由于不同流體的物理靜態(tài)特性各有差異，即便同種流體介質(zhì)在不同環(huán)境條件下的物理動態(tài)特性也略有不同，這些不確定因素（變量）會增加設(shè)計工程師對流體實施按需控制的難度。特別是在醫(yī)療診斷設(shè)備和科學分析儀器的特殊場合，如：低壓力條件下的大流量，要求對流體控制的“高”并滿足醫(yī)療儀器的一些應用需要，系統(tǒng)設(shè)計工程師應該努力“平衡”各種撲朔迷離的變量以達成全系統(tǒng)性能的開發(fā)目標。本文根據(jù)體外診斷設(shè)備（簡稱“診斷”）和科學分析儀器（簡稱“分析”）的系統(tǒng)普遍性，淺顯得探討一些流體控制技術(shù)和工程化解決方案。

　　一、液體處理技術(shù)和自動化解決方案

　　液體處理在診斷和分析中也稱為“加樣準備（Sampling Prepearation）”、“分析前處理”等，其實質(zhì)就是對待測液體（人體體液，如血清標本、尿液）進行定量吸樣、分配，完成稀釋或混合動作。

　　迄今為止，液體處理技術(shù)原理不外乎以下三種：液體置換、主動置換以及氣體置換，三種原理針對不同應用場合的需求各有千秋。其中，后兩種技術(shù)由于涉及、技術(shù)工藝等因素，在自動化產(chǎn)品上僅為極少數(shù)廠家所掌握使用；而“液體置換”作為早出現(xiàn)的液體處理自動化技術(shù)被廣泛應用并延用至今。

　　眾所周知，微量注射器泵正是基于液體置換原理的典范設(shè)計。它是由以下關(guān)鍵部分組成：微量注射器；切變閥以及集成驅(qū)動、控制、通訊協(xié)議的步進電機。其可直接應用于所有需要自動樣本前處理功能的診斷、分析設(shè)備上。

　　顯然在實際應用中，上述微量注射器泵是無法獨立完成對液體的稀釋、分配工作的，因此還需要另一個關(guān)鍵部件--吸樣/加樣針（或探針）。將其通過管路連接至微量注射器泵上切變閥的某一功能端口，才能組成如下圖所示的“單通道全自動液體處理器”,再輔以合理的“關(guān)聯(lián)方法學協(xié)議”軟件就能打造出分析、診斷實驗室用的稀釋/分配器。在全自動液體處理技術(shù)中，前端加樣針是關(guān)鍵部分，因為加樣針的末端針形除必須要滿足實際應用需求外，如穿刺功能、液面探測功能（LLD），還要考慮對加樣的影響以及是否會產(chǎn)生“掛珠”等現(xiàn)象。

　　但是，在某些高反應靈敏度診斷方法學應用中（如：反應靈敏度在10-9以上的化學發(fā)光免疫分析法），盡管鋼針也已經(jīng)過一些特殊處理（如：特氟龍涂層），但在反復清洗使用一段時間后還是會產(chǎn)生“攜帶污染 ”、“交叉污染 ”以及“稀釋效應 ”而導致診斷結(jié)果出現(xiàn)假陽性\假陰性等誤判，甚至批次試驗全部失效。因此，在歐盟IVDD 97（體外診斷設(shè)備指令）和美國臨床體外診斷指南中都指出應當采用性Tip頭（吸頭）。這樣，需要對直接接觸液體的部分（即，前端鋼針）進行改進，將前端部分改造成可自動裝卸性Tip頭的機械結(jié)構(gòu)，并需要內(nèi)嵌高速（響應速度<3ms）、極低內(nèi)容積量、“零”死腔量的微型電磁介質(zhì)隔離閥。隨著診斷方法學的不斷革新，加樣量從“微升”級跳躍到“納升”級，如何滿足這么高的要求？我們可考慮通過在前端結(jié)構(gòu)上內(nèi)嵌微型流體傳感器并輔以外周閉環(huán)控制電路來實現(xiàn)。

　　二、流體比例控制技術(shù)及解決方案

　　比例控制技術(shù)是流體控制過程不可或缺的一項關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的控制方法是設(shè)計一種執(zhí)行器（即，比例閥）使其輸入電流或電壓與流經(jīng)的流體壓力或流量形成一定近似線性的比例關(guān)系，以實現(xiàn)對流體的按需給量控制；隨著數(shù)字化概念的導入，在流體控制的工程化方案中也出現(xiàn)了“數(shù)字”比例控制方法。在實際工程化應用中，是采用“模擬”技術(shù)或采用“數(shù)字”技術(shù)應視實際應用場合和需求而定。

　　在診斷和分析設(shè)備中，20世紀80年代中期蓬勃發(fā)展起來的“流式細胞技術(shù)”（Flow Cytometry）就是壓力比例控制技術(shù)的經(jīng)典應用。

　　流式細胞技術(shù)是基于“流體動力聚焦”原理，其實質(zhì)是：樣品液體被注入經(jīng)調(diào)壓的“層流態(tài)”液體（鞘液）中而形成一股“聚焦”于中軸線的液流，從而確保樣品液流中的細胞排成單列流動。

　　為了深入理解上述過程以便工程化實現(xiàn)，我們可進一步深究。其實，之所以產(chǎn)生這種現(xiàn)象是由于“邊界層表面效應”的存在，即“伯努利效應”:流體速度加快時，物體與流體接觸的界面上的壓力會減小，反之壓力會增加。據(jù)此，可以得出這樣的結(jié)論：只要能夠?qū)崿F(xiàn)樣品液體的流速總是大于周圍層流液體（鞘液）的流速，那么質(zhì)量較大的細胞顆粒由于兩側(cè)出現(xiàn)明顯的壓強差就會被“吸”至中軸線，當滿足一定數(shù)值條件時，必然會排成單列向前流動。

　　根據(jù)上述結(jié)論，我們可以構(gòu)想這樣的工程化方案：通過增加樣品容器中的壓力驅(qū)動樣品液體和層流液體（鞘液）流動，為了滿足兩者間的流速關(guān)系（即V樣>V鞘），則驅(qū)動兩路液體流動的壓力存在差值，且一定是P樣>P鞘。

　　了解了工作原理，可以如下實現(xiàn)：在鞘液容器的上游采用高精密減壓閥，以保持恒定壓力；在樣品液體容器的上游采用高壓力比例閥，再附以外周電路閉環(huán)控制可實現(xiàn)對壓力的連續(xù)微調(diào)。

　　諾冠的生命科學工程化團隊業(yè)已開發(fā)出適用于診斷和分析中“極低壓力、極低流量”控制特點的全新“數(shù)字比例技術(shù)”.通過控制兩只電磁閥（常開或常閉）的高頻開合，以實現(xiàn)對壓的調(diào)節(jié)。目前，這只可定制的名為Chipreg的微型數(shù)字減壓閥已正式發(fā)布，廣泛滿足診斷、分析中的微量氣體壓力控制應用的需求；甚至，可以直接集成“藍牙”通訊，滿足特殊應用場合需求。

　　三、介質(zhì)隔離閥的選擇和應用

　　應用于氣體控制的電磁閥如果應用于液體控制，甚至腐蝕性液體，其電磁線圈將由于液體的滲透性、腐蝕性而燒毀。因此，必須將液體流經(jīng)閥體的內(nèi)部通路和電磁線圈隔離以防止上述情況，因此將具有“介質(zhì)隔離層”結(jié)構(gòu)（通常由耐腐蝕性材料制成的膜片）的電磁閥特稱為“介質(zhì)隔離閥”.在診斷、分析設(shè)備中，由于經(jīng)常涉及去離子水、腐蝕性液體等的控制，因此大量使用“介質(zhì)隔離閥”,也稱為“膜片閥”.通常，國內(nèi)的設(shè)計工程師一談及電磁閥很多時候只關(guān)注：“通徑”多大？

　　實際上，除此之外在系統(tǒng)設(shè)計時還應綜合考慮實際應用的狀況來確定切合實際需要的控制閥門，以達成預設(shè)的應用性能目標。涉及這些實際狀況需要考慮的因素有：內(nèi)容積、死腔量、泵浦效應、Kv值或Cv值、功耗、尺寸大小、電氣特性。

　　系統(tǒng)設(shè)計工程師在設(shè)計流體子系統(tǒng)時，應根據(jù)設(shè)定的研發(fā)目標來綜合考量、評估上述這些因素，做出相應的取舍以獲得各參數(shù)間的“平衡點”.

　　四、流體控制的模塊化集成方案

　　根據(jù)診斷、分析設(shè)備的流體系統(tǒng)的普遍性，按照實驗方法學功能流程，可分成以下4個子系統(tǒng)：

　　液體處理子系統(tǒng)：主要完成液體的吸樣、分配或部分稀釋、混合等功能。

　　液體配比子系統(tǒng)：主要完成液體的稀釋、分配、混合等功能。

　　液體分析子系統(tǒng)：主要完成對液體成分的分析，如采用光學檢測、化學傳感器檢測、電阻抗法檢測等。

　　廢液處理子系統(tǒng)：主要完成廢液中和、廢液收集的功能。

　　現(xiàn)代流體控制系統(tǒng)已向高集成度、模塊化發(fā)展，其帶來的裨益甚多，如：1.減少系統(tǒng)元器件，如管路、接頭等；2. 降低系統(tǒng)泄漏的可能性；3. 設(shè)備更緊湊、更易于攜帶；4.縮短售后服務現(xiàn)場維修時間；5. 提升系統(tǒng)整體性能；6. 提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)能；7. 提升規(guī)模生產(chǎn)的質(zhì)控；8.縮短供應鏈、降低生產(chǎn)運營成本。

　　在實際的工程化實例中，我們可以將上述4個子系統(tǒng)中的前3個系統(tǒng)不同程度的組合、集成。

　　上圖是一種應用于血液分析的典型高度集成，其所完成的功能包括：試劑、樣品的吸樣、分配；試劑、樣品的混合以及反應液的光學分析、判讀。

　　下圖是另一種應用于血液分析的液體處理功能集成模塊，其所完成的功能包括：試劑、樣品的吸樣、混合和分配。

　　這些模塊化的設(shè)計是工程化合作的結(jié)晶，需要系統(tǒng)設(shè)計師和的流體工程師之間通過坦誠、開放的交流，分享知識和經(jīng)驗，才能創(chuàng)造出全新的、甚至是革命性的有極高實用價值的解決方案。