基于液滴的高速被动泵送微流控装置递送系统

被动泵送需要在出口处放置一个大液滴，在入口处放置一个小液滴。这将产生驱动流动所需的压力差。交替加入不同流体的液滴会导致液滴在通道中流动，最终在出口处被收集。

通过以足够高的频率输送低体积液滴，可在入口处形成稳定的流体壳层，从而实现高流速。大家好，我是来自威斯康星大学麦迪逊分校医学院生物医学工程系Justin Williams实验室的Pedro Reto。我是Brian Mogan，也来自Williams实验室。

我是Aaron Burier，来自W医学院生物医学工程系S教授的实验室。今天我们将向您展示一种在微流控装置中进行被动泵送的实验方法。在我们的实验室中，该方法用于研究微通道内的流动特性，以及生物应用中通道内的流体交换过程。

那么，让我们开始吧。首先，使用软光刻技术，采用聚甲基亚砜制作微流控装置。接着，将装置裁切下来，然后可逆地。

通过将PDMS装置按压到载玻片上并挤出其中的气泡，将其固定在载玻片上。这种可逆性连接使得装置能够多次重复使用。现在向装置中加入液体。

我们使用添加了食用色素的水。如果液体不能自行进入通道，可在入口处滴加一滴液体，并用移液枪在另一端抽吸，使液体流经通道。充满液体后，在入口处放置一小滴液体，在出口处放置一大滴液体。

通过观察入口处的小液滴收缩而出口处的液滴变大，确保液体正在流动。在继续之前，让我们先解释被动泵送的基本关系。被泵送液滴的动态行为取决于多个因素，包括通道的尺寸（高度和长度），以及放置在入口处液滴的大小。

为了更好地说明这些因素如何影响流体流动，我们将给出几个示例。首先考虑两条相似的通道，它们的宽度和高度相同，但其中一条比另一条更长。

现在我们在每个通道的入口处放置大小相同的液滴。观察到较短通道入口处的液滴比长通道的液滴更快塌陷。这是因为较长的通道具有更大的流体阻力，其内部流动更慢。

接下来，让我们探索另外两个具有相同长度和高度但宽度不同的通道。我们在每个通道的入口处放置相同的液滴，观察它们的塌陷过程。注意到较窄的通道使入口处液滴塌陷所需的时间更长了吗？

这是因为较窄的通道比宽的通道具有更大的流体阻力。最后，让我们取两个相同的通道，并在每个通道的入口处放置不同大小的液滴。注意观察较大的入口液滴比小的入口液滴需要更长的时间才能塌缩。

这是因为较小的液滴比大液滴体积更小，内部压力更高。已知较小的液滴优于较大的液滴，且已观察到这些小液滴的坍塌速度非常快，现在我们提出问题：如何以体积精确的方式将液滴递送至通道入口，从而能够开展生物学实验。

使用 Lee 公司的微量分配起始套件，组装一个或多个由 vol 阀、孔径为 0.0100 英寸的喷嘴以及软管接头组成的阀门。如图所示，此处我们将阀门通过管阀连接件与控制盒相连，这一步骤已在前文完成。然后我们连接一个尖峰电压源，即此处的这个接口。

然后连接控制电压源，接着是保持电压源。最后连接至接地端，以便在对准入口时将阀门固定到位。使用生物科学工具和微型固定装置。

这些装置可用于精确定位并固定阀门在某一位置。在实验过程中，使用三又四分之三盎司的注射器，构建一个储液系统，并将其放置在PDMS装置上方几英尺处。该储液系统可提供压力差，以驱动喷嘴工作。

将注射器针头连接到注射器上。然后将注射器针头连接至内径为1.14毫米的导管，再将该导管连接至内径为1.58毫米的导管。使用PDMS作为密封剂。

现在将内径为1.58毫米的管路连接到阀门的软管接头上。由于注射器针头与阀门之间已建立通路，向注射器储液腔中注入液体，以冲洗阀门并使管路充满水。将磁铁放置在阀门一侧，观察液体从储液腔流经阀门，并从直径0.01英寸的喷嘴流出。

我们使用计算机结合 LabVIEW 以及 Lee 公司的脉冲保持控制盒来控制该系统。为校准系统，将其中一个阀门对准培养皿或用于称重的浮舟。然后打开阀门，持续任意选定的时间，称量从喷嘴流出的水的总体积。

将该体积除以系统的总开启时间。此校准可使用户确定在任意给定时间内从喷嘴射出的水的体积。完成系统校准后，根据先前的校准结果，将喷嘴对准通道入口，使喷射出的水量恰好形成一滴液体进入通道入口，既不能过大而造成溢出，也不能过小而难以察觉。

请记得在每次实验之间去除气泡。现在我们已经了解了被动泵送的基本原理，并解释了系统的校准方法，接下来让我们看看当一切正常时用户应观察到的现象。以下视频展示的是微流控通道中的流体流动情况，从低频时的较大体积流量到高频时的较小体积流量的变化过程。

这将使用户了解先前的泵送技术以及自动流体输送系统的功能。以下视频中所使用的装置尺寸为：宽度 2.22 毫米，长度 10 毫米，高度 260 微米。入口和出口的直径分别为 1.78 毫米和 5.11 毫米。

需要两个或更多阀门才能产生如上所示的交替流动。接下来的视频展示了当前所用设备能够达到的最大流速。在此情况下，使用单个阀门来输送液体。

为了维持系统平衡，应从入口正上方直接对准阀门。注意液滴在入口处形成的液膜。这表示通过以设备被动泵送速度相等的速率向入口供水，从而维持了恒定的压力。

此外，请注意进样液滴在某一时刻会发生溢出。这很可能是由于对出样液滴造成扰动所致。通过清除进样端的溢出，系统可重新恢复平衡，流动得以继续进行。

通常情况下，我们刚刚向您展示了如何使用市售的微喷嘴建立、校准和操作被动泵送系统。在进行这些实验时，务必始终记住使用稳定的压力源，以避免气泡进入通道；了解通道几何形状、液滴尺寸之间的权衡关系，以实现所需的流体流动和交换；不要让出口处的液滴过大，否则会造成混乱或回流至入口；并保持您的PDMS装置清洁且干燥。

以上就是全部内容。感谢观看，祝您的实验顺利成功。