基于微流控芯片的氣壓驅(qū)動進樣系統(tǒng)的特性研究*

郭宛星，徐秀林

(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

1 引 言

微流控芯片[1]是將成百上千的微流道集成于以平方厘米為單位的芯片上，實現(xiàn)樣本的制備、分離、篩選、檢測等功能[2-3]。其特點在于可以用極少量的檢測樣本有效地完成各類檢測，可取代常規(guī)的生化實驗平臺[4-6]。微流控芯片利用聚二甲基硅氧烷(polydimethyisiloxane, PDMS)和有機玻璃等材料通過軟刻蝕方式進行封裝[7-10]，其中微流道的內(nèi)徑非常微小，可以實現(xiàn)低至1 μm的空間細胞操作精度[11-12]，因此,在向微流道中進樣時，對于流量的控制要求非常高[13]。

目前，微流控進樣系統(tǒng)主要采用注射泵[14-15]和蠕動泵[16-17]來推送樣液，但這兩種方式在微流控芯片進樣的應(yīng)用中仍有很多問題，如注射泵存在流量脈動現(xiàn)象，且注射器內(nèi)易殘留空氣，導(dǎo)致存在死體積而使得樣液的推送不完全[18-19]；蠕動泵的脈沖式驅(qū)動工作原理會導(dǎo)致輸出流量存在脈動現(xiàn)象等，而采用氣壓驅(qū)動可以避免以上問題[20]。目前國外產(chǎn)品,如法國FLUENT公司基于傳統(tǒng)的壓力控制元件生產(chǎn)的MFCS-EZ流體驅(qū)動-精密壓力控制器性能比較優(yōu)良，達到穩(wěn)定的時間可低至100 ms,壓力穩(wěn)定誤差小于0.1%,但價格高昂；美國Elveflow公司基于壓電效應(yīng)設(shè)計的OB1MK3壓力控制器效果更加理想，達到穩(wěn)定的時間可低至35 ms,壓力穩(wěn)定誤差小于0.01%，但其功耗較高，售價更為昂貴。目前國內(nèi)在壓力驅(qū)動流量的控制器產(chǎn)品方面，只有少量產(chǎn)品面世，如逢泰科技有限公司生產(chǎn)的FTZ系列智能壓力變送控制器，但其壓力穩(wěn)定誤差在0.5%左右，且該產(chǎn)品無法通過上位機進行穩(wěn)定控制。本研究設(shè)計了一種對微流控芯片內(nèi)的液體流量實現(xiàn)精準控制的氣壓驅(qū)動進樣系統(tǒng)，可以通過上位機反饋算法實時修正控制信號，實現(xiàn)了對微流體流量的精準控制。

2 裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

該基于微流控芯片的氣壓驅(qū)動進樣裝置由供氣源、電控調(diào)壓閥、PVC管道、密封儲液瓶、壓力傳感器、流量傳感器、控制電路等組成，通過該進樣裝置可控制輸出穩(wěn)定流量的樣液。

供氣源采用正壓氣泵，調(diào)壓閥采用精密電控調(diào)壓，氣體管道連接供氣源、精密電控調(diào)壓閥和儲液瓶。樣液預(yù)先放置到儲液瓶中，經(jīng)氣壓驅(qū)動后，由儲液瓶的出液口通過管道進入微流控芯片。系統(tǒng)控制電路包括電壓控制器、STM32芯片模塊及AD模塊。壓力傳感器連接在精密電控調(diào)壓閥和儲液瓶之間，實時地將氣壓數(shù)據(jù)通過控制模塊傳送給上位機，流量傳感器連接在儲液瓶的出液口，將液體流速數(shù)據(jù)通過控制模塊實時地傳遞至上位機，上位機將采集到的壓力和流量數(shù)據(jù)通過模糊PID計算得出控制電壓，通過串口通信將控制電壓信號發(fā)送到控制模塊，再通過控制模塊控制精密調(diào)壓閥的開度，實時控制儲液瓶中氣體壓力，進而精準控制樣液的輸出流量，其工作原理見圖1。

圖1 氣壓驅(qū)動進樣裝置工作原理圖

首先設(shè)定樣液輸出流量值，經(jīng)過PID程序算法計算后，得到電控調(diào)壓閥的控制量，再通過STM32芯片向精密電控調(diào)壓閥發(fā)送控制信號，從而控制儲液瓶中的氣體壓力，實現(xiàn)對樣液輸出流量的實時控制。

整個進樣裝置氣道中氣體的流動路徑為： “正壓氣泵→氣體管道→精密調(diào)壓閥→氣體管道→儲液瓶”，樣液的流動路徑為“儲液瓶→液體管道→微流控芯片→收集溶液瓶”。

3 仿真模型建立與結(jié)果

3.1 建立數(shù)學(xué)模型

3.1.1氣體流道中數(shù)學(xué)模型的建立 正壓氣泵輸出的氣體經(jīng)精密調(diào)壓閥調(diào)控后輸出特定壓強的氣體，其中精密調(diào)壓閥在控制電壓0～10 V區(qū)間線性對應(yīng)0～1 bar(1 bar=100 kpa)的氣體壓強，因此進入儲液瓶中的氣體壓強為：

P=U×10000

(1)

其中，P為氣體壓強，單位pa，U為控制電壓值,單位V。

3.1.2樣液的運動模型 對被驅(qū)動液體(儲液瓶中的樣液)的運動過程進行受力分析，其運動模型見圖2。

圖2 緩沖瓶中樣液的流動模型

不考慮液體被壓縮的因素，根據(jù)液體的流動連續(xù)性方程可以得出：

(2)

Ax=A0L(t)

(3)

上式中，A為圓柱形儲液瓶的橫截面，單位m2;

A0為出液管的橫截面積，單位m2；

v為出液管中樣液的輸出速度，單位m/s；

x為圓柱形儲液瓶的液面下降高度，單位m；

L(t)為出液管中隨時間變換的樣液充注長度，單位m;

在不考慮慣性力作用情況下，將管道中的樣液等效為圓管層流流動，得出流量公式：

(4)

式中，μ為液體粘度，單位Pa/s；

d為出液管的直徑，單位m ；

L為出液管的長度,單位m；

P1為出液管出口處的壓力，即充液的初始壓力，單位Pa ；

3.2 建立仿真模型

用Matlab軟件中的Simulink建立數(shù)學(xué)模型進行系統(tǒng)的仿真，閉環(huán)仿真模型見圖3，Q0為樣液推送輸入端，通過模塊1進行計算，經(jīng)過PID閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)后，由模塊2將流量信號轉(zhuǎn)換為壓力控制信號，精密電磁閥調(diào)控模塊3中氣體的壓強;緩沖瓶內(nèi)樣液驅(qū)動模塊4,使樣液在氣體推動下以一定流量輸出，通過模塊5進行計算，輸出設(shè)定的流量。

圖3 閉環(huán)仿真模型

3.3 仿真分析

本研究根據(jù)流體運動模型建立了氣壓驅(qū)動進樣裝置的閉環(huán)仿真模型。在氣壓驅(qū)動進樣裝置的動態(tài)特性仿真中，分別設(shè)置樣液輸出流量為10、20、30、40 mL/h,仿真結(jié)果見圖4。其中，圖4(a)—(d)的樣液輸出流量分別為10、20、30、40 mL/h，輸出流量達到穩(wěn)定的時間分別約為50、55、60、68 ms，輸出穩(wěn)定誤差均為3%。由仿真結(jié)果可知，以上設(shè)置的輸出量達到輸出穩(wěn)定的時間最大不超過70 ms,穩(wěn)定誤差均為3%。說明整個仿真系統(tǒng)能夠很快實現(xiàn)動態(tài)響應(yīng)且輸出平穩(wěn)，滿足后續(xù)分選微流道進行分選實驗的要求。

圖4 仿真結(jié)果

4 試驗與結(jié)果分析

4.1 試驗平臺建立

建立的實驗平臺模型見圖5，該模型由正壓氣源、精密電磁調(diào)壓閥、壓力傳感器、儲液瓶、流量傳感器、控制模塊等組成。其中精密電磁閥采用德國Tecno公司生產(chǎn)的型號為PS120000-020-01系列比例電磁閥，該比例電磁閥調(diào)壓精度可達到2 mbar；壓力傳感器采用法國ELveflow微流控公司生產(chǎn)的型號為PS3的氣體壓力傳感器，其測量誤差為2.5 mbar,流量傳感器也選用該公司生產(chǎn)的型號為FS4的流量傳感器，其測量誤差為0.3 mL/h。

圖5 實驗平臺模型圖

通過外部220 V電源供電，經(jīng)電源管理模塊調(diào)控后,分別給正壓氣泵和精密電磁調(diào)壓閥供電，上位機設(shè)定所需要的樣本液的流量，通過串口通訊將控制信號發(fā)送至控制模塊，采用STM32芯片來控制精密電磁調(diào)壓閥，實現(xiàn)對緩沖溶液瓶中氣體壓力的精準控制，得到目標流量的樣液輸出，氣體壓力傳感器和流量傳感器實時地將采集到的數(shù)據(jù)通過控制模塊發(fā)送至上位機，上位機軟件對壓力數(shù)據(jù)和流速數(shù)據(jù)進行實時顯示，并通過PID算法計算并修正控制信號，實現(xiàn)整個系統(tǒng)閉環(huán)反饋控制，提高了控制精度。

4.2 實驗結(jié)果

采用PBS緩沖液作為試驗樣品，實驗結(jié)果見圖6。圖6(a)—(d)為樣液輸出流量分別為10、20、30、40 mL/h的實驗結(jié)果,輸出流量達到穩(wěn)定的時間分別為50、61、68、75 ms，輸出穩(wěn)定誤差均為5%。由此可知，在輸出流量設(shè)定為10、20、30、40 mL/h時，達到穩(wěn)定輸出所需要的時間最大值不超過75 ms,穩(wěn)定誤差為5%。

圖6 實驗結(jié)果

4.3 結(jié)果分析

使用SPSS軟件對仿真結(jié)果和實驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行分析，獲得相關(guān)系數(shù)為r=0.976，由此可知,實驗結(jié)果與仿真結(jié)果呈高度正相關(guān)。實驗結(jié)果中的穩(wěn)定誤差相比于仿真結(jié)果由3%擴大為5%，見表1。

表1 仿真結(jié)果與實驗結(jié)果

5 結(jié)果與討論

本研究針對目前氣動微流控芯片控制系統(tǒng)微型化、自動化及集成化的需求，設(shè)計了一種新型的采取氣壓泵控制驅(qū)動的微流控進液系統(tǒng)。在建立進樣系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型后，使用Matlab中的Simulink搭建仿真模型，得到不同進樣流量時的動態(tài)仿真結(jié)果，通過分析仿真結(jié)果可知，所建立的仿真模型滿足系統(tǒng)快速響應(yīng)及流量穩(wěn)定輸出的要求。

通過實驗平臺進行驗證，上述實驗結(jié)果與國外高性能壓力控制器的結(jié)果相比，達到流體穩(wěn)定輸出的時間及輸出穩(wěn)定性均有一定的差距，后續(xù)可通過改進控制算法、優(yōu)化控制模塊來提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，或采用將閉環(huán)反饋的PID算法改進為模糊PID算法，減小控制模塊在電壓輸出時的誤差，使用工作性能更為優(yōu)良的正壓氣源等方法來提高其穩(wěn)定性。