你是否曾經(jīng)在醫(yī)院里，手臂上插著針管進行靜脈注射 (IV) 治療，然后注意到輸液管中的氣泡，想著如果這些氣泡進入你的靜脈，那會發(fā)生什么事情？它們是否會造成危險？（小技巧：用指甲輕敲輕彈氣泡的同一水平位置后氣泡就會消失。真是松了一口氣?。?/span>
在微流體中，管道或封閉通道中出現(xiàn)氣泡是一種非常常見的現(xiàn)象，并且由于液體通道很小，因此很難解決這一現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)不同的應(yīng)用，氣泡可能會對工藝流程的性能和預(yù)期用途產(chǎn)生重大影響。在最壞的情況下，它們將使微流體設(shè)備失靈或無法使用。
微氣泡的來源
在進行靜脈注射時，輸液管中很容易出現(xiàn)氣泡；然而，在微流體通道中卻很難檢測和看到氣泡。無論采用何種系統(tǒng)或微流體形式，從源頭上避免或消除這些氣泡才是關(guān)鍵。
1.溶解氣體
任何液體中都有可能產(chǎn)生氣泡。當溫度、壓力突然發(fā)生變化或突然出現(xiàn)液體搖動時可能會產(chǎn)生氣泡。如果液體中氣體的含量超過了氣體分子的溶解度極限，那么所有多余的氣體就會形成氣泡——前提是液體量足以容納這些氣泡。這將形成一種穩(wěn)態(tài)條件，在這種條件下，新的分子被注入液體并形成氣泡。
2. 導(dǎo)入液體時所形成的氣泡
在微流體通道中，當引入流體時，氣袋被困在腔體中，流體通路中就會產(chǎn)生氣泡。引入流體時可能會在流體網(wǎng)絡(luò)內(nèi)產(chǎn)生氣泡。在引入試劑的過程中，氣泡的產(chǎn)生和數(shù)量取決于多種因素，如設(shè)備使用的材料、流速、粘度、化學成分、通道特征和流體引入方法等。在加入樣品時，由于設(shè)備的疏水性，氣泡可能被困在通道或周圍的組成部分中。
3. 通道的表面疏水性和粗糙度
微流控設(shè)備的表面特性對氣泡在通道中的產(chǎn)生有著重要影響。使用疏水材料時，氣泡被困住并粘附在通道表面，阻礙試劑的平穩(wěn)流動。如果通道表面粗糙不平，則會改變液體的流動特征，誘發(fā)氣泡的形成。
4. 產(chǎn)生氣泡的部件
微流控設(shè)備涉及到通道網(wǎng)絡(luò)、儲液器、微觀-宏觀界面以及其他微觀組成部分。涉及到流體過渡的部件，例如微過濾器、混合器、腔室、微柱、刻槽和坡面等，在液體流過時會產(chǎn)生氣泡。
5. 設(shè)備中突然出現(xiàn)的膨脹現(xiàn)象（即接口和過渡）
任何通道設(shè)計中會發(fā)生流體突然膨脹的設(shè)備都會被視為一臺氣泡生成器。當流體流速由高變低時，就會產(chǎn)生氣泡。例如，在線微過濾器就是一臺氣泡生成器。具有一定流速的液體被迫通過一個直徑較小的孔口，在這個過程中，氣泡就產(chǎn)生了。
6. 流體性質(zhì)和成分的變化
流經(jīng)通道的流體粘度對氣泡的產(chǎn)生起著非常重要的作用。流體的粘度是速度和通道特征之間的直接關(guān)系。該設(shè)備中所使用的材料、微流體通道的表面特性以及流體的特性和成分都會增加氣泡形成的可能性。
7. 流體溫度和壓力的變化
流體的溫度變化會在通道中產(chǎn)生氣泡。這是壓力和液體蒸發(fā)的共同作用，將液體變?yōu)闅鈶B(tài)，形成氣泡。研究表明，氣泡直徑隨壓力增大而減小，而其縱橫比則隨壓力增大而增大。溫度造成的影響比較復(fù)雜，因為飽和蒸汽壓力和系統(tǒng)壓力的比值是處于變化狀態(tài)的。當此比值較大時，由于汽化現(xiàn)象，氣泡直徑將隨溫度的升高而增大；當此比值較小時，氣泡直徑將隨溫度的升高而減小。
8. 表面活化劑
最后，加入的表面活化劑（即表面活性劑、肥皂等）和發(fā)泡劑將降低液體表面的張力，從而加劇液體中氣泡的形成。這些表面活化劑的目的是穩(wěn)定液滴界面，促進流體的流動和生物相容性，并改善液滴之間的分子交換。
微流控設(shè)備中的氣泡所帶來的影響
每個確定因素不是互相獨立的，它們將合力造成影響。因此，在微流控設(shè)備的開發(fā)中，將每個影響因素都納入考慮，并將設(shè)備作為一個系統(tǒng)進行設(shè)計是至關(guān)重要的。一次性消除所有氣泡來源是一大難點。如果某一來源不影響設(shè)備的工作過程和性能，則將其在流體系統(tǒng)中產(chǎn)生的氣泡最小化到可接受的水平就足夠了。以下是氣泡在微流控設(shè)備中的負面影響：
氣泡模糊了被研究的目標粒子或物體的視野。在顯微鏡下，氣泡通常呈現(xiàn)黑色。此外，在光學檢測中存在的氣泡會導(dǎo)致錯誤的結(jié)果。在大多數(shù)情況下，氣泡是一項人為產(chǎn)物，使人無法識別目標粒子，從而改變檢測系統(tǒng)的性能。此外，目標粒子也將變得難以觀察，尤其是在被氣泡覆蓋時。
氣泡會改變通道內(nèi)的流動特征和流量。一個大氣泡往往會限制流速，而一旦積聚到一定位置時，它將降低流量，使檢測過程無法正常進行。
氣泡會增加流體的阻力，導(dǎo)致需要增加調(diào)節(jié)壓力來驅(qū)動液體的流動。當氣泡限制了流速時，需要通過氣動系統(tǒng)來增加驅(qū)動壓力，從而實現(xiàn)系統(tǒng)所需的流量。
氣泡會對生物樣品以及被研究的生物材料產(chǎn)生影響。對于細胞，氣泡可能附著在壁膜上，從而影響后續(xù)的過程或反應(yīng)，加重檢測失敗的風險。
氣泡容易堵塞微流控流體網(wǎng)絡(luò)。當發(fā)生堵塞時，設(shè)備將不能再繼續(xù)執(zhí)行檢測，從而失去作用。小通道（5-57微米）非常容易受氣泡的影響。氣泡有時會附著在通道壁上并開始積聚，從而阻礙液體的流動。如果使用自動順序驅(qū)動，則對壓力和流體流量的監(jiān)測將變得非常具有挑戰(zhàn)性，導(dǎo)致設(shè)備故障。當流體流量減少時，堵塞現(xiàn)象將沿著流體網(wǎng)絡(luò)發(fā)生。
如何避免和減輕微流體網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的氣泡
有很多方法用來避免和減少氣泡的出現(xiàn)和形成：
將微流控設(shè)備作為一個系統(tǒng)進行設(shè)計。流體網(wǎng)絡(luò)中氣泡的生成是未經(jīng)適當設(shè)計的設(shè)備所造成的。設(shè)備應(yīng)該基于覆蓋所有要求（從檢測過程到最終產(chǎn)品）的目標產(chǎn)品進行設(shè)計。
進行模擬和建模以了解流體的流動特性。這會對微特性的正確設(shè)計提供指導(dǎo)，并幫助理解突然膨脹所產(chǎn)生的影響或如何使用現(xiàn)成的零件和配件。
確定并設(shè)計合適的配件和部件。設(shè)備中使用的部件越少越好。
在流體進入設(shè)備之前對其進行脫氣，減少溶解在其中的氣體。
選擇合適的材料、零部件制造技術(shù)和表面處理技術(shù)。
使用機械攪拌器增加氣泡的大小，將氣泡與流體分離。或增加壓力并保持脈沖，以及在某些情況下適當增加溫度。
引入一個在線氣泡阱或一個通風口，將氣泡從通道中轉(zhuǎn)移出去。
用一張薄膜去除氣泡。選擇一種氣體可以通過但液體不能通過的薄膜。這將減少通道網(wǎng)絡(luò)中氣泡的產(chǎn)生。
要點
微流體氣泡可以是宏氣泡，也可以是微氣泡。與靜脈輸液管中的氣泡不同，微流體氣泡頑固且難以去除。僅靠手指輕敲或輕彈都沒有用。
如果設(shè)計和制造不當，微流體通道和周圍的組成部分都將成為潛在的氣泡來源。氣泡總會存在。請僅將本文中概括的建議當做良好設(shè)計和制造的常用做法。
如有可能，請避免系統(tǒng)中潛在的氣泡來源；然而，如果由于設(shè)備和檢測方法的限制而無法避免，則應(yīng)盡量減少可能的來源并提供緩解措施。必須設(shè)置一定水平的接受標準，使得任何氣泡都不會影響設(shè)備的性能。雖然對流體進行脫氣是理想的操作，但它需要在工作流程中加入一個額外的處理步驟?？梢允褂镁哂袧B透膜的在線氣泡阱，但當系統(tǒng)中存在限制，例如占地面積、部件大小或組件的可制造性時，這可能不是最佳選擇。
必須在平衡微流體設(shè)備的整體復(fù)雜性、成本和性能的情況下考慮預(yù)防和緩解方案的組合。此外，在初始設(shè)計過程中的仿真和建模提供了一種節(jié)省時間和原型開發(fā)工作量的方法，特別是對被認為是潛在氣泡生成器的組成部分和對微流控設(shè)備性能至關(guān)重要的部件來說。
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