{"id":2271,"date":"2021-03-17T00:53:36","date_gmt":"2021-03-16T22:53:36","guid":{"rendered":"https:\/\/biophysical-tools.de\/?page_id=2271"},"modified":"2024-07-25T11:12:56","modified_gmt":"2024-07-25T09:12:56","slug":"pressure-driven-flow-control","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/biophysical-tools.de\/de\/pressure-driven-flow-control\/","title":{"rendered":"Str\u00f6mungskontrolle in der Mikrofluidik"},"content":{"rendered":"
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\"Syringe_amplification\"<\/a><\/p>\n\n\t\t<\/div>\n\t<\/div>\n\n\t

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Beitrag auf Englisch h\u00f6ren:<\/p>\n\nhttps:\/\/biophysical-tools.de\/wp-content\/uploads\/2021\/04\/EN1_Pressure_and_volume_driven_flowcontrol.mp3<\/a><\/audio>\n\n\t\t<\/div>\n\t<\/div>\n\n\t

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Beitrag auf Deutsch h\u00f6ren:<\/p>\nhttps:\/\/biophysical-tools.de\/wp-content\/uploads\/2021\/04\/DE1_Druckbasierte_und_volumentbasierte_Stroemungskontrolle-18.04.21-20.19.mp3<\/a><\/audio>\n\n\t\t<\/div>\n\t<\/div>\n<\/div><\/div><\/div>

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Druckbasierte und volumenbasierte Str\u00f6mungskontrolle in der Mikrofluidik<\/strong><\/p>\n

Spritzen- und Peristaltikpumpen geh\u00f6ren seit Jahrzehnten in die biologischen und chemischen Labore. So war es nachvollziehbar, dass diese f\u00fcr den Einsatz in mikrofluidischen Setups bevorzugt wurden. Die beiden Pumpen basieren auf der volumengesteuerten Str\u00f6mungskontrolle und haben aus hydrodynamischer Sicht eine Reihe von Nachteilen, wodurch deren Einsatz f\u00fcr Mikrosysteme eher ung\u00fcnstig wird.\u00a0<\/span><\/p>\n

So weisen\u00a0 <\/span>Spritzenpumpen<\/b> erhebliche Limitationen in puncto des verf\u00fcgbaren Fl\u00fcssigkeitsvolumens auf. Wird eine Spritze mit einer Querschnittsfl\u00e4che von A = 1 cm2 an einen typischen Mikrokanal von 10\u00d7100\u03bcm=0,00001xA angeschlossen, ergibt sich eine 100.000-fache Erh\u00f6hung der Str\u00f6mungsgeschwindigkeit im Mikrokanal. Zwar kann ggf. dieser Nachteil durch den Einsatz von kommerziell verf\u00fcgbaren hochpr\u00e4zisen Spritzenpumpen \u00fcberwunden werden, es bleiben jedoch weitere Schwierigkeiten, beispielsweise das Nachf\u00fcllen der Spritze w\u00e4hrend des Experiments, das gezwungenerma\u00dfen hierzu unterbrochen werden muss.

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<\/span>Weitere Infos<\/div>
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In der Peristaltikpumpe<\/b> erfolgt die Verdr\u00e4ngung des Volumens durch Zusammendr\u00fccken des Schlauchs. <\/span>Das genaue Perfusionsvolumen l\u00e4sst sich dadurch nur schwer bestimmen, da es vom Schlauchmaterial abh\u00e4ngt, das wiederum in Abh\u00e4ngigkeit von Temperatur und Verschlei\u00df variiert. Auf der Mikroskala f\u00fchrt dieser Ansatz <\/span>zu einigen Nachteilen. Zudem ist die Str\u00f6mung pulsierend und Zellen oder andere zu beobachtende Objekte k\u00f6nnen w\u00e4hrend des Quetschvorgangs besch\u00e4digt werden.<\/p>\n

Ein anderer Zugang zur Str\u00f6mungskontrolle\u00a0 <\/span>im mikrofluidischen Kanal basiert auf dem Druck<\/b>. Am einfachsten erreicht man dies durch die Ausnutzung des hydrostatischen Drucks, wobei 100 mbar 1m Wassers\u00e4ule entsprechen. Nachteilig ist es jedoch dabei, dass kleinste Luftschwankungen bzw. \u00c4nderungen des atmosph\u00e4rischen Drucks oder Vibrationen das Experiment beeinflussen k\u00f6nnen.\u00a0<\/span><\/p>\n

Seit 2004 werden in der Mikrofluidik druckbasierte Str\u00f6mungsregler<\/b> verwendet. Sie erm\u00f6glichen eine ultraschnelle, sanfte, pr\u00e4zise und vibrationsunempfindliche Str\u00f6mungskontrolle im Mikrokanal. Zudem k\u00f6nnen Fl\u00fcssigkeiten nachgef\u00fcllt werden, ohne dass das Experiment dabei unterbrochen werden muss. F\u00fcr diesen Ansatz ist es notwendig, in Druck und nicht in Volumen zu denken, um die Str\u00f6mung im Mikrokanal zu kontrollieren. Falls erforderlich, kann die Flussrate mit Durchflusssensoren gemessen, berechnet oder kalibriert werden, z. B. durch Abwiegung.<\/p>\n

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Durchflusssensoren und druckbasierte Str\u00f6mungskontrolle in der Mikrofluidik<\/strong><\/p>\n

Beim Einsatz der druckbasierten Str\u00f6mungskontrolle in der Mikrofluidik arbeitet man mit Druck, nicht mit volumetrischen Durchflussraten. In einigen F\u00e4llen ist es jedoch notwendig oder von Vorteil, die volumetrische Flussrate im Mikrokanal zu kennen. Beispielsweise bei der Realisierung eines vorgegebenen Protokolls f\u00fcr die Zellkultur, St\u00f6chiometrie im Mikrokanal oder einfach zur \u00dcberwachung des Verbrauchs von wertvollen Reagenzien. In solchen Situationen kann die Flussrate im Kanal auf unterschiedlichen Wegen bestimmt werden. In der Regel kann man sie berechnen, indem man die Tr\u00f6pfchen bei bestimmten Druckwerten wiegt und so das System kalibriert. Dies ist die genaueste Methode, sie ist aber auch etwas umst\u00e4ndlich. Eine gute Alternative hierzu sind kommerziell verf\u00fcgbare Durchflusssensoren.<\/p>\n

The available flow meters in the market are usually integrated upstream of the microchannel. However, the measured flow rate is not precisely equivalent to the actual volumetric flow rate, since the method is indirect, e.g. based on the temperature or Coriolis force. It makes the calibration before use mandatory. [\/text_output][text_output]

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<\/span>Weitere Infos<\/div>
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Furthermore,\u00a0 <\/span>besteht die Notwendigkeit, die Pr\u00e4zision der derzeit angebotenen Sensoren im \u00b5l-Bereich um einiges zu optimieren, um zuverl\u00e4ssige Ergebnisse bei der Messung zu erzielen.\u00a0<\/span><\/p>\n

Die Durchflusssensoren f\u00fcr die Mikrofluidik basieren auf unterschiedlichen Ans\u00e4tzen. Die bekanntesten verwenden zwei Prinzipien:<\/p>\n