미세유체 제어의 정확성을 향상시키는 방법

트로이 스테어

2023년 8월 21일

15:00

유체 제어 전문 기업인 Bürkert의 연구실 및 의료 기술 응용 분야 산업 계정 관리자인 Troy Stehr가 정확한 미세 유체 제어를 위한 요구 사항에 대해 논의합니다.

시약은 생명 과학 연구에 필수적이며 결과를 측정, 감지 또는 조사하여 다른 물질과 화학적으로 반응하는 방식의 결과는 의학 치료법 개발에 필수적입니다. 이 프로세스의 핵심은 미세 유체 용량을 1μl 이하로 정확하고 반복적으로 제어하는 ​​것입니다. 이러한 동일한 요구 사항은 특정 DNA 세그먼트를 증폭하기 위한 중합효소 연쇄 반응(PCR) 기술 수행과 같은 유전체학에도 적용됩니다. 정확하고 신뢰할 수 있는 미세유체 투여는 많은 의료 응용 분야에서 생명에 달려 있을 수도 있습니다.

오늘날 기계는 수동 피펫 처리를 보다 정확하고 일관된 투여로 대체할 수 있습니다. 자동화는 숙련된 인력의 시간을 절약할 뿐만 아니라 여러 채널을 빠르게 처리하여 생산성도 향상시킵니다. 이러한 결과를 얻으려면 도징 기계의 밸브 제어 시스템에 대한 의존도가 높습니다.

개방형 또는 폐쇄형 루프?

필요한 주입 정확도를 이해하는 것이 일반적으로 밸브 시스템 사양의 시작점입니다. 환자는 실험실 결과에 따라 치료 또는 진단을 받으므로 의도된 평가의 정확도 요구 사항에 따라 기계가 제공해야 하는 투여 정밀도가 결정됩니다. 대량 사용을 최적화하는 것은 일부 매우 값비싼 시약과 관련 물질의 사용 및 폐기 비용을 제어하는 ​​데에도 중요합니다.

많은 미세유체 응용 분야에 충분한 시간-압력 투여는 2~5% 사이의 반복 가능한 용적 정확도로 1% 미만의 정밀도를 제공합니다. 이 기술을 사용하면 각 스위칭 주기에 대해 정의된 시간 동안 밸브를 열거나 닫는 방식으로 매체 흐름이 제어됩니다. 공기 또는 불활성 가스를 사용하여 유체 저장소에 압력을 가하고 도징 밸브와 결합된 이 기술을 사용하면 한 자릿수 µl(마이크로리터) 용량까지 제어된 도징이 가능합니다.

Bürkert의 시간 압력 투여용 마이크로 밸브는 1% 미만의 고정밀 밸브 제어를 위해 ~10μs(마이크로초) 제어 신호 단계를 수행할 수 있습니다. 더 높은 정확도가 필요한 경우 Bürkert는 폐쇄 루프 밸브 제어도 제공합니다. 이러한 시스템에는 밸브 개폐 속도를 지속적으로 조정할 수 있는 실제 밸브 상태에 대한 피드백을 제공하는 센서가 통합되어 있습니다. 또는 시간-압력 도징과 같은 개방형 루프 시스템은 전환 시간과 결과적으로 실제 도징 볼륨에 영향을 미칠 수 있는 변경 사항에 관계없이 밸브의 입력 명령에 따라 순전히 작동합니다.

μl 및 nl 투여 정확도

폐쇄 루프 시스템은 액체 운반 튜브의 진동을 측정하여 결과적인 흐름 비례 출력을 얻는 코리올리스 원리로 작동하는 경우가 많습니다. 이 기술을 통해 Bürkert의 질량 유량 컨트롤러/미터는 1ml 미만 수준에서 투여 정확도를 달성할 수 있습니다. 그러나 새로운 혁신 기술은 밸브와 함께 장치에 통합된 차압 센서를 사용하여 μl(마이크로리터) 측정 및 폐쇄 루프 제어 정확도를 갖춘 시장에서 사용할 수 있는 최초의 장치가 될 예정입니다. Bürkert의 새로운 투여 시스템은 50nl(나노리터)까지 측정 및 제어하며, 지금까지 완료된 수백만 주기의 시험에서 1% 미만의 정확도로 측정되었습니다.

시간이 지남에 따라 제어하는 ​​데 중요한 것은 특히 여러 시약과 물질이 포함될 때 매체와 재료 유체 블록 및 밀봉 간의 호환성입니다. 매체 특성에 따라 다양한 밀봉 재료가 필요할 수 있으며 선택에는 신중한 고려가 필요합니다. 호환성 문제로 인해 씰이 부풀어 오르거나 시간이 지남에 따라 파열될 수 있으며, 미세유체를 다룰 때 제어 문제가 증폭됩니다. Bürkert 시스템 내에서는 밸브 본체에 사용되는 PEEK와 밀봉재 FFKM 또는 EPDM이 유일한 접액재입니다.