Formas de mejorar la precisión del control de microfluidos

por Troy Stehr

21 agosto 2023

15:00

Troy Stehr, gerente de cuentas de la industria para aplicaciones de laboratorio y tecnología médica del especialista en control de fluidos Bürkert, analiza los requisitos para un control microfluídico preciso.

Los reactivos son parte integral de la investigación en ciencias de la vida, y el resultado de cómo reaccionan químicamente con otras sustancias, midiendo, detectando o examinando un resultado, es vital para el desarrollo de tratamientos médicos. Esencial para este proceso es el control preciso y repetible de la dosificación de reactivos, en volúmenes de microfluidos de hasta 1 µl o menos. Estos mismos requisitos se aplican a la genómica, como la realización de una técnica de reacción en cadena de la polimerasa (PCR) para amplificar segmentos seleccionados de ADN. La dosificación de microfluidos precisa y confiable también puede depender de la vida para muchas aplicaciones médicas.

Hoy en día, las máquinas pueden sustituir la manipulación manual de las pipetas por una dosificación más precisa y consistente. La automatización no solo ahorra tiempo a los humanos capacitados, sino que la dosificación rápida de múltiples canales también mejora la productividad. Para lograr estos resultados, se depende en gran medida del sistema de control de válvulas de una máquina dosificadora.

¿Lazo abierto o cerrado?

Comprender la precisión de dosificación requerida suele ser el punto de partida en la especificación del sistema de válvulas. Los pacientes son tratados o diagnosticados en función de los resultados de laboratorio, por lo que el requisito de precisión de la evaluación prevista determina la precisión de dosificación que debe proporcionar la máquina. Optimizar el uso del volumen también es importante para controlar los costos, tanto en el uso como en la eliminación de algunos reactivos y sustancias involucradas muy costosos.

Suficiente para muchas aplicaciones de microfluidos, la dosificación de tiempo-presión proporciona una precisión de <1 % con una precisión volumétrica repetible de entre el 2 y el 5 %. Con esta técnica, el flujo del medio se controla abriendo o cerrando la válvula durante un tiempo definido para cada ciclo de conmutación. Utilizando aire o un gas inerte para presurizar el depósito de fluido, combinado con una válvula dosificadora, esta técnica permite una dosificación controlada hasta volúmenes de µl (microlitros) de un solo dígito.

Las microválvulas de Bürkert para dosificación de presión de tiempo son capaces de realizar pasos de señal de control de ~10 μs (microsegundos) para un control de válvula de alta precisión inferior al 1 %. Si se requiere una precisión aún mayor, Bürkert también proporciona control de válvula de circuito cerrado. Estos sistemas incorporan un sensor que proporciona retroalimentación sobre el estado real de la válvula y permite un ajuste constante de las tasas de apertura y cierre de la válvula. Alternativamente, un sistema de circuito abierto, como la dosificación de tiempo-presión, opera únicamente según el comando de entrada de la válvula, independientemente de los cambios que podrían afectar su tiempo de conmutación y, como resultado, el volumen de dosificación real.

Precisión de dosificación en µl y nl

Los sistemas de circuito cerrado a menudo funcionan según el principio de Coriolis, donde las vibraciones de un tubo que transporta líquido se miden con una salida resultante proporcional al flujo. Con esta tecnología, el controlador/medidor de flujo másico de Bürkert puede lograr una precisión de dosificación en niveles inferiores a 1 ml. Sin embargo, una nueva innovación se convertirá en el primer dispositivo disponible en el mercado con medición de μl (microlitros) y precisión de control de circuito cerrado, con un sensor de presión diferencial integrado en un dispositivo junto con una válvula. El nuevo sistema de dosificación de Bürkert mide y controla hasta 50 nl (nanolitros), con una precisión cercana al 1 % medida en millones de ciclos completados en las pruebas hasta el momento.

Para controlar el tiempo es crucial la compatibilidad entre los medios y el bloque y los sellos de fluido del material, especialmente cuando están involucrados múltiples reactivos y sustancias. Dependiendo de las propiedades del medio, es posible que se requieran diferentes materiales de sellado y su selección requiere una cuidadosa consideración. Los problemas de compatibilidad pueden provocar que los sellos se hinchen y se rompan con el tiempo, y cuando se trata de microfluidos, los problemas de control resultantes se amplifican. Dentro del sistema de Bürkert, el PEEK, utilizado para los cuerpos de válvulas, y el material de sellado FFKM o EPDM son los únicos materiales en contacto con el medio.

Colectores diseñados con precisión

Para separar y controlar el flujo de medios, el sistema de válvulas requiere un conjunto de colectores con el número de entradas y salidas que se adapten a la variedad de sustancias requeridas. Es ventajoso incorporar un diseño y fabricación de colector personalizados con la válvula seleccionada, particularmente para aplicaciones de microfluidos, para garantizar una gestión de presión y propiedades de intercambio de calor optimizadas. Según el diseño de la válvula, el colector también está sujeto a la compatibilidad de materiales, por lo que confiar en el mismo proveedor brinda mayor seguridad en un resultado eficiente. Bürkert diseña colectores de precisión moldeados por inyección de plástico a medida, específicos para aplicaciones de control de microfluidos.

Para optimizar la productividad, es posible que se requieran 10 o incluso más canales, con dispensación de alta velocidad. Combinada con una precisión repetible, para lograr la confiabilidad del sistema durante millones de ciclos de válvulas, una capacidad de diagnóstico remoto, habilitada por las comunicaciones Ethernet de la Industria 4.0, confirma los datos reales de operación de la válvula. Esta capacidad no solo elimina el tiempo necesario para una verificación humana física, sino que también proporciona una certeza, inalcanzable mediante una inspección manual únicamente, de que las placas de los pocillos están llenas con el volumen y la proporción correctos de reactivos.

por Troy Stehr

21 agosto 2023

15:00