gesponsordVloeistofbehandeling Een nieuwe kijk op microfluïdica: prestaties, duurzaamheid en kostenefficiëntie verbeteren

5 min Leestijd

Gesponsord door

De eisen die aan moderne analyse-, diagnostiek- en life-science-systemen worden gesteld, nemen voortdurend toe. Sequentieplatforms, PCR-systemen en ‘organ-on-a-chip’-technologieën moeten tegenwoordig niet alleen nauwkeuriger en krachtiger werken, maar tegelijkertijd ook compacter, zuiniger en eenvoudiger schaalbaar zijn. Vloeistofregelsystemen kunnen hierbij doorslaggevende onderscheidende kenmerken zijn. 

De Disc Pump komt ook goed tot zijn recht bij lucht-vloeistoftoepassingen, zoals bij pipetten met luchtkussens.(Bild:  Collage: Adobe Stock / luchschenF, Lee)
De Disc Pump komt ook goed tot zijn recht bij lucht-vloeistoftoepassingen, zoals bij pipetten met luchtkussens.
(Bild: Collage: Adobe Stock / luchschenF, Lee)

Lange tijd werden pompsystemen en kleppen voor laboratoriumapparatuur louter beschouwd als noodzakelijke infrastructuur, die tot taak had vloeistoffen betrouwbaar door een microfluïdisch systeem te leiden. Tegenwoordig blijkt echter dat krachtige en innovatieve oplossingen voor vloeistofregeling een grote invloed hebben op de precisie van de vloeistofgeleiding, de onderhoudskosten, het verbruik van reagentia, de schaalbaarheid en de totale exploitatiekosten.

Verborgen kosten van mechanische vloeistofregelsystemen

In talrijke analyse- en laboratoriumtoepassingen worden nog steeds spuitpompen en draaikleppen gebruikt. Deze gevestigde technologieën hebben nadelen die in moderne systemen met hoge doorvoercapaciteit steeds meer een rol gaan spelen.

Naast hoge aanschafkosten slijten mechanisch werkende pompen en kleppen snel, waardoor ze regelmatig onderhoud vergen omdat ze vervangen moeten worden. Kalibraties zijn noodzakelijk en uitval kan de beschikbaarheid van een instrument aanzienlijk beperken. Vooral bij systemen met meerdere flowcellen stuiten klassieke architecturen vaak op schaalbaarheidsbeperkingen. Extra kanalen vereisen vaak meer pompen, kleppen en sensoren, waardoor de integratie- en kalibratie-inspanningen en de onderhoudskosten aanzienlijk toenemen.

Daarnaast zijn er exploitatiekosten als gevolg van dode volumes binnen het vloeistofsysteem. Elke microliter reagens die in leidingen, verdeelstukken of kleppen achterblijft, verhoogt de kosten per analyse. Aangezien bij veel moleculair-biologische toepassingen gebruik wordt gemaakt van dure reagentia, kan zelfs een geringe vermindering van deze verliezen aanzienlijke economische voordelen opleveren. Tegelijkertijd verhogen complexe stromingswegen het risico op carry-over-effecten en contaminaties, wat extra spoelcycli en daarmee een hoger verbruik van hulpbronnen tot gevolg heeft.

Waarom flow cells bijzonder hoge eisen stellen

Wanneer vloeistoffen nauwkeurig door flowcellen of microfluïdische chips moeten worden geleid, heeft de kwaliteit van de vloeistofregeling een directe invloed op de kwaliteit van de analyseresultaten. Zelfs kleine drukschommelingen, luchtbellen of turbulente stromingen kunnen de reproduceerbaarheid aantasten, assays vertekenen of in het ergste geval een volledige analysecyclus onbruikbaar maken.

Voor apparaatontwikkelaars betekent dit een voortdurende evenwichtsoefening tussen een minimaal doodvolume, een hoge spoelbaarheid, maximale precisie en een kostenefficiënte productie. Tegelijkertijd moeten de gebruikte componenten bestand zijn tegen agressieve reagentia en gedurende miljoenen schakel- en transportcycli betrouwbaar blijven functioneren. De uitdaging ligt daarom niet langer alleen in de keuze van afzonderlijke componenten, maar in de ontwikkeling van een holistisch geoptimaliseerd vloeistofregelsysteem.

Voordelen van Air-over-Liquid

Tegen deze achtergrond wint vloeistoftransport op basis van luchtdruk steeds meer aan belang. In tegenstelling tot klassieke verdringerpompen wordt de vloeistof daarbij niet rechtstreeks verplaatst. In plaats daarvan wordt een bepaalde druk uitgeoefend op de luchtruimte van een reservoir, waardoor de vloeistof op gecontroleerde wijze door het microfluïdische systeem wordt verplaatst. Dit zogenaamde ‘air-over-liquid’- of ‘pressure-driven-flow’-principe scheidt de pneumatische componenten volledig van het eigenlijke vloeistofpad.

De voordelen van deze architectuur reiken veel verder dan alleen het verpompen van de vloeistof. Aangezien de vloeistof niet door de pomp zelf wordt getransporteerd, nemen de risico’s als gevolg van materiaalincompatibiliteit, verontreiniging of slijtage af. Tegelijkertijd maken moderne sensoren en gesloten regelkringen een nauwkeurige regeling van druk- en debietprofielen mogelijk. Zelfs bij veranderingen in viscositeit of stromingsweerstand kunnen constante transportomstandigheden worden gehandhaafd.

Miniatuurpomp voor de hoogste eisen

De piëzo-elektrische Disc Pump van Lee is speciaal voor dit werkingsprincipe ontwikkeld. Terwijl klassieke drukbronnen vaak groot, zwaar en pulsatiegevoelig zijn, maakt de Disc Pump een uiterst compacte en nauwkeurige drukopwekking mogelijk. Met haar kleine afmetingen van slechts enkele millimeters in hoogte en een diameter van 30 mm kan ze zelfs in de meest veeleisende inbouwruimtes worden geïntegreerd en opent ze nieuwe mogelijkheden voor de miniaturisatie van complexe analyseplatforms.

Het belangrijkste kenmerk is de pulsatievrije ultrasone werking bij 20.000 Hz. Hierdoor kunnen stabiele laminaire stromingen worden gegenereerd, zoals die met name vereist zijn in sequentieplatforms, PCR-systemen, ‘organ-on-a-chip’-toepassingen en microfluïdische analyseapparatuur. Tegelijkertijd reageert de Disc Pump dankzij haar piëzo-elektrische aansturing binnen milliseconden op veranderingen in het systeem. In combinatie met druk- en debietsensoren ontstaan zo zeer dynamische regelkringen die continu kunnen reageren op veranderingen in de vloeistofstroming.

Dit snelle reactievermogen maakt niet alleen een nauwkeurige dosering van vloeistoffen mogelijk. Het maakt het ook mogelijk om de vloeistofweerstanden binnen een chip te monitoren en levert waardevolle informatie op over biologische of mechanische veranderingen in het proces. Drukpieken als gevolg van luchtbellen, verstoppingen of veranderingen in de assay kunnen vroegtijdig worden gedetecteerd en gecompenseerd. Hierdoor neemt de kans op succesvolle analysecycli toe en daalt tegelijkertijd het verbruik van hulpbronnen als gevolg van mislukte metingen.

Ontwikkelaars staan echter nog steeds sceptisch tegenover pneumatische systemen. Vaak wordt aangenomen dat op druk gebaseerde vloeistoftechniek niet de vereiste precisie bereikt of de vorming van luchtbellen in de hand werkt. Moderne systemen laten echter een ander beeld zien. Dankzij de hoge regelingssnelheid van de Disc Pump is een aanzienlijk snellere aanpassing aan veranderende procesomstandigheden mogelijk dan bij veel conventionele spuitpompen. Hierdoor kunnen debieten en drukprofielen met hoge nauwkeurigheid worden gehandhaafd. De pulsatiearme werking vermindert bovendien het risico op luchtbellenvorming. 

Systemen op basis van de Disc Pump bieden daarmee een combinatie van precisie, stabiliteit en procesbetrouwbaarheid die volledig voldoet aan de eisen van de huidige diagnostische en analyseplatforms.

Gebruiksvriendelijke schaalbaarheid

Een ander voordeel van op druk gebaseerde systemen komt tot uiting bij de schaalbaarheid. Terwijl conventionele spuitpompen vaak kanaal voor kanaal moeten worden uitgebreid, kunnen pneumatische systemen meerdere vloeistofstromen via gemeenschappelijke drukrails van vloeistof voorzien. Dit vermindert de benodigde inbouwruimte en vereenvoudigt de integratie van extra analysekanaal aanzienlijk.

De Smart-Pump-module van de Disc Pump combineert de pomp met aandrijfelektronica en druksensoren.(Bild:  LEE Hydraulische Miniatuurcomponenten GmbH)
De Smart-Pump-module van de Disc Pump combineert de pomp met aandrijfelektronica en druksensoren.
(Bild: LEE Hydraulische Miniatuurcomponenten GmbH)

Met name de combinatie van een disc-pomp, sensoren en miniatuurkleppen maakt compacte vloeistofregelsystemen mogelijk die meerdere flowcellen tegelijkertijd kunnen voeden. Voor fabrikanten van sequentieplatforms of high-throughput-systemen biedt dit nieuwe mogelijkheden om de prestaties van hun apparatuur te verbeteren, zonder dat de omvang en complexiteit evenredig toenemen.

Toekomstbestendige oplossingen

Oplossingen voor vloeistofregeling evolueren van een ondersteunend subsysteem naar een onderscheidend kenmerk van moderne analyse- en diagnoseapparatuur. Hoewel traditionele architecturen nog steeds hun nut hebben, stuiten ze op steeds meer beperkingen op het gebied van schaalbaarheid, onderhoudsinspanningen en systeemkosten.Air-over-liquid-systemen bieden innovatieve oplossingen. De Disc Pump combineert een compacte bouw, hoge regelprecisie, een pulsatievrije stroming en een lange levensduur in één enkel onderdeel. Daarmee biedt ze een antwoord op de belangrijkste uitdagingen van moderne microfluïdische systemen en ondersteunt ze fabrikanten bij het ontwikkelen van krachtigere, zuinigere en toekomstbestendige instrumenten.

Video-handleidingen over de Disc Pump

In zes korte videohandleidingen legt Disc-Pump-expert John Watson de afzonderlijke stappen uit bij het gebruik van de demonstratiekit. De video’s variëren van het uitpakken van de kit en het aansluiten van de componenten tot het in gebruik nemen en de eerste stappen met de software. 

Schrijf u nu in op de nieuwsbrief

Mis onze beste inhoud niet

Door op 'Abonneren op nieuwsbrief' te klikken, geef ik toestemming voor de verwerking en het gebruik van mijn gegevens in overeenstemming met het toestemmingsformulier (voor details uitvouwen) en accepteer ik de Tgebruiksvoorwaarden. Raadpleeg ons Privacybeleid voor meer informatie. De toestemmingsverklaring heeft met name betrekking op het verzenden van redactionele nieuwsbrieven per e-mail en op de combinatie van gegevens voor marketingdoeleinden met geselecteerde advertentiepartners (bijvoorbeeld LinkedIn, Google, Meta).

Vouw uit voor details over uw toestemming