面向微流控應(yīng)用的3D打印流量傳感器

微流控系統(tǒng)的運行流速很低，通常小于1毫升/分鐘。雖然這一特性顯著減少了生物樣品和試劑的消耗量，并且有助于在微流控系統(tǒng)內(nèi)形成高度有序的層流剖面，但也使利用傳統(tǒng)流量傳感系統(tǒng)監(jiān)測流量變得極具挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)推動了各種面向極低流速測量的流量傳感器的開發(fā)。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，流量傳感器可以分為主動式和被動式兩類。主動式流量傳感器使用外部能量來測量流量。最常見的市售主動式流量傳感技術(shù)包括熱式流量傳感器和科里奧利流量傳感器。熱式流傳感器基于對流加熱原理，通常包含一個加熱元件和兩個溫度傳感器。加熱元件注入的熱量導(dǎo)致附近流體介質(zhì)溫度上升，再由溫度傳感器測量。當(dāng)介質(zhì)流速提高，介質(zhì)帶走的熱量增多，兩個溫度傳感器的溫度差將隨介質(zhì)的流速變化而變化，根據(jù)溫度差與介質(zhì)流速的比例關(guān)系，可得出流體的流量。

近年來，已開發(fā)出利用瞬態(tài)熱偏移方法的單元件熱流傳感器，其中金屬結(jié)構(gòu)同時用作加熱元件和溫度傳感器。熱式流量傳感器沒有運動元件，因此不會對附近流體介質(zhì)產(chǎn)生額外的機械應(yīng)力（如剪切應(yīng)力），這在處理機械敏感樣本（如人類血液）時很重要。不過，在系統(tǒng)中增加熱量可能會破壞樣品中的熱敏蛋白。另外，熱式流量傳感器能夠測量動態(tài)流速，但由于水性溶液的高比熱容，它們的響應(yīng)時間可能會受到限制。

科里奧利流量傳感器的工作原理是科里奧利效應(yīng)（Coriolis effect），意味著在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中運動的質(zhì)量會受到垂直于其運動方向和系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸的力。科里奧利流量傳感器采用U形管，通過磁線圈以其諧振頻率振蕩。當(dāng)液體運動穿過振蕩管時，它會受到與其質(zhì)量流量成比例的科里奧利力。在管入口臂中感應(yīng)的科里奧利力與在管出口臂中感應(yīng)的力相反。從而導(dǎo)致管扭曲，然后通過連接到管上的靈敏運動傳感器進(jìn)行測量。科里奧利流量傳感器高度精確，不受流體特性影響。不過，由于采用了振蕩管的執(zhí)行器以及傳感器，它們可能相對比較昂貴。此外，管振蕩會對機械敏感細(xì)胞施加不必要的機械應(yīng)力。

被動式流量傳感器不需要外部能量來測量流量。最常見的被動式流量傳感器包括基于重力和懸臂的流量傳感器。重力流量傳感器通過測量儲液器中收集的液體質(zhì)量隨時間的波動來確定流量。這些傳感器可以非常精確，但是需要大尺寸設(shè)備，并且數(shù)據(jù)采集速率較低。

懸臂流量傳感器通過測量嵌入流體結(jié)構(gòu)中懸臂的偏轉(zhuǎn)來獲取流量信息。懸臂的偏轉(zhuǎn)由與流量成比例的粘性阻力引起，通常利用連接懸臂底部的壓電電阻器進(jìn)行測量。懸臂流量傳感器響應(yīng)速度快，但需要復(fù)雜且耗時的制造過程，并且可能容易結(jié)垢。

近期還開發(fā)了基于應(yīng)變的流量傳感器，將柔性聚烯烴膜結(jié)合到微流控通道中。流體運動引起的壓力導(dǎo)致聚烯烴膜應(yīng)變，改變了其電阻，基于該原理可以進(jìn)行流量測量。

對于含有高密度懸浮顆粒或細(xì)胞的流體，粒子圖像測速技術(shù)（PIV）及激光多普勒測速技術(shù)（LDV）已被用于監(jiān)測流量。PIV通過跟蹤微流控結(jié)構(gòu)中的顆粒來測量流速，并廣泛用于流體可視化。高速相機結(jié)合連續(xù)波激光器可以測量高瞬態(tài)流量。盡管它具有高精度并能繪制3D流量場，但它需要昂貴的光學(xué)設(shè)備，包括配備相機和脈沖激光源的倒置顯微鏡。此外，分析數(shù)據(jù)的過程也很耗時。

LDV利用相干偏振激光束和光電探測器來測量運動顆粒散射光的頻移。其頻移由多普勒效應(yīng)引起，與顆粒的速度成正比。這種方法也已用于通過流動氣泡或液滴產(chǎn)生的衍射光柵來測量無顆粒/細(xì)胞流體的流量。LDV能夠?qū)α魉龠M(jìn)行局部和瞬時測量。然而，盡管已經(jīng)嘗試將這項技術(shù)小型化，但它還是需要相當(dāng)昂貴的光學(xué)設(shè)備。

3D打印技術(shù)的空前發(fā)展和全球廣泛應(yīng)用，推動了其在分辨率、質(zhì)量、油墨和耗材多樣性等方面的快速進(jìn)步，并大幅降低了成本。這些進(jìn)步使定制化微流控結(jié)構(gòu)的快速原型設(shè)計成為可能。3D打印技術(shù)實現(xiàn)了構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高精度和三維自由度，有助于制造或集成市售傳感器以提供流量傳感功能。3D打印技術(shù)預(yù)計將推動流量傳感器在微流控中的廣泛應(yīng)用。

研究人員基于3D打印技術(shù)開發(fā)的流量傳感器，1）微流控管；2）兩個壓力傳感器；3）3D打印外殼；4）印刷電路板。

澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)（RMIT University）開發(fā)了一種應(yīng)用于微流控系統(tǒng)的流量傳感器。該流量傳感器利用了安裝在3D打印微流控管上的兩個微型商用壓力傳感器，基于兩個傳感器之間產(chǎn)生的粘性壓降來測量流量。通過改變微流控管直徑，可以調(diào)節(jié)流量傳感器的工作范圍。研究人員證明該流量傳感器適用于由注射器、壓電泵和壓力泵驅(qū)動的恒定及動態(tài)流量測量，并針對水、水-甘油溶液和人體血液對該流量傳感器進(jìn)行了表征。憑借該傳感器的靈敏度，研究人員測量了人體血液在生理和室溫下的粘度。研究人員還展示了利用該流量傳感器監(jiān)測手動移液管產(chǎn)生的瞬時流量。實驗證明，該流量傳感器結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、響應(yīng)速度快，且沒有運動元件，能夠很容易地進(jìn)行定制、連接和操作。這些特性使其在微流控系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。