微流控系统里的“体积”概念

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发布时间：2019-12-10 14:20
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在微流控实验中，所用到的芯片、毛细管、转接头、微阀等有流体流经的部件，从进样口至出样口之间的体积，被称作为该部件的内部体积（Internal Volume），内部体积由替换体积（Swept Volume）和死体积（Dead Volume）组成。正确的理解这些体积概念，对实验部件的选择、结果分析以及故障排查（如：死体积可能会带来交叉污染）有一定的帮助。

替换体积（Swept Volume）

替换体积指的是在流体流经部件时，一定会流经的通道所占的体积，如下图中，从进样口流至出样口之间的直线通道占的体积，即为替换体积。

为更好理解替换体积的概念，可参考下图，图中，红色箭头表示流体流向。

上图中，微阀切换工作状态，流体流向发生改变。在微阀切换工作状态示意图中，红色虚线框标出的体积即为替换体积，所以也可将替换体积理解为：在下一次通入流体时，会与新通入流体发生混合并被“推走”的那部分体积。

替换体积的存在，使得在实验中，重复使用某些部件，通入不同流体时，会造成交叉污染，所以实验中所用部件的替换体积越小越好。

死体积（Dead Volume）

死体积指的是在流体流经部件时，不需要流经的通道所占的体积，这部分体积通常因为部件结构设计、加工工艺、分子扩散等多种原因而产生。如在下图中，流体不用经过A区域，但实验过程中，A区域往往会充满液体，A区域所占体积，即为死体积。

死体积会导致流体残留，且无法通过液体完全清洗干净，因为当采用液体去清洗部件时，清洗液也会成为死体积的一部分。不过，目前已经有部分微流控部件制造商的产品，成功将死体积降为零，从根本上避免了死体积带来的交叉污染。和替换体积一样，实验中选用部件的死体积也是越小越好。

内部体积（Internal Volume）

简单的讲，死体积不能被“带走”的，而替换体积是可以被“带走”的，内部体积，即为替换体积和死体积的总和。

在微流控实验中，如果不对微流控系统中的部件连接进行优化，可能会产生额外的内部体积，因此在实验环境配置时，就应确保所有毛细管、转接头、微阀等部件的连接处于完全“拧紧”的状态，并采用与芯片进/出样口内径一致的毛细管，保证尽可能多的反应液流至微流控芯片。

替换体积、死体积和内部体积等参数在阀类产品中尤为重要，是考察阀质量的重要标准，也是选择阀的重要依据。如法国Fluigent和瑞士AMF的阀的死体积均为零，但替换体积相对美国LabSmith的阀而言较大，LabSmith的阀种类较多，内部体积很小（nL级别）。每种品牌的阀各有优缺点，在进行阀的选型时，应综合考虑微流控系统的使用环境、所进行的实验、对死体积是否有严格要求以及成本等因素。