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微流控系统里的“体积”概念

微流控系统里的“体积”概念

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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。