微流控流体控制技术：为可靠结果选择合适的泵
在微流控中，精准的流量控制至关重要。哪怕是很小的波动，都可能影响液滴尺寸、剪切应力或细胞生长状态。你的流体控制系统在精度和稳定性上的表现，直接决定实验结果是否可靠可重复。 在本篇专家综述中，我们对蠕动泵、注射泵和压力驱动泵在微流控应用中的表现进行了对比分析，并给出选型建议
微流控流体控制技术概述
为什么必须精确控制流体流动？
在微流控实验中，我们需要在亚毫米尺度的微通道中精确操控液体，用于开展不同类型的实验，例如单分散液滴生成、器官芯片（organ-on-a-chip）研究等。
*要获得稳定、可重复的实验数据，必须精确控制关键流体参数。例如：设定的流量比会决定液滴的尺寸，也会产生特定的剪切应力，从而影响细胞的生长、空间分布以及蛋白分泌行为。
如果流量设定存在误差，就可能导致液滴尺寸分布变宽（多分散）、系统不稳定、细胞受损，甚至直接导致整个实验失败。因此，稳定、完整且可靠的流体控制是任何微流控系统的基础。
为了在流体驱动的微流控实验中获得最佳结果，需要重点考虑以下因素：
- 所需的流量范围或压力范围。
- 需要多快地设定或改变流量。
- 对流量稳定性的要求有多高。
微流控中的主要流体控制方式
目前有多种基于不同原理的技术可将流体注入微流控通道。但由于物理机制不同，它们在控制精度与性能方面存在显著差异：
1. 注射泵与蠕动泵（体积位移式）
这类泵通过机械位移来推动液体。注射泵因结构简单而被广泛使用，但其流动往往存在明显的脉动，响应时间较长，尤其是在处理高黏度液体或含气泡样品时问题更突出。此外，注射泵通常缺乏实时监控和压力控制功能，容易导致结果不一致，甚至损伤样品。
蠕动泵成本较低、适合大体积液体输送，但输出流量呈明显脉冲状且不稳定，不适合对精度和流量平滑性要求较高的微流控应用。
注射泵在微流控中的优势和局限并存，主要表现在以下几个方面 [1] [2]：
注射泵的优势 :
- 可承受较高压力（具体上限取决于注射器材料）
- 推进速度理论上恒定，便于设定体积输送量
注射泵的劣势
- 流量通常呈脉动特征，难以获得真正平滑的流动
- 无法对盲端通道（dead-end channels）中的流体进行有效控制
- 难以准确获知微流控芯片或组件内部的实际压力
2. 压力驱动式流体控制
压力驱动系统通过对储液瓶或储液管施加可控气压，将液体平稳推入微流控通道。这种方式具有响应速度快、稳定性高、流动无脉动等优点。当系统集成流量传感器和智能算法（如 Fluigent 的 DFC 技术）后，可以实现压力与流量的实时闭环精确控制，显著提升实验重复性，尤其适用于生物实验和液滴微流控等对稳定性非常敏感的应用。
压力泵的一大优势是：只需一个压力通道，就能同时为多个储液瓶加压。如果你需要按顺序注入不同溶液，这种方式可以显著降低系统成本并简化整体结构。
例如，我们的 MFCS™ 系列产品可将响应稳定时间控制在约 100 ms 级别，压力分辨率可达满量程的 0.03%，测量值稳定性可达 0.1% CV。
压力泵在微流控中的优势与局限大致如下：
压力泵的优势
- 真正的无脉动流量控制，几乎没有流速震荡
- 一台设备即可同时实现压力与流量控制
- 稳定性极佳，可达到约 0.005% 级别
- 可以有效控制盲端通道中的流体
- 能精确测量和控制微流控芯片内部压力
压力泵的局限
- 最大工作压力通常限制在约 8 bar 左右
- 配合多入口切换阀使用时，如设计不当，可能存在轻微回流风险
微流控流体控制：各类微流控泵的优缺点对比
| 蠕动泵 | 注射泵 | 压力驱动泵 | |
|---|---|---|---|
| 流量稳定性 | 差 | 中等 | 优秀 |
| 响应时间 | 慢 | 慢 | 非常快 |
| 控制精度 | 差 | 中等 | 优秀 |
| 可注入体积限制 | 无限制（可用开放式储液瓶） | 有限制（由注射器体积决定） | 无限制（可用大体积瓶或储罐） |
| 液体循环 | 可实现 | 不可实现 | 本身不支持，但可通循环阀等组件实现循环路径。 |
| 小体积样品注入 | 差 | 表现较好（适合极小体积） | 中等（体积低于约 10 µL 操作较困难） |
| 气体注入 | 不适合 | 不适合 | 支持 |
| 样品振荡/搅拌 | 可以（样品在独立的储液瓶中） | 不方便实现 | 可以（样品在独立储液瓶中，便于搅拌或振荡） |
| 样品温度控制 | 可以（样品在独立的储液瓶中） | 不方便实现 | 可以（同样通过控制储液瓶温度实现） |
| 复杂流型/程序化流量曲线 | 不支持 | 通常不支持 | 可以（如 LineUp 系列可实现复杂时序和波形） |
| 压力控制 | 无 | 无 | 可直接调控压力 |
| 流量控制 | 可以，但需要预先标定 | 可以，通过设定推进速度 | 需要配合流量传感器实现闭环流量控制 |
| 高流量输出 | 可实现 | 不适合（频繁补充注射器不方便） | 可实现 |
| 正反向流动 | 可以 | 视机型而定，可实现 | 可以，但通常需要对出口侧同步加压 |
| 静水压影响 | 基本不受影响 | 基本不受影响 | 会受到一定影响，但有多种设计技巧可有效减小这一问题。 |
总结与应用指南
- 蠕动泵：适合低成本、大体积液体输送场景，但精度和稳定性较差，更适用于对定量要求不高的传输或非生物类应用，而非严谨的定量微流控实验。
- 注射泵：在小体积样品注入方面很有优势，结构简单、易于使用。但由于流量脉动明显、响应速度较慢，不太适合用于需要高精度流量控制的微流控实验，例如液滴生成、细胞分析等。
- 压力驱动泵：具有高稳定性，可实现压力与流量的实时闭环控制，支持复杂流型编程，同时便于温控和气体注入，非常适合生物研究、液滴微流控、器官芯片以及各类高精度实验。但需要注意最大工作压力有限，在高落差或大高度差系统中有时需要考虑静水压补偿设计。
✅ 推荐：对于追求高精度、可重复结果的微流控实验，压力驱动泵通常是最可靠的选择。
⚠️ 提示：注射泵在小体积样品注入方面很有优势，但由于流量不够稳定，可能会影响生物实验结果的可重复性，使用时需谨慎评估。
升系统性能的小建议
在微流控领域，有许多配套方案可以帮助你更好地监控系统状态和优化压力泵使用。Fluigent 提供了丰富的模块化产品，方便你根据需求灵活搭建整体系统。
如果你希望更好地利用压力泵，建议考虑：
- 增加流量传感器，以实现对流量的实时监测与精确控制。配合专用软件，可以通过自动调节压力，直到达到目标流量。
- 在需要快速停流时，将微流控开关或切换阀加入系统，可以在不产生回流或残余缓慢渗流的情况下，迅速停止芯片内的流体。
- 使用微流控切换阀或电磁阀，以便快速更换液体或实现循环/回流。此类阀门在通道数量和配置上有多种选择，可用于分选、循环、回收等多种操作模式。
- 加强压力监测与控制：可以在现有微流控压力泵前端增加额外压力发生器或调压模块，对入口压力进行更精细的控制。
- 为获得高度单分散的液滴，可以在样品中添加适当的表面活性剂，以提高液滴稳定性和生成频率。
- 使用除泡器或脱气模块以避免气泡扰动流场。液体样品中的气泡是微流控实验中非常常见且棘手的问题：它们会扰乱流速、损伤设备或生物样品，并导致实验误差。因此，常需要通过如 Bubble Trap Kit 或脱气模块等配件，将气泡从样品中有效去除。
- 借助软件实现实验自动化，以获得更一致、更可重复的结果。通过统一的软件平台，可以监控并控制系统中所有兼容组件，实现实时状态查看、自动执行实验流程和条件触发的反馈调节，大大简化操作。
选择合适的微流控芯片材料
自微流控技术问世以来，它不断借助新技术发展，并持续向更多领域扩展。其中，生物和医疗相关应用已成为当前研究的重点方向之一。
从材料及功能角度看，玻璃和硅在部分场景仍扮演重要角色，但聚合物材料因加工便利、成本更低、设计灵活等优势，逐渐成为微流控芯片的主流选择。不同材料各有优缺点，需要根据具体应用进行权衡。
尽管 PDMS 仍然是微流控芯片微加工中最常用的基底材料，但越来越多具有特殊性能的新材料和复合材料正在被开发，用以更好地适应批量生产、降低成本，并提高对不同应用场景的适配性。
结论
对于希望获得更高精度、更快响应和更可靠结果的用户而言，基于压力的流量控制器通常优于传统的注射泵和蠕动泵。它们能够提供平滑、稳定且可实时调控的流动，非常适合现代微流控研究，尤其是液滴生成、器官芯片和细胞培养等应用。
微流控的发展才刚刚开始！
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References
- Beebe, D. J., Mensing, G. A., & Walker, G. M. (2002). Physics and applications of microfluidics in biology. Annual review of biomedical engineering, 4(1), 261-286.s. Lab on a Chip, 2008
- Li et al, Lab Chip 2014, 14, 744