定的方式将穿透氧化物的电场耦合到“电子世界”。如果氧化物的外表面与与氧化物接触的离子溶液处于平衡状态，则产生的界面电位将调节电场，因此，在“离子世界”和“电子世界”之间提供了wan美而稳定的接触。

图 9

此外，在ISFETS的情况下，栅极电压是参考电极上的电压，通常为零（接地参考电极），但是阈值电压包含在一侧反映液体和栅极氧化物之间界面的项，并且液体和参比电极在另一侧。因此，设计具有Z大灵敏度和选择性的pH敏感ISFET需要对氧化物-电解质界面进行详细研究，以便能够选择Z佳氧化物，而氧化物并不是MOSFET所用的二氧化硅。

参考文献
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.

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微流体的流体输送需要引起特别的注意。PneuWave泵是一款高性能的气压泵，具有流量传感和可追溯性。而且，这一切都是电动的！

 微流体输送泵的新时代

内部压缩机对流体容器加压，导致流体从容器内流出。内部流量传感器测量通路上的流体流量。压力和流量数据由板载微处理器监控，微处理器在需要时会自动对压力系统进行调整。

PneuWave气压泵对流体容器加压，容器的体积范围可以从几个μL到大于1 L，容器采用安静、集成的微型压力调节系统加压。一旦容器加压，容器内的流体流入管道。在线流量传感器测量实际的流量。当在流量控制模式下操作时，流量传感器和压缩机调节系统都与微处理器连续通信。基于流量传感器读数，微处理器向压缩机调节系统发送命令，允许以nL分辨率进行高度精确的流量控制。通过这种方式，可以实现可编程的流动剖面。或者，PneuWave气压泵可以在压力控制模式下工作，其中压缩机调节系统设置在用户定义的值，并且不再进行基于流量传感器读数的任何调节。在流量控制模式和压力控制模式下记录流量和压力。

包含在PneuWave气压泵中：

l  集成内部流量传感器

l  集成内部压力传感器

l  集成内部压力调节系统

l  集成内部板载微处理器

l  超过用户定义的Z大压力时安全关闭

l  可选使用外部气源供应

l  Falcon导管的压力帽

l  PC软件

l  LabVIEW VI

l  前面板显示控制

l  可在板上存储多个校准

PneuWave气压泵的可选件：

l  各种压力帽

l  压力室

l  导管/适配器/联合接头

l  带集成驱动电子设备的液体隔离阀

l  用于模拟输出，触发和报警的I/O模块

l  用于生成不同液体校准的软件

主要特点

l  内置一个安静的压缩机 – 全电动！无需外部压缩机！

l  精确、准确的流体流量控制

l  纳升分辨率

l  基于气动模式，带集成流量传感器的闭环

l  无脉冲流动

l  响应时间快，稳定性好

l  无限制的流体储液池容积

l  通过用户友好的控制软件实现可编程的流体输送

l  可以通过前显示器或PC软件（独立和LabVIEW）进行操作

l  可配置1到8个通道

l  独立控制或与PC同步

l  可以在流速或压力控制模式下运行

l  可以存储多个校准，以便对不同液体进行精确的流速控制

l  低死体积的流体路径

l  兼容多种化学品

l  高性能

l  非常适用于微流体应用

l  可选的扩展I/O功能

流量规格参数

想要更多了解微流控气压泵PneuWave的详细详细，请查看链接：http://www.yiqi.com/zt10926/product_294731.html