基于微流控芯片的氣壓驅動進樣系統的特性研究*

郭宛星，徐秀林

(上海理工大學醫療器械與食品學院，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]，其中微流道的內徑非常微小，可以實現低至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用中仍有很多問題，如注射泵存在流量脈動現象，且注射器內易殘留空氣，導致存在死體積而使得樣液的推送不完全[18-19]；蠕動泵的脈沖式驅動工作原理會導致輸出流量存在脈動現象等，而采用氣壓驅動可以避免以上問題[20]。目前國外產品,如法國FLUENT公司基于傳統的壓力控制元件生產的MFCS-EZ流體驅動-精密壓力控制器性能比較優良，達到穩定的時間可低至100 ms,壓力穩定誤差小于0.1%,但價格高昂；美國Elveflow公司基于壓電效應設計的OB1MK3壓力控制器效果更加理想，達到穩定的時間可低至35 ms,壓力穩定誤差小于0.01%，但其功耗較高，售價更為昂貴。目前國內在壓力驅動流量的控制器產品方面，只有少量產品面世，如逢泰科技有限公司生產的FTZ系列智能壓力變送控制器，但其壓力穩定誤差在0.5%左右，且該產品無法通過上位機進行穩定控制。本研究設計了一種對微流控芯片內的液體流量實現精準控制的氣壓驅動進樣系統，可以通過上位機反饋算法實時修正控制信號，實現了對微流體流量的精準控制。

2 裝置結構與工作原理

該基于微流控芯片的氣壓驅動進樣裝置由供氣源、電控調壓閥、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定流量的樣液。

供氣源采用正壓氣泵，調壓閥采用精密電控調壓，氣體管道連接供氣源、精密電控調壓閥和儲液瓶。樣液預先放置到儲液瓶中，經氣壓驅動后，由儲液瓶的出液口通過管道進入微流控芯片。系統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壓閥和儲液瓶之間，實時地將氣壓數據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，將液體流速數據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據通過模糊PID計算得出控制電壓，通過串口通信將控制電壓信號發送到控制模塊，再通過控制模塊控制精密調壓閥的開度，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 氣壓驅動進樣裝置工作原理圖

首先設定樣液輸出流量值，經過PID程序算法計算后，得到電控調壓閥的控制量，再通過STM32芯片向精密電控調壓閥發送控制信號，從而控制儲液瓶中的氣體壓力，實現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 仿真模型建立與結果

3.1 建立數學模型

3.1.1氣體流道中數學模型的建立 正壓氣泵輸出的氣體經精密調壓閥調控后輸出特定壓強的氣體，其中精密調壓閥在控制電壓0～10 V區間線性對應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，根據液體的流動連續性方程可以得出：

(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建立數學模型進行系統的仿真，閉環仿真模型見圖3，Q0為樣液推送輸入端，通過模塊1進行計算，經過PID閉環反饋調節后，由模塊2將流量信號轉換為壓力控制信號，精密電磁閥調控模塊3中氣體的壓強;緩沖瓶內樣液驅動模塊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，輸出設定的流量。

圖3 閉環仿真模型

3.3 仿真分析

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

圖4 仿真結果

4 試驗與結果分析

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公司生產的型號為PS120000-020-01系列比例電磁閥，該比例電磁閥調壓精度可達到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，經電源管理模塊調控后,分別給正壓氣泵和精密電磁調壓閥供電，上位機設定所需要的樣本液的流量，通過串口通訊將控制信號發送至控制模塊，采用STM32芯片來控制精密電磁調壓閥，實現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據通過控制模塊發送至上位機，上位機軟件對壓力數據和流速數據進行實時顯示，并通過PID算法計算并修正控制信號，實現整個系統閉環反饋控制，提高了控制精度。

4.2 實驗結果

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

圖6 實驗結果

4.3 結果分析

使用SPSS軟件對仿真結果和實驗結果數據進行分析，獲得相關系數為r=0.976，由此可知,實驗結果與仿真結果呈高度正相關。實驗結果中的穩定誤差相比于仿真結果由3%擴大為5%，見表1。

表1 仿真結果與實驗結果

5 結果與討論

本研究針對目前氣動微流控芯片控制系統微型化、自動化及集成化的需求，設計了一種新型的采取氣壓泵控制驅動的微流控進液系統。在建立進樣系統的數學模型后，使用Matlab中的Simulink搭建仿真模型，得到不同進樣流量時的動態仿真結果，通過分析仿真結果可知，所建立的仿真模型滿足系統快速響應及流量穩定輸出的要求。

通過實驗平臺進行驗證，上述實驗結果與國外高性能壓力控制器的結果相比，達到流體穩定輸出的時間及輸出穩定性均有一定的差距，后續可通過改進控制算法、優化控制模塊來提高系統的動態響應特性，或采用將閉環反饋的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良的正壓氣源等方法來提高其穩定性。