sponsorowaneObsługa płynów Nowe podejście do mikrofluidyki: poprawa wydajności, zrównoważonego rozwoju i opłacalności

Wymagania stawiane nowoczesnym systemom analitycznym, diagnostycznym i z dziedziny nauk przyrodniczych stale rosną. Platformy sekwencjonowania, systemy PCR i technologie „organ-on-a-chip” muszą dziś nie tylko działać precyzyjniej i wydajniej, ale jednocześnie być bardziej kompaktowe, ekonomiczne i łatwiejsze do skalowania. Systemy kontroli przepływu płynów mogą stanowić w tym zakresie kluczowe czynniki wyróżniające. 

Przez długi czas systemy pomp i zawory stosowane w urządzeniach laboratoryjnych były postrzegane jedynie jako niezbędna infrastruktura, której zadaniem było niezawodne przemieszczanie cieczy przez układ mikroprzepływowy. Obecnie okazuje się jednak, że wydajne i innowacyjne rozwiązania w zakresie kontroli przepływu płynów mają decydujący wpływ na precyzję przepływu, nakłady związane z konserwacją, zużycie odczynników, skalowalność oraz całkowite koszty eksploatacji.

Ukryte koszty mechanicznych systemów regulacji przepływu płynów

W wielu zastosowaniach analitycznych i laboratoryjnych nadal stosuje się pompy strzykawkowe i zawory obrotowe. Te sprawdzone technologie mają jednak pewne wady, które w nowoczesnych systemach o wysokiej wydajności stają się coraz bardziej odczuwalne.

Oprócz wysokich kosztów zakupu pompy i zawory działające na zasadzie mechanicznej szybko ulegają zużyciu, co wiąże się z koniecznością regularnych prac konserwacyjnych, ponieważ trzeba je wymieniać. Konieczne są kalibracje, a przestoje mogą znacząco wpłynąć na dostępność urządzenia. Szczególnie w przypadku systemów z wieloma komórkami przepływowymi klasyczne architektury często napotykają ograniczenia związane ze skalowalnością. Dodatkowe kanały często wymagają zastosowania kolejnych pomp, zaworów i czujników, co znacznie zwiększa nakłady związane z integracją i kalibracją, a także koszty konserwacji.

Do tego dochodzą koszty eksploatacyjne związane z martwą objętością w układzie przepływu. Każdy mikrolitr odczynnika, który pozostaje w przewodach, rozdzielaczach lub zaworach, zwiększa koszt jednej analizy. Ponieważ w wielu zastosowaniach z zakresu biologii molekularnej wykorzystuje się drogie odczynniki, nawet niewielka redukcja tych strat może przynieść znaczne korzyści ekonomiczne. Jednocześnie złożone ścieżki przepływu zwiększają ryzyko efektów przenoszenia i zanieczyszczeń, co pociąga za sobą konieczność przeprowadzania dodatkowych cykli płukania, a tym samym większe zużycie zasobów.

Dlaczego komory przepływowe stawiają szczególnie wysokie wymagania

Gdy płyny muszą być precyzyjnie przepuszczane przez komory przepływowe lub chipy mikroprzepływowe, jakość sterowania przepływem ma bezpośredni wpływ na jakość wyników analizy. Już niewielkie wahania ciśnienia, pęcherzyki powietrza lub przepływy turbulentne mogą negatywnie wpłynąć na powtarzalność wyników, zafałszować wyniki testów lub, w najgorszym przypadku, uniemożliwić przeprowadzenie całego cyklu analitycznego.

Dla konstruktorów urządzeń oznacza to ciągłe poszukiwanie równowagi między minimalną objętością martwą, wysoką łatwością płukania, maksymalną precyzją a ekonomiczną produkcją. Jednocześnie zastosowane komponenty muszą być odporne na agresywne odczynniki i działać niezawodnie przez miliony cykli przełączania i przepływu. Wyzwaniem nie jest więc już wyłącznie dobór poszczególnych komponentów, ale opracowanie całościowo zoptymalizowanego systemu sterowania przepływem płynów.

Zalety technologii „air-over-liquid”

W tym kontekście coraz większego znaczenia nabiera transport płynów oparty na ciśnieniu powietrza. W przeciwieństwie do klasycznych pomp wyporowych płyn nie jest w tym przypadku transportowany bezpośrednio. Zamiast tego na przestrzeń powietrzną zbiornika wywierane jest określone ciśnienie, które w kontrolowany sposób przemieszcza ciecz przez układ mikroprzepływowy. Ta tzw. zasada przepływu typu „air-over-liquid” lub „pressure-driven flow” całkowicie oddziela elementy pneumatyczne od właściwego toru przepływu cieczy.

Zalety tej architektury wykraczają daleko poza samo tłoczenie płynu. Ponieważ płyn nie jest transportowany przez samą pompę, zmniejsza się ryzyko związane z niezgodnością materiałów, zanieczyszczeniami lub zużyciem. Jednocześnie nowoczesne czujniki i zamknięte pętle regulacyjne umożliwiają precyzyjne sterowanie profilami ciśnienia i przepływu. Nawet w przypadku zmian lepkości lub oporu przepływu można utrzymać stałe warunki transportu.

Miniaturowa pompa spełniająca najwyższe wymagania

Pompa piezoelektryczna Disc Pump firmy Lee została opracowana z myślą o tej zasadzie działania. Podczas gdy klasyczne źródła ciśnienia są często duże, ciężkie i charakteryzują się pulsacjami, pompa Disc Pump umożliwia niezwykle kompaktowe i precyzyjne wytwarzanie ciśnienia. Dzięki niewielkim rozmiarom – zaledwie kilka milimetrów wysokości i średnicy 30 mm – można ją zintegrować nawet w najbardziej wymagających przestrzeniach montażowych, co otwiera nowe możliwości w zakresie miniaturyzacji złożonych platform analitycznych.

Ich główną cechą charakterystyczną jest praca ultradźwiękowa bez pulsacji z częstotliwością 20 000 Hz. Pozwala to na wytwarzanie stabilnych przepływów laminarnych, które są wymagane zwłaszcza w platformach sekwencjonowania, systemach PCR, zastosowaniach typu „organ-on-a-chip” oraz mikroprzepływowych urządzeniach analitycznych. Jednocześnie pompa tarczowa, dzięki piezoelektrycznemu sterowaniu, reaguje na zmiany w systemie w ciągu milisekund. W połączeniu z czujnikami ciśnienia i przepływu powstają wysoce dynamiczne pętle regulacyjne, które mogą na bieżąco reagować na zmiany w układzie przepływowym.

Ta szybka zdolność reakcji pozwala nie tylko na precyzyjne dozowanie cieczy. Umożliwia ona również monitorowanie oporów przepływu płynów wewnątrz chipa i dostarcza cennych informacji na temat zmian biologicznych lub mechanicznych zachodzących w procesie. Skoki ciśnienia spowodowane pęcherzykami powietrza, zatorami lub zmianami w teście można wcześnie wykryć i skompensować. Dzięki temu wzrasta prawdopodobieństwo pomyślnego przebiegu cykli analitycznych, a jednocześnie zmniejsza się zużycie zasobów wynikające z nieudanych pomiarów.

Projektanci nadal jednak podchodzą do systemów pneumatycznych z pewnym sceptycyzmem. Często uważa się, że przepływanie oparte na ciśnieniu nie zapewnia wymaganej precyzji lub sprzyja tworzeniu się pęcherzyków powietrza. Nowoczesne systemy pokazują jednak zupełnie inny obraz. Wysoka prędkość regulacji pompy Disc Pump umożliwia znacznie szybsze dostosowanie się do zmienionych warunków procesowych niż w przypadku wielu konwencjonalnych pomp strzykawkowych. Dzięki temu można z dużą dokładnością utrzymać natężenia przepływu i profile ciśnienia. Praca charakteryzująca się niskim poziomem pulsacji zmniejsza ponadto ryzyko powstawania pęcherzyków powietrza. 

Systemy oparte na technologii Disc Pump zapewniają zatem połączenie precyzji, stabilności i niezawodności procesu, które w pełni spełnia wymagania współczesnych platform diagnostycznych i analitycznych.

Łatwa w obsłudze skalowalność

Kolejna zaleta systemów opartych na ciśnieniu ujawnia się w zakresie skalowalności. Podczas gdy tradycyjne pompy strzykawkowe często wymagają rozbudowy o kolejne kanały, systemy pneumatyczne mogą zasilać wiele strumieni płynów za pomocą wspólnych szyn ciśnieniowych. Zmniejsza to zajmowaną przestrzeń i znacznie ułatwia integrację dodatkowych kanałów analitycznych.

W szczególności połączenie pompy tarczowej, czujników i miniaturowych zaworów pozwala na tworzenie kompaktowych systemów sterowania przepływem płynów, które mogą jednocześnie zasilać kilka komórek przepływowych. Dla producentów platform sekwencjonowania lub systemów o wysokiej przepustowości otwiera to nowe możliwości zwiększenia wydajności ich urządzeń bez proporcjonalnego wzrostu ich rozmiarów i złożoności.

Rozwiązania z myślą o przyszłości

Rozwiązania w zakresie kontroli płynów ewoluują od podsystemów wspomagających do cech wyróżniających nowoczesne urządzenia analityczne i diagnostyczne. Chociaż tradycyjne architektury nadal mają swoje uzasadnienie, coraz częściej napotykają ograniczenia w takich kwestiach, jak skalowalność, nakłady na konserwację i koszty systemu.Systemy typu „air-over-liquid” oferują innowacyjne rozwiązania. Pompa dyskowa łączy w jednym elemencie kompaktową konstrukcję, wysoką precyzję regulacji, przepływ bez pulsacji oraz długą żywotność. W ten sposób odpowiada na kluczowe wyzwania współczesnych systemów mikroprzepływowych i wspiera producentów w opracowywaniu bardziej wydajnych, ekonomicznych i przyszłościowych instrumentów.