Научное приборостроение, 2023, том 33, № 4
научный журнал
Бесплатно
Новинка
Основная коллекция
Тематика:
Приборостроение. Биомедицинская техника
Издательство:
Институт аналитического приборостроения РАН
Наименование: Научное приборостроение
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 160
Дополнительно
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
ISSN 0868–5886 НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 4, c. 3–27 РАЗРАБОТКА ПРИБОРОВ И СИСТЕМ 3 УДК 62-33 + 62-38 А. Н. Зубик, Г. Е. Рудницкая, А. А. Евстрапов, 2023 МИКРОКЛАПАНЫ В МИКРОФЛЮИДНЫХ УСТРОЙСТВАХ. ЧАСТЬ 1. АКТИВНЫЕ МИКРОКЛАПАНЫ (ОБЗОР) Микроклапан является одним из важнейших функциональных элементов микрофлюидного устройства. Микроклапаны позволяют организовать движение потоков, их дозирование, регулирование расхода, смешивание, загрузку жидкости и ее изоляцию в реакционной камере, что широко используется в интегрированных микрофлюидных системах. Существует много типов микроклапанов, каждый из которых имеет разные характеристики и предназначен для решения определенных задач. Микроклапаны разработаны в виде активных или пассивных конструктивных элементов с механическими, немеханическими внутренними или внешними системами. В этой статье представлен обзор наиболее используемых конструкций микроклапанов в микрофлюидике, основанных на различных исполнительных механизмах. Кл. сл.: микрофлюидика, микроклапан, активный клапан, пассивный клапан ВВЕДЕНИЕ Микроклапаны являются ключевым компонен- том многих микрофлюидных платформ "лаборатория на чипе" (lab on a chip) и систем полного микроанализа (μTAS, MicroTotal Analysis System). Идеальная микрофлюидная система объединяет многочисленные последовательные или параллельные операции, обеспечивает точное пространственно- временное высвобождение реагентов, управление потоками и необходимые условия для проведения синтетических или аналитических реакций, сбор продуктов реакций. Эффективные мик- роклапаны необходимы для интеграции в одно устройство нескольких операций, таких как транспортировка жидкости, смешивание, аликвотиро- вание, дозирование, промывка и фракционирование. Микроклапаны контролируют направление потоков жидкости, обеспечивают их синхронизацию и разделение внутри микрофлюидного устройства [ 1]. Однако многие современные подходы и требо- вания при эксплуатации клапана усложняют конструкцию микрофлюидного устройства, поскольку приводят к необходимости включения дополнительных конструктивных элементов и влекут за собой дополнительные этапы или процессы при изготовлении [2]. В работе [3] отмечается, что основными пока- зателями работы высокопроизводительного мик- роклапана являются: низкая утечка в закрытом состоянии, высокая скорость потока в открытом состоянии, низкое энергопотребление, устойчивость к загрязнениям и высокая стабильность ра- боты в течение всего срока службы. Кроме того, медицинские приложения, такие как носимые устройства для дозирования лекарств или импланта- ты, требуют герметичности устройства, высокой надежности, а также биосовместимости всех смачиваемых или контактирующих с организмом поверхностей. В качестве примера, где целесообразно исполь- зование клапанов с соответствующими требованиями, можно привести микрофлюидные устройства для полимеразной цепной реакции (ПЦР), которая играет важную роль в современных исследованиях в области биохимии, биологии и генетики. Потенциальные преимущества микро- чиповых устройств для ПЦР по сравнению с ПЦР- системами стандартного формата (микропланшеты и микропробирки) включают: снижение объемов потребления образцов и реагентов, сокращение времени анализа, большую чувствительность и портативность. Чипы для проведения ПЦР прошли путь от простых микрофлюидных чипов до высокоинтегрированных систем. Встраиваемые в чипы микроклапаны обеспечивают более высокий уровень интеграции и аналитической производительности, позволяя параллельно анализировать множество образцов, существенно сократить время анализа и избежать перекрестного загрязнения. Такие микроклапаны должны выдерживать давление, создаваемое при термоциклировании, и легко открываться после ПЦР. Оснащение клапанами входных, выходных или вентиляционных портов является важной функцией для успешного проведения ПЦР [4].
А. Н. ЗУБИК, Г. Е. РУДНИЦКАЯ, А. А. ЕВСТРАПОВ НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 4 4 Конструкция микроклапанов определяется ме- ханизмом срабатывания, областью применения и функциональными особенностями. Большинство из них имеют микроканал и мембрану для управления его открытием / закрытием. Хотя в настоящее время существует множество конструкций микроклапанов, по-прежнему существуют такие проблемы, как утечка, низкая точность, невысокая надежность, значительное энергопотребление и высокая стоимость. Из-за огромного разнообразия нет общепринятой классификации конструкций микроклапанов [5]. Авторы обзорной статьи [6] предлагают услов- но разделить микроклапаны на две основных категории, как показано на рис. 1. В работе [5] предложено аналогичное деление. Отмечается, что активные клапаны используют внешние приводы, такие как магнитный, электрический или пневматический, для регулирования гидравлических сопротивлений микроканалов. Пассивные микроклапаны контролируют поток за счет обратного давления. Кроме того, по исходному состоянию микро- клапаны можно разделить на два типа: нормально открытые и нормально закрытые [5]. Рис. 1. Классификация микроклапанов [6]
МИКРОКЛАПАНЫ В МИКРОФЛЮИДНЫХ УСТРОЙСТВАХ. Ч. 1. НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 4 5 Нормально открытые микроклапаны препятст- вуют потоку жидкости только тогда, когда клапан активирован. АКТИВНЫЕ МИКРОКЛАПАНЫ Общая характеристика Активные микроклапаны используют внешние физические поля или химическую стимуляцию для приведения в действие механических и немеханических движущихся частей и управления потоком жидкости [7, 8]. В активных микроклапанах применяются раз- личные принципы срабатывания. Рис. 2 иллюстрирует широко используемые в конструкциях микроклапанов принципы срабатывания: магнитные, электрические, пьезоэлектрические, тепловые или другие способы [6]. Электростатический микроклапан Электростатический микроклапан состоит из электрода, закрывающего клапан, электрода, открывающего клапан, и гибкой подвижной мембраны. Работа клапана осуществляется за счет управления напряжением, подаваемым на мембрану. Электростатические микроклапаны в основном представляют собой нормально закрытые микро- клапаны. Время отклика клапана короткое, а потребление энергии низкое [9]. Этот тип клапана в основном используется для управления потоком воздуха. Когда клапан используется для управления потоком жидкости, требуется высокое приложенное напряжение [5]. Конструкции нормально-закрытого электроста- тического микроклапана и нормально-открытого электростатического микроклапана не имеют явных отличий (рис. 3). Отличием является оригинальная форма мембраны, которая у нормально закрытого микроклапана она плоская, а у нормально открытого — вогнутая [10, 11]. Электрохимические микроклапаны Электрохимические микроклапаны считаются высокоинтегрированными компонентами с очень низким мертвым объемом и потребляемой мощностью. Встраивание в микрофлюидную сеть может быть легко осуществлено благодаря их внеплоско- стной архитектуре. Клапан отличается компактным приводом, незначительной занимаемой площадью и подходит для массового производства. Эти характеристики делают подобные клапаны особенно привлекательными для приложений "лаборатория на чипе" [12]. Рис. 2. Иллюстрация принципов срабатывания активных микроклапанов с механическими подвижными частями. а — электромагнитный; б — электростатический; в — пьезоэлектрический; г — биметаллический; д — термопневматический; е — привод из сплава с памятью формы [6]
А. Н. ЗУБИК, Г. Е. РУДНИЦКАЯ, А. А. ЕВСТРАПОВ НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 4 6 Рис. 3. Сравнение работы нормально закрытого (а) [11] и нормально открытого электростатических микроклапанов (б). 1 — напряжение отключено, клапан полностью открыт; 2 — напряжение включено, клапан начинает закрываться; 3 — напряжение включено, клапан полностью закрыт [10] В отличие от электростатических микроклапа- нов, электрохимические микроклапаны используют электроды для электролиза растворов с целью получения водорода [13]. Микроклапан состоит из электрохимического привода, гибкой, например полидиметилсилоксановой (ПДМС) мембраны (или кантилевера из SU8) и микрокамеры. Привод имеет камеру, содержащую окислительно- восстановительную пару в растворе, а объем раствора определяется требуемым объемом срабатывания клапана. Полученный при электролизе газ заставляет мембрану электрохимического микро- клапана отклоняться [12]. Два типа принципиальных схем микроклапана с электрохимическим приводом: 1) микроклапан на основе кантилевера SU8 с электрохимическим приводом [12], 2) микрожидкостный клапан на основе мембра- ны с электрохимическим приводом [14], — показаны на рис. 4 и 5 соответственно. Рис. 4. Схематическое изображение работы электрохимического клапана с кантилевером. а — в состоянии покоя и б — в закрытом состоянии [12] 0 V Uac
МИКРОКЛАПАНЫ В МИКРОФЛЮИДНЫХ УСТРОЙСТВАХ. Ч. 1. НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 4 7 Рис. 5. Принципиальная схема работы электрохимического клапана [14]. а — клапан открыт, и жидкость откачивается из камеры и течет через клапан к выходу; б — клапан закрыт Представленный в работе [12] клапан состоит из кантилевера, расположенного рядом с электрохимическим приводом, где пузырек газа образуется в результате реакции электролиза (рис. 4, а). Достигнув критического размера, пузырек начнет прижимать кантилевер к каналам с помощью поршня и блокирует их (рис. 4, б). Клапан имеет прокладку для минимизации утечек в закрытом режиме. В работе [14] описана работа электрохимиче- ского микроклапана, изготовленного с помощью технологий LIGA (Lithographie, Galvanoformung, Abformung; литография, гальванопластика и формовка). Устройство состоит из двух электрохимических приводов. В качестве рабочего электрода использовались платиновые черненые электроды, а в качестве электрода сравнения — электроды Ag/AgCl (рис. 5). Как показано на рис. 5, а, в результате электро- лиза раствора в правой камере возникающие пузырьки газа вытесняют жидкость и прогоняют ее через клапан к выходу. Электролиз в левой камере (рис. 5, б) приводит к увеличению перепада давления на ПДМС-мембране. Эта разница давлений толкает мембрану вверх. В результате мембрана закрывает выходное отверстие, и поток в канале останавливается. Клапан можно снова открыть, манипулируя электрическим напряжением, подаваемым на электроды в камерах клапана. Перепад давления на мембране преодолевается силой восстановления эластичности мембраны, что приводит к уменьшению прогиба мембраны и открытию клапана. Электрокинетический клапан Электрокинетический клапан лучше всего опи- сать как "маршрутизатор", который работает только с непрерывным потоком. Группы А. Manz и J. Michael Ramsey [15, 16] продемонстрировали, как можно использовать электроосмотический поток для быстрого переключения жидкости из одного канала в другой на системе капиллярного электрофореза. В экспериментах использовали стеклянный микрочип (рис. 6); буферный раствор — 20 мМ тетраборат натрия (pH 9.2); образец — 100 мкМ раствор флуоресцентного красителя родамина В (в этом же буфере). При наложении электрического поля электроосмотический поток в канале чипа направлен к аноду [16]. Рис. 6. Схема микрочипа с электрокинетическим клапаном (слева). Изображение клапана в светлом поле (а); изображения флуоресценции красителя: б — загрузка, в — дозирование и г — в режиме анализа [16]
А. Н. ЗУБИК, Г. Е. РУДНИЦКАЯ, А. А. ЕВСТРАПОВ НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 4 8 Потенциал, подаваемый на буферный резервуар через высоковольтное реле, препятствовал транспортировке пробы в канал анализа, а проба могла свободно течь по перекрестию в канал слива (рис. 6, б). Для подачи пробы в аналитический канал потенциал в буферном резервуаре выключается путем размыкания высоковольтного реле на короткий период времени, например 0.4 с (рис. 6, в). В результате чего образуется небольшая пробка образца, размер которой зависит от длительности выключения напряжения и скорости электроосмотического потока [16]. Таким образом проба электрокинетически транспортировалась в канал анализа. Чтобы остановить транспортировку образца в канал анализа, в буферном резервуаре был повторно приложен потенциал (рис. 6, г). Электрокинетический клапан в настоящее вре- мя применяется в специфическом наборе приложений ( главным образом в капиллярном электрофорезе, где используется электроосмотический поток) из-за серьезных недостатков, а именно на потоки жидкости при электрокинетическом транспорте влияют: 1) свойства поверхности каналов ( на практике надежно работает только со стеклянными поверхностями, а микрочипы из стекла сложны и дороги); 2) ионный состав буфера. Кроме того, требуются дорогие и небезопасные источники высокого напряжения и коммутаторы напряжений, а для работы клапанов требуется течение непрерывного потока жидкости, поскольку работа клапана сводится только к перенаправлению двух потоков жидкости [16]. Пьезоэлектрический микроклапан Пьезоэлектрические приводы широко исполь- зуются в микронасосах, т.к. пьезоэлектрический эффект может генерировать как чрезвычайно большое изгибающее усилие (несколько МПа), так и малые перемещения (с деформацией менее 0.1%) [6]. Важнейшими компонентами пьезоэлектриче- ского микроклапана являются пьезоактюатор, мембрана клапана (гибкая пробка клапана) и седло клапана [17, 18]. К преимуществам клапанов этого типа относятся: относительная простота конструкции привода, масштабируемая геометрия, низкое энергопотребление, надежность и энергоэффективность. В традиционном варианте такого мик- роклапана пьезоэлектрический актюатор обычно используется в качестве пробки клапана, чтобы держать канал закрытым или открытым, поскольку смещение пьезоэлектрического актюатора невелико, пропускная способность и устойчивость к частицам низкие [19]. Представленный в работе [19] микроклапан приводится в действие дисковым пьезоэлектрическим актюатором, основанным на механизме гидравлического усиления. Пьезоэлектрический клапан (рис. 7) имеет гибкую запорную часть, основание Рис. 7. Конструкция пьезоэлектрического микроклапана [19] Рис. 8. Принцип работы пьезоэлектрического микроклапана. а — нет внешнего напряжения; б — обратное напряжение; в — прямое напряжение [19]
МИКРОКЛАПАНЫ В МИКРОФЛЮИДНЫХ УСТРОЙСТВАХ. Ч. 1. НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 4 9 клапана, камеру для гидравлической жидкости, пьезоэлектрический актюатор, прижимное кольцо, входное отверстие для жидкости, выпускное отверстие и т.д. Гибкий затвор (пробка) клапана с полусферической поверхностью хорошо согласуется с отверстием клапана, что имеет очевидное преимущество. Принцип работы микроклапана показан на рис. 8. Так как в камере с жидкостью имеется давление, гибкая пробка клапана со сферической формой плотно прилегает к отверстию клапана, имеющему соответствующую сферическую конфигурацию, обеспечивая хорошее уплотнение в "нормально закрытом" состоянии микроклапана (рис. 8, а). При подаче внешнего напряжения, называемого обратным напряжением, имеющим направление, совпадающее с направлением поляризации пьезоэлектрического актюатора, последний деформируется в направлении, показанном стрелкой (рис. 8, б). При этом жидкость в камере испытывает разряжение и заставляет гибкую пробку клапана соответственно сжиматься. Гибкая пробка клапана выходит из отверстия клапана, и канал открывается. При подаче внешнего напряжения, имеющего противоположное направление поляризации пьезоэлектрического актюатора (прямое напряжение), происходит его деформация, за счет которой возникает давление в жидкости, приводящее к уплотнению и перекрытию входного отверстия гибкой мембраной (рис. 8, в). Таким образом, разработанный микроклапан меняет рабочее состояние за счет изменения внешнего напряжения, воздействующего на пьезоэлектрический актюатор. Магнитные клапаны Типичный магнитный микроклапан состоит из постоянного магнита и гибкой эластичной мембраны из мягкого магнитного материала. Отклонение мембраны вызывается магнитными силами. Этот тип микроклапана относится к микроклапанам с внешним управлением. Простота конструкции обеспечивает низкую стоимость и портативность, что важно для одноразовых микрофлюидных систем. Магнитная консольная балка [20] и магнитный шарик [21–23] также могут быть использованы для управления (включение / выключение) клапаном. Кроме того, применение магни- тореологических жидкостей, нанесенных на поверхность эластичной мембраны, позволяет управлять деформацией мембраны под действием магнита, обеспечивая возможность перекрытия микрофлюидного канала [24]. Таким образом, принцип работы магнитного микроклапана прост. Различные положения магнита определяют направление отклонения мембраны, а отклонение мембраны, вызванное магнитной силой, открывает или закрывает клапан. Операция может производиться дистанционно с помощью магнитных полей. Такой тип микроклапана приводится в действие извне, поэтому взаимодействие с контролируемой жидкостью отсутствует, что обеспечивает безопасность операторов при работе с некоторыми опасными веществами. Отмечается, что самым большим недостатком магнитных микроклапанов является невозможность полного перекрытия канала клапаном под действием магнитной силы [5]. В работе [20] использована магнитная V- образная консольная балка для управления клапаном. Базовая конструкция микроклапана показана на рис. 9, где представлены две основные части микроклапана: верхняя V-образная консольная балка и нижняя мембрана. Для того, чтобы закрыть микроклапан, V-образная балка имеет гальванически осажденный Co – Ni слой, который вызывает отклонение верхней балки в присутствии внешнего магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, расположенным вблизи микро- клапана. Так, в зависимости от положения магнита, консольная балка открывает или закрывает путь течения жидкости (рис. 9). Рис. 9. Схема функционирования микроклапана с магнитным приводом [20]
А. Н. ЗУБИК, Г. Е. РУДНИЦКАЯ, А. А. ЕВСТРАПОВ НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 4 10 В работе [24] использовали магнитореологиче- ские жидкости, нанесенные поверх деформируемой мембраны из ПДМС. На рис. 10 приведен принцип действия микрофлюидного клапана с интегрированной мембраной с магнитореологиче- ской жидкостью. Воздействие магнита на магни- тореологическую жидкость вызывает деформацию тонкого слоя ПДМС, что приводит к перекрытию канала. Магнитореологическая жидкость представляет собой суспензию микрочастиц в жидкости-носителе. Ключевым преимуществом этого подхода является то, что магнитная проницаемость магни- тореологической жидкости значительно выше по сравнению с магнитно-легированными ПДМС- мембранами, поэтому может быть достигнута значительно бóльшая деформация. Это позволяет изготавливать клапаны меньшего размера, что делает этот подход более подходящим для крупномасштабной микрофлюидной интеграции. Другими преимуществами этого подхода является экономическая эффективность, а также совместимость с широко используемыми процессами мягкой литографии для изготовления микрофлюидных каналов. В [25] подробно описывается конструкция и ис- пользование магнитно-адгезивного клапана для хранения реагентов и управления потоком жидко- сти в микрофлюидном устройстве (рис. 11). Как схематично показано на рис. 11, первоначально закрытый клапан состоит из порта, соединяющего две (или более) камеры в разных плоскостях внутри многослойного устройства. Тонкое кольцо из чувствительной к давлению двусторонней клейкой ленты (PSA, pressure-sensitive adhesive) служило седлом для неодимового дискового магнита, который закрывает отверстие порта (рис. 11, "Закрыто"), предотвращая перемещение жидкости между двумя камерами. В закрытом состоянии клапана неодимовый дисковый магнит удерживается кольцом клеевой пленки над отверстием, соединяющим две камеры. Клапан приводился в действие путем контакта внешнего магнита с внешней поверхностью устройства (рис. 11, "Активировано"). Приложенное магнитное поле создавало усилие, достаточное для отрыва внутреннего магнита от кольца PSA и его смещения. При этом открывался соединительный порт между двумя камерами, что позволяло транспортировать содержимое между камерами в разных плоскостях просто при встряхивании устройства (рис. 11, "Открыто"). Нижняя панель рис. 11 содержит фотографии изготовленного магнитно-адгезивного клапана, соответствующие этапам работы, показанным на верхней панели. Рис. 10. Принцип действия эластомерного мембранного клапана с магнито- реологической жидкостью и постоянным магнитом [24]
МИКРОКЛАПАНЫ В МИКРОФЛЮИДНЫХ УСТРОЙСТВАХ. Ч. 1. НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 4 11 Рис. 11. Схема и фотографии работы магнитно-адгезивного клапана [25] Таким образом, было продемонстрировано ис- пользование клапана на магнитно-адгезивной основе для контроля транспортировки и смешивания реагентов в устройстве без источников напряжения ( источников энергии) с использованием только внешнего магнита и физического встряхивания устройства. Кроме того, приведение в действие клапана и управление потоком жидкости практически не требуют технических знаний или специального обучения, а также механических, тепловых или электрических воздействий. Это позволяет сохранить герметичность устройства во время работы, что повышает безопасность пользователя при анализе потенциально опасных материалов и помогает избежать загрязнения окружающей среды. Таким образом, простая и недорогая конструкция клапана (менее 0.20 доллара США за клапан) может облегчить разработку устройств "лаборатория на чипе" для использования в условиях ограниченных ресурсов [25]. Электромагнитный клапан Разработаны специальные электромагнитные микроклапаны, основанные на использовании феррожидкости. Феррожидкости — это магнитные жидкости: взвесь ферромагнитных частиц размером 10 нм в жидкости-носителе. Жидкости-носители могут представлять собой воду, диэфиры, углеводороды или фторуглероды и подходят для различных применений. Феррожидкости принимают форму канала, потенциально обеспечивая хорошее уплотнение, и реагируют на внешние локализованные магнитные силы, обеспечивая срабатывание клапана. Конструкция и принцип работы электромагнитного микроклапана на основе феррожидкости показаны на рис. 12. Феррожид- кость контролировала отклонение мембраны и регулировала поток жидкости в канале [26]. Клапан представляет собой многослойную кон- струкцию из трех кремниевых пластин, герметично соединенных между собой, и состоит из четырех основных частей: микроканала, электромагнитной катушки, гибкой мембраны из ПДМС и привода на основе феррожидкости. Микроканал размером 100 мкм × 3000 мкм × 15 мм (высота × ширина × длина) с полостью для удержания фер- рожидкости изготовлен методом глубокого реактивного ионного травления на кремниевой подложке
А. Н. ЗУБИК, Г. Е. РУДНИЦКАЯ, А. А. ЕВСТРАПОВ НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2023, том 33, № 4 12 Рис. 12. Устройство и принцип работы электромагнитного микроклапана на основе феррожидкости [26]. размером 1000 мкм × 15 мм × 15 мм, расположенной посредине. Таким же способом получена полость для микрокатушки на верхней кремниевой подложке. Мембрана из ПДМС используется в качестве диафрагмы, а феррожидкость впрыскивается в полость. В качестве основания используется нижняя кремниевая подложка. При подаче тока на микрокатушку создается поле магнитной индукции, которое вызывает электромагнитную силу между катушкой и феррожид- костью, вследствие чего мембрана между микро- катушкой и феррожидкостью упруго деформируется и блокирует поток жидкости в микроканале. Это — закрытое состояние клапана, как показано на рис. 12, б. Как только ток катушки отключается, электромагнитная сила исчезает, и диафрагма становится плоской благодаря силе упругости. Это — открытое состояние клапана, как показано на рис. 12, а. Основная идея состоит в том, чтобы открывать и закрывать поток жидкости в микроканале, используя феррожидкость и электромагнитный привод. Отсутствие каких-либо механических движущихся частей и предотвращение загрязнения феррожидкостью являются основными преимуществами данной конструкции. Благодаря своей плоской конструкции такой микроклапан может быть интегрирован с другими микрофлюидными устройствами " лаборатории на чипе". Пневматические микроклапаны Пневматические микроклапаны широко ис- пользуются в качестве ключевых компонентов для автоматизации манипуляций с жидкостями и управления потоком в микрофлюидике. Для их функционирования требуется внешняя система, обычно состоящая из вакуумного насоса (или компрессора) и пневматического привода. Мембрана также является одной из наиболее важных частей пневматического микроклапана, изготавливаемая, например, из ПДМС, силикона или силиконовой резины [27]. Эти гибкие мембраны могут быть деформированы с помощью пневматического привода для закрытия или открытия жидкостного канала соответствующего клапана. В операционный (управляющий) канал встраивается тонкая мембрана, которая под действием разряжения или давления изгибается, что приводит к закрытию (или открытию) жидкостного микро- канала, сопряженного с операционным. Толщина мембраны, давление срабатывания, конфигурация, уровень сложности конструкции и положение микроклапана в устройстве влияют на характеристики микроклапанов [5]. Варианты конструкций пневматических микро- клапанов приведены в таблице [5]. Отметим, что наряду с клапанами, которые ра- ботают при приложении отрицательного давления (разрежении) в операционном канале (поз. 1 и 2, таблица), в микрофлюидике широко применяются клапаны, функционирующие при приложении повышенного давления к управляющему каналу или камере (поз. 3, таблица). Микроклапан такого типа изготавливается путем размещения тонкой мембраны из ПДМС между двумя микроканалами. Приложение пневматического давления к одному из микроканалов вызывает изгиб тонкой мембраны, в результате чего другой микроканал перекрывается [ 32–34]. Однако микроканал прямоугольного сечения (рис. 13, а) не способен обеспечить полное перекрытие потока жидкости из-за наличия прямых углов, т.к. мембрана не вписывается в прямоугольную форму микроканала. Это может привести к перекрестному загрязнению в случае использования микроклапанов для биологических экспериментов, например, с несколькими типами клеток.