Ventilautomatisierung mit dem F-OEM für mikrofluidische Anwendungen
Vorteile der Automatisierung von Fluidikventilen in industriellen Prozessen
Mikrofluidikventile helfen dabei, den Durchfluss von kleinen Flüssigkeitsmengen zu steuern. Durch diese Steuerung können mikrofluidische Setups komplexer werden und je nach Bedarf der Anwendung einen höheren Automatisierungsgrad aufweisen. In Analyse- und Diagnosegeräten beispielsweise regeln diese Ventile den Durchfluss von neutralen und aggressiven Flüssigkeiten wie Blut, Chemikalien und Puffer.
Start des Prozesses mit Ventilansteuerung
Das folgende Video veranschaulicht die schnelle und automatisierte sequentielle Flüssigkeitsinjektion der verschiedenen gefärbten Lösungen, die mit dem F-OEM realisiert werden kann. Abbildung 2 zeigt die gemessene Durchflussrate und den implementierten Druck als Funktion der Zeit.
Alle Schaltvorgänge sind ebenfalls dargestellt. Während der Umschaltvorgänge wird der angelegte Druck automatisch reguliert, um während des gesamten Protokolls eine Durchflussrate von 500 µL/min aufrechtzuerhalten. Die Peaks entstehen durch das Umschalten der Ventile aufgrund ihres jeweiligen Innenvolumens.
Die angestrebte Flussrate von 500 µL/min wird während des gesamten Protokolls konstant gehalten. Kurze Artefakte (< 5 s) durch das Schalten der Ventile sind sichtbar. Die Standardabweichung beträgt 500,5 µL/min, +/- 1,5 µL/min und 0,3 %. Schnelle Druckbeaufschlagung und Druckentlüftung sind dank großen On-Off-Ventilen möglich.
Von der Probenvorbereitung zur Zellsortierung
- Elektrische Zellenradschleusen werden zur sequentiellen Injektion oder Verteilung von Flüssigkeiten in mehreren Wegen eingesetzt.
Diese Ventile können in der hochpräzisen Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt werden, wo eine große Anzahl von Etiketten verarbeitet wird. Ein weiteres Beispiel sind Analysegeräte auf Mikrofluidikbasis, einschließlich Spektroskopie, Photometrie, Trennung und Reaktoren. Diese Anwendungen erfordern in der Regel eine präzise Probenvorbereitung und die Fähigkeit, automatisch von analytischen Proben auf Puffer umzuschalten und dabei die Menge der verwendeten Reagenzien zu minimieren. - 2/2- oder 3/2-Wege-Ventile werden zur Flüssigkeitstrennung eingesetzt. Sie sind nützlich für Zellsortieranwendungen, bei denen Proben, die eine entdeckte Zelle oder einen Analyten enthalten, für weitere Untersuchungen vom Hauptstrom abgetrennt werden können. Sie werden außerdem häufig zur Reinigung und Abfallbehandlung in Analysegeräten eingesetzt.
Abbildung 3: Anwendungsbeispiele für die Automatisierung mit Fluidikventilen. Zellsortierung (oben) und Probenvorbereitung (unten).
Wie können Sie Ihre mikrofluidischen Module effizient integrieren?
Komponentenintegration und Markteinführungszeit
Die Entwicklung eines Fluidiksystems und die Integration der Ventilautomatisierung erfordern Komponenten für die Handhabung der Fluide (Druckregler, Spritzenpumpe usw.), Fluidikventile sowie die zugehörige Elektronik und Software für die Kommunikation und Automatisierung. Um das ordnungsgemäße Funktionieren des Fluidiksystems und den Erfolg der Anwendung zu gewährleisten, ist eine reibungslose Koordination zwischen allen Fluidikkomponenten erforderlich. Die Automatisierung und Einrichtung der Schnittstelle kann kostspielig, zeitaufwändig und ressourcenabhängig sein, was sich letztlich auf die Markteinführung und die Zuverlässigkeit des endgültigen Systems auswirkt.
Das F-OEM: Eine schlüsselfertige Lösung für effizientes Prototyping und Integration
Fluigent entwickelt und liefert schlüsselfertige Fluidmanagementsysteme, bestehend aus Druckquellen, druckbasierten Durchflussreglern und elektronischen Fluidikventilen für die Mikrofluidik. Durch den Einsatz von Fluigent-Systemen können Anwender:
- Gewinnen Sie Entwicklungszeit und Zuverlässigkeit, da unsere Ventile die notwendige Elektronik zur Kommunikation mit anderen Fluigent-Komponenten enthalten
- Erleben Sie schnelles Prototyping und Integration durch die OxyGEN-Software und das SDK von Fluigent
- Höhere Kompaktheit, da unser Ventilmodul in den F-OEM-Druckregler integriert ist
Das unten verwendete System besteht aus den folgenden Komponenten:
- F-OEM mit seinen Unterkomponenten (Integrationsboard, OEM-Druckregler, Ventilmodul)
- Fluigent M-X: Drehbares OEM-Mikrofluidikventil mit mehreren Anschlüssen
- Fluigent 2-X: Bidirektionales OEM-Mikrofluidikventil mit 3 Anschlüssen/2 Wegen
- Fluidischer OEM-Durchflusssensor der FS-Serie
Unten sehen Sie ein typisches Fluid-Handling-Setup, das für Anwendungen wie Probenvorbereitung, Multiplexing, Pipettieren und Sortieren verwendet werden kann. Ein Druckregler wird zur Druckversorgung von 3 Behältern mit spezifischen Lösungen verwendet, die nacheinander injiziert und mithilfe der M-X- und 2-X-Ventile sortiert werden.
Abbildung 4: Das mikrofluidische OEM-System von Fluigent für die Automatisierung von Fluidikventilen, bestehend aus dem F-OEM-Druckregler sowie den 2-X- und M-X-Ventilen
Fluigent-Software für vollständige Automatisierung
Schnelle Tests mit der OxyGEN-Software
Für den sofortigen Start von Tests mit Prototypen ist die OxyGEN-Software von Fluigent für das Fluidmanagement verfügbar. Alle Komponenten können über die Registerkarte „Live-Steuerung“ gesteuert werden, und komplexere Protokolle können auf der Registerkarte „Protokoll“ für den Start der Fluidautomatisierung berechnet werden (Abbildung 5).
Bei einer typischen Ventilautomatisierung werden Protokolle wie z. B. bei der Probenvorbereitung, Sortierung oder Reinigung mehrere Fluide nacheinander injiziert. Währenddessen wird die Hauptfluidikleitung umgeschaltet, um Proben zu sammeln oder nicht benötigte Fluide werden in ein Entsorgungsreservoir geleitet
Wir simulieren hier ein Protokoll zum sequentiellen Injizieren von Flüssigkeiten, bei dem 3 Farbstofflösungen aus 3 separaten Reservoirs injiziert werden.
Abbildung 5 zeigt das auf OxyGEN implementierte Protokoll. Die implementierte Flussrate beträgt 500 µL/min während des gesamten Experiments. Wir haben die folgende Sequenz durchgeführt:
- Zurücksetzen aller Drücke
- Flussrate bei 500 µL/min
- 2-X auf Position 1 setzen (gewährleistet die richtige Positionierung beim Start des Protokolls)
- M-X auf Position 1 setzen, 30 s warten
- M-X auf Position 2 setzen, 30 s warten
- M-X an Position 3 einstellen, 30 s warten
- 2-X auf Position 2 setzen
- 2-X auf Position 1 setzen
- M-X auf Position 1 einstellen, 30 s warten
- Druck auf 0 mbar einstellen
Das Video zeigt den Ablauf des Protokolls. Das Protokoll kann während des gesamten Prozesses überwacht werden. Echtzeitinformationen über Durchflussrate, Druck und Ventilstellung sind auf der Registerkarte „Live-Kontrolle“ der OxyGEN Software verfügbar.
Reibungslose Integration durch Fluigent SDK
Wenn ein Protokoll vollständig validiert ist, können Benutzer das Fluigent SDK verwenden, das alle in OxyGEN verfügbaren Funktionen zusammenfasst. Dies gibt externen Anwendungen die Möglichkeit, Fluigent-Geräte zu integrieren.
Das SDK wurde in mehreren Programmiersprachen entwickelt, darunter LabVIEW, C++, C#.NET, Python und MATLAB. Nachfolgend sehen Sie das Python-Äquivalent des oben in unserer OxyGEN-Software implementierten Protokolls.
Unsere Fluidik-Module können Fluidik-Aufgaben für Milli- und Mikrofluidik-Anwendungen automatisieren
Die obigen Ergebnisse zeigen die Fähigkeiten des F-OEM in Verbindung mit den M-X- und 2-X-Ventilen von Fluigent. Zusammen ermöglichen diese Geräte eine leistungsstarke Automatisierung von Flüssigkeiten, die für Milli- und Mikrofluidikanwendungen wie Probenvorbereitung, Zellsortierung und allgemeines Liquid Handling erforderlich sind.