माइक्रोपम्प

माइक्रोपंप ऐसे उपकरण हैं जो तरल पदार्थ की छोटी मात्रा को नियंत्रित और हेरफेर कर सकते हैं। हालांकि किसी भी छोटे पंप को अक्सर एक माइक्रोपम्प के रूप में संदर्भित किया जाता है, एक अधिक सटीक परिभाषा इस शब्द को माइक्रोमीटर रेंज में कार्यात्मक आयामों वाले पंपों तक सीमित करती है। ऐसे पंप माइक्रोफ्लुइडिक अनुसंधान में विशेष महत्व रखते हैं और हाल के वर्षों में औद्योगिक उत्पाद एकीकरण के लिए उपलब्ध हो गए हैं। मौजूदा लघु पंपों की तुलना में उनका छोटा समग्र आकार, संभावित लागत और बेहतर खुराक सटीकता इस अभिनव पंप में बढ़ती रुचि को बढ़ावा देती है।

परिचय और इतिहास
1970 के दशक के मध्य में पहले वास्तविक माइक्रोपम्प्स की सूचना मिली थी, लेकिन 1980 के दशक में इसके प्रभाव ने आकर्षित किया, जब जेन स्मट्स और हेराल्ड वैन लिंटेल ने माइक्रोइलेक्ट्रोयांत्रिक प्रणाली (एमईएमएस) माइक्रोपंप विकसित किए। 1990 के दशक में अधिकांश मौलिक एमईएमएस माइक्रोपंप का काम किया गया था। हाल ही में, गैर-यांत्रिक माइक्रोपंप डिजाइन करने के प्रयास किए गए हैं जो बाहरी शक्ति पर भरोसा किए बिना दूरस्थ स्थानों में संचालित होते हैं।

प्रकार और तकनीक
माइक्रोफ्लुइडिक दुनिया के भीतर, भौतिक नियम अपना रूप बदलते हैं। उदाहरण के लिए, वजन या जड़ता जैसे वॉल्यूमेट्रिक बल अक्सर नगण्य हो जाते हैं, जबकि सतही बल तरल व्यवहार पर हावी हो सकते हैं, खासकर जब तरल पदार्थ में गैस सम्मिलित हो। केवल कुछ अपवादों के साथ, माइक्रोपंप माइक्रो-एक्ट्यूएशन सिद्धांतों पर भरोसा करते हैं, जो यथोचित रूप से केवल एक निश्चित आकार तक ही बढ़ाए जा सकते हैं।

माइक्रोपंप को यांत्रिक और गैर-यांत्रिक उपकरणों में विभाजित किया जा सकता है। मैकेनिकल सिस्टम में मूविंग पार्ट्स होते हैं, जो आमतौर पर प्रवर्तन और माइक्रोवाल्व मेम्ब्रेन या फ्लैप होते हैं। पीजोइलेक्ट्रिक, स्थिर वैद्युत, थर्मो-वायवीय, वायवीय या चुंबकीय प्रभावों का उपयोग करके ड्राइविंग बल उत्पन्न किया जा सकता है। गैर-यांत्रिक पंप इलेक्ट्रो-हाइड्रोडायनामिक, इलेक्ट्रो-ऑस्मोटिक, इलेक्ट्रोकेमिकल या अल्ट्रासोनिक प्रवाह पीढ़ी के साथ काम करते हैं, वर्तमान में अध्ययन किए जा रहे कुछ सक्रियण तंत्रों के नाम के लिए।

झिल्ली माइक्रोपंप
एक झिल्ली माइक्रोपम्प एक द्रव को चलाने के लिए एक झिल्ली के बार-बार सक्रिय होने का उपयोग करता है। झिल्ली एक मुख्य पंप कपाट के ऊपर स्थित होता है, जो प्रवेशिका और विसर्जन केन्द्र माइक्रोवाल्व के बीच केंद्रित होता है। जब झिल्ली को किसी प्रेरक शक्ति के माध्यम से ऊपर की ओर विक्षेपित किया जाता है, तो द्रव को प्रवेशिका वाल्व में मुख्य पंप वाल्व में खींच लिया जाता है। फिर झिल्ली को उतारा जाता है, विसर्जन केन्द्र वाल्व के माध्यम से द्रव को बाहर निकाल दिया जाता है। द्रव पदार्थ को लगातार पंप करने के लिए इस प्रक्रिया को दोहराया जाता है।

दाब वैद्युत् माइक्रोपंप
दाब वैद्युत् माइक्रोपम्प सबसे साधारण प्रकार के विस्थापन पारस्परिक झिल्ली पंपों में से एक है। दाब वैद्युत् चालित माइक्रोपंप लागू वोल्टेज के जवाब में विकृत करने के लिए दाब मृत्तिका कृति की  विद्युत् यांत्रिक आलेखित्र पर भरोसा करते हैं। झिल्ली से जुड़ी दाब वैद्युत् चक्र बाहरी अक्षीय विद्युत क्षेत्र द्वारा संचालित झिल्ली विक्षेपण का कारण बनती है और इस प्रकार माइक्रोपम्प के कक्ष का विस्तार और संकुचन करती है। इस यांत्रिक तनाव के परिणामस्वरूप कक्ष में दबाव में भिन्नता होती है, जिससे द्रव का प्रवाह और बहिर्वाह होता है। प्रवाह दर को सामग्री की ध्रुवीकरण सीमा और दाब पर लागू वोल्टेज द्वारा नियंत्रित किया जाता है। अन्य प्रवर्तक सिद्धांतों की तुलना में दाब वैद्युत् प्रवर्तक उच्च आघात ध्वनि, उच्च प्रवर्तक बल और तेज यांत्रिक प्रतिक्रिया को सक्षम बनाता है, चूकी तुलनात्मक रूप से उच्च प्रवर्तक वोल्टेज और दाब मृत्तिका कृति  की जटिल आलंबन प्रक्रिया की आवश्यकता होती है।

3.5x3.5x0.6 मिमी. के आयामों के साथ सबसे छोटा दाब वैद्युत् माइक्रोपम्प3 को फ्रौनहोफर EMFT द्वारा विकसित किया गया था MEMS और माइक्रोइलेक्ट्रोयांत्रिक प्रौद्योगिकियां प्रणाली पर ध्यान केंद्रित करने वाला विश्व प्रसिद्ध अनुसंधान संगठन है। माइक्रोपंप में तीन सिलिकॉन परतें होती हैं, जिनमें से एक पंप झिल्ली के रूप में ऊपर से पंप कक्ष को सीमित करता है, जबकि दो अन्य मध्य वाल्व चिप और नीचे वाल्व चिप का प्रतिनिधित्व करते हैं। प्रवेश और निर्गम पर निष्क्रिय झिल्ली वाल्व के उद्घाटन प्रवाह की दिशा के अनुसार उन्मुख होते हैं। पंप झिल्ली दाब में एक नकारात्मक वोल्टेज के आवेदन के साथ फैलता है जिससे पंप कक्ष में द्रव पदार्थ को चूसने के लिए नकारात्मक दबाव पैदा होता है। जबकि धनात्मक वोल्टेज इसके विपरीत झिल्ली को नीचे ले जाता है, जिसके परिणामस्वरूप निर्गम वाल्व अधिक दबाव में खुल जाता है और द्रव को कक्ष से बाहर निकाल देता है।





वर्तमान में यांत्रिक माइक्रोपम्प तकनीक की रचना के लिए सिलिकॉन और काँच आधारित माइक्रोमशीनरी  प्रक्रियाओं का व्यापक रूप से उपयोग करती है। सामान्य  सूक्ष्मरचना प्रक्रियाओं में, निम्नलिखित तकनीकों का नाम दिया जा सकता है: प्रकाशअश्मलेखन,  विषमदैशिक नक़्क़ाशी (माइक्रोफैब्रिकेशन), सतह  सूक्ष्म मशीन और सिलिकॉन की थोक सूक्ष्म मशीन। सिलिकॉन  सूक्ष्म मशीन के कई फायदे हैं जो उच्च प्रदर्शन अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से प्रौद्योगिकी की सुविधा प्रदान करते हैं, उदाहरण के लिए, दवा वितरण में। इस प्रकार, सिलिकॉन सूक्ष्म मशीन उच्च ज्यामितीय परिशुद्धता और दीर्घकालिक स्थिरता की अनुमति देता है, क्योंकि यांत्रिक रूप से चलने वाले हिस्से, उदा। वाल्व लोलक, पहनने और थकान का प्रदर्शन न करें। सिलिकॉन  पॉलीमर -आधारित सामग्री जैसे  पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन, PMMA, PLLA, आदि के विकल्प के रूप में बेहतर शक्ति , उन्नत संरचनात्मक गुणों, स्थिरता और सस्ता होने  के कारण उपयोग किया जा सकता है। फ्रौनहोफर EMFT में सिलिकॉन माइक्रोपंप सिलिकॉन सूक्ष्म मशीन तकनीक द्वारा निर्मित होते हैं। तीन  मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन टुकड़ा (100 उन्मुख) दोनों ओर शिला लिपि द्वारा संरचित और सिलिकॉन आर्द्र नक़्क़ाशी (पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड सॉल्यूशन KOH का उपयोग करके) द्वारा बनाए गए हैं। संरचित टुकड़ा परतों के बीच संबंध सिलिकॉन संयोजन बन्ध द्वारा महसूस किया जाता है। टुकड़ा परतों के बीच एक सीधा सिलिकॉन-सिलिकॉन बंधन करने के लिए इस बंधन तकनीक को बहुत चिकनी सतहों (0.3 एनएम से कम खुरदरापन) और बहुत उच्च तापमान (1100 डिग्री सेल्सियस तक) की आवश्यकता होती है। संबंध परत की अनुपस्थिति ऊर्ध्वाधर पंप डिजाइन मापदंडों की परिभाषा की अनुमति देती है। इसके अतिरिक्त, पंप किए गए माध्यम से संबंधित परत प्रभावित हो सकती है।

महत्वपूर्ण प्रदर्शन संकेतक में से एक के रूप में माइक्रोपंप का संपीड़न अनुपात स्ट्रोक आयतन के बीच के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है, अर्थात् पंप चक्र के दौरान पंप झिल्ली द्वारा विस्थापित द्रव की मात्रा, और मृत मात्रा, अर्थात् पंप कक्ष में पम्पिंग मोड में शेष द्रव पदार्थ न्यूनतम मात्रा ।

$\varepsilon = \bigtriangleup V/ V_0$

संपीड़न अनुपात बुलबुला सहिष्णुता और माइक्रोपंप की पटल दबाव क्षमता को परिभाषित करता है। चैम्बर के भीतर गैस के बुलबुले माइक्रोपंप के संचालन में बाधा डालते हैं क्योंकि गैस के बुलबुले के भिगोने के गुणों के कारण पंप कक्ष में दबाव शिखर (∆P) कम हो जाता है, जबकि सतह के गुणों के कारण महत्वपूर्ण दबाव (∆P)crit) जो निष्क्रिय वाल्व खोलता है वह बढ़ता है। फ्रौनहोफर EMFT माइक्रोपंप का संपीड़न अनुपात 1 के मान तक पहुंच जाता है, जिसका अर्थ है कि निर्गम दबाव की चुनौतीपूर्ण स्थितियों में भी आत्म-उपक्रामण क्षमता और बुलबुला सहिष्णुता। दाब आलंबन की विशेष पेटेंट तकनीक के परिणाम से  बड़ा संपीड़न अनुपात हासिल किया जाता है, जब दाब आलंबन के लिए उपयोग किए जाने वाले चिपकने की इलाज प्रक्रिया के दौरान दाब वैद्युत् मिट्टी का के ऊपर और नीचे इलेक्ट्रोड पर विद्युत वोल्टेज लगाया जाता है। पूर्व-विक्षेपित प्रवर्तक के साथ-साथ  हल्की गढ़े हुए पंप चैंबर की ऊंचाई के परिणामस्वरूप मृत मात्रा में उल्लेखनीय कमी संपीड़न अनुपात को बढ़ाती है।

क्रमाकुंचक माइक्रोपम्प्स
एक क्रमिक वृत्तों में सिकुड़नेवाला माइक्रोपम्प एक माइक्रोपम्प है जो श्रृंखला में कम से कम तीन माइक्रोवाल्व से बना होता है। इन तीन वाल्वों को क्रमिक रूप से खोला और बंद किया जाता है ताकि द्रव पदार्थ को प्रवेश से निर्गम तक एक प्रक्रिया में खींचा जा सके जिसे क्रमांकुचन कहा जाता है।

वाल्व रहित माइक्रोपंप
स्थैतिक वाल्व को वाल्व के रूप में परिभाषित किया जाता है जिसमें बिना किसी गतिमान भागों के निश्चित ज्यामिति होती है। ये वाल्व ऊर्जा (सक्रिय) के अतिरिक्त या द्रव जड़त्व (निष्क्रिय) द्वारा वांछित प्रवाह व्यवहार को प्रेरित करके प्रवाह को सुधारते हैं। दो सबसे सामान्य प्रकार के स्थिर ज्यामिति निष्क्रिय वाल्व हैं डिफ्यूज़र-नोजल तत्व और टेस्ला वाल्व। फ्लो रेक्टिफिकेशन डिवाइस के रूप में नली का अगला भाग -विसारक तत्वों वाले माइक्रोपम्प्स को सामान्यतः वाल्व रहित माइक्रोपम्प्स के रूप में जाना जाता है।

केशिका पंप
केशिका में, केशिका पंपिंग एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है क्योंकि पंपिंग क्रिया को बाहरी सक्रियण शक्ति की आवश्यकता नहीं होती है। कांच केशिकाएं और छिद्रयुक्त माध्यम, जिसमें नाइट्रोसेल्यूलोज पेपर और सिंथेटिक पेपर सम्मालित हैं, माइक्रोफ्लुइडिक चिप्स में एकीकृत किया जा सकता है। पार्श्व प्रवाह परीक्षण में केशिका पंपिंग का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। हाल ही में, उपन्यास केशिका पंप, द्रव श्यानता और सतह ऊर्जा से स्वतंत्र एक निरंतर पंपिंग प्रवाह दर के साथ,   विकसित किए गए थे, जिनका पारंपरिक केशिका पंप पर एक महत्वपूर्ण लाभ है (जिनमें से प्रवाह व्यवहार वाशबर्न व्यवहार है, अर्थात् प्रवाह दर स्थिर नहीं है) क्योंकि उनका प्रदर्शन अकृति श्यानता पर निर्भर नहीं करती है।

रासायनिक रूप से संचालित पंप
रासायनिक रूप से संचालित गैर-यांत्रिक पंपों को नैनोमोटर्स  को सतहों से जोड़कर, रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से द्रव प्रवाह को चलाकर तैयार किया गया है। पम्पिंग प्रणाली की एक विस्तृत विविधता उपस्थितहै जिसमें जैविक एंजाइम आधारित पंप,     कार्बनिक प्रकाशोत्प्रेरित पंप, और धातु उत्प्रेरक पंप।  ये पंप स्व-प्रसार, वैद्युतकणसंचलन, बुलबुला प्रणोदन और घनत्व ढाल की पीढ़ी सहित कई विभिन्न तंत्रों के माध्यम से प्रवाह उत्पन्न करते हैं।  इसके अतिरिक्त, इन रासायनिक रूप से संचालित माइक्रोपम्पों को विषैले वाहक का पता लगाने के लिए संवेदक के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है।

प्रकाश से चलने वाले पंप
गैर-यांत्रिक पम्पिंग का एक अन्य वर्ग प्रकाश-संचालित पम्पिंग है। कुछ नैनोकण एक UV स्रोत से प्रकाश को ऊष्मा में बदलने में सक्षम होते हैं जो संवहनी पंपिंग उत्पन्न करता है। टाइटेनियम डाइऑक्साइड नैनोकणों के साथ इस प्रकार के पंप संभव हैं और पम्पिंग की गति को प्रकाश स्रोत की तीव्रता और कणों की एकाग्रता दोनों द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है।

अनुप्रयोग
माइक्रोपंप में संभावित औद्योगिक अनुप्रयोग होते हैं, जैसे विनिर्माण प्रक्रियाओं के दौरान गोंद की थोड़ी मात्रा का वितरण, और जैव चिकित्सा अनुप्रयोग, जिसमें वहनीय या प्रत्यारोपित दवा वितरण उपकरण सम्मालितहैं। जैव-प्रेरित अनुप्रयोगों में लसीका वाहिकाओं  को बदलने के लिए  मैग्नेटोरियोलॉजिकल  प्रत्यास्थलक का उपयोग करके एक लचीला विद्युत चुम्बकीय माइक्रोपम्प सम्मालित है। रासायनिक रूप से संचालित माइक्रोपम्प रासायनिक संघर्ष वाहक और पारा और साइनाइड जैसे पर्यावरणीय खतरों का पता लगाने के मामले में रासायनिक संवेदन में अनुप्रयोगों के लिए क्षमता प्रदर्शित करते हैं।

वायु प्रदूषण की समकालीन स्थिति को ध्यान में रखते हुए, माइक्रोपम्प के लिए सबसे आशाजनक अनुप्रयोगों में से एक व्यक्तिगत वायु गुणवत्ता की निगरानी के लिए गैस और कणिका द्रव्य संवेदक को बढ़ाना है। MEMS रचना तकनीक के लिए धन्यवाद, MOSFET पर आधारित गैस संवेदक, नॉनडिस्पर्सिव इन्फ्रारेड संवेदक,  विद्युत रासायनिक गैस संवेदक सिद्धांतों को पोर्टेबल उपकरणों के साथ-साथ स्मार्टफोन और पहनने योग्य बनाने में फिट करने के लिए छोटा किया जा सकता है। फ्रौनहोफर EMFT दाब वैद्युत् माइक्रोपम्प का अनुप्रयोग परिवेशी वायु के तेजी से अकृति के माध्यम से संवेदक के प्रतिक्रिया समय को 2 सेकंड तक कम कर देता है। यह तेजी से संवहन द्वारा समझाया गया है जो तब होता है जब माइक्रोपंप हवा को संवेदक की ओर ले जाता है, जबकि माइक्रोपंप की अनुपस्थिति में धीमी प्रसार संवेदक प्रतिक्रिया के कारण कई मिनट तक की देरी होती है। माइक्रोपंप के वर्तमान विकल्प - पंखे - में कई कमियां हैं। पर्याप्त नकारात्मक दबाव प्राप्त करने में असमर्थ पंखा फिल्टर झिल्ली पर दबाव पात को दूर नहीं कर सकता है। इसके अतिरिक्त, गैस के अणु और कण आसानी से संवेदक की सतह और उसके आवास का फिर से पालन कर सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप समय में संवेदक का बहाव होता है।

इसके अतिरिक्त अन्तर्निहित माइक्रोपम्प संवेदक के पुनर्जनन की सुविधा प्रदान करता है और इस प्रकार संवेदक सतह से गैस अणुओं को बाहर निकालकर संतृप्ति के मुद्दों को हल करता है। श्वास विश्लेषण गैस संवेदक के लिए उपयोग का संबंधित क्षेत्र है जो माइक्रोपम्प द्वारा सशक्त है। माइक्रोपम्प सुदूर कार्यक्रमों के भीतर वहनीय उपकरणों के माध्यम से जठरांत्र संबंधी मार्ग और फुफ्फुसीय रोगों, मधुमेह, कैंसर आदि के दूरस्थ निदान और निगरानी को आगे बढ़ा सकता है।

MEMS माइक्रोपंप के लिए आशाजनक अनुप्रयोग मधुमेह के लिए दवा वितरण प्रणाली में निहित है- ट्यूमर-, हार्मोन-, अल्ट्रा-थिन पैच के रूप में दर्द और नेत्र थेरेपी, प्रत्यारोपण प्रणाली या  डिजिटल गोली  के भीतर लक्षित वितरण। दाब वैद्युत् एमईएमएस माइक्रोपंप  अंतःशिरा चिकित्सा,  अंतस्त्वचा इंजेक्शन , धमनी, ओकुलर ड्रग इंजेक्शन के लिए पारंपरिक पेरिस्टाल्टिक या सिरिंज पंपों की जगह ले सकते हैं। दवा वितरण आवेदन के लिए उच्च प्रवाह दर की आवश्यकता नहीं होती है, चूकी, माइक्रोपंप को छोटी खुराक देने में सही माना जाता है और बैक प्रेशर स्वतंत्र प्रवाह प्रदर्शित करता है। जैव और लघु आकार के कारण,  आंख का रोग  या  मोतियाबिंद तपेदिक के इलाज के लिए सिलिकॉन दाब वैद्युत् माइक्रोपम्प को नेत्रगोलक पर लगाया जा सकता है। चूंकि इन स्थितियों के अनुसारआंख जलीय हास्य के बहिर्वाह या उत्पादन को सुनिश्चित करने की अपनी क्षमता खो देती है, फ्रौन्होफर ईएमएफटी द्वारा 30 μl / s की प्रवाह दर के साथ विकसित प्रत्यारोपित माइक्रोपम्प रोगी को बिना किसी प्रतिबंध या असुविधा के द्रव पदार्थ के उचित प्रवाह की सुविधा प्रदान करता है। माइक्रोपम्प द्वारा हल की जाने वाली एक अन्य स्वास्थ्य समस्या  मूत्र असंयम  है। टाइटेनियम माइक्रोपंप पर आधारित कृत्रिम अवरोधिनी तकनीक हंसी या खांसने के दौरान दबाव को स्वचालित रूप से समायोजित करके निरंतरता सुनिश्चित करती है। यूरेथ्रा एक द्रव पदार्थ से भरी आस्तीन के माध्यम से खोला और बंद किया जाता है जिसे माइक्रोपम्प द्वारा नियंत्रित किया जाता है।

माइक्रोपम्प सर्वव्यापी चित्र परिदृश्यों (फिल्मों) और ध्वनि परिदृश्यों (संगीत) के प्रभाव को बढ़ाने के लिए उपभोक्ता, चिकित्सा, रक्षा, प्रथम प्रतिक्रिया अनुप्रयोगों आदि के लिए सुगंध परिदृश्य की सुविधा प्रदान कर सकता है। कई सुगंधित जलाशयों के साथ माइक्रोडोज़िंग उपकरण जो नाक के पास लगे होते हैं, 1 मिनट में 15 अलग-अलग गंध छाप छोड़ सकते हैं। माइक्रोपम्प का लाभ विभिन्न गंधों को मिश्रित किए बिना गंधों के अनुक्रम को सूंघने की संभावना में निहित है। प्रणाली यह सुनिश्चित करता है कि गंध के अणुओं को छोड़ने के बाद ही उपयोगकर्ता द्वारा गंध की उचित खुराक का पता लगाया जाए। सुगंध-खुराक के लिए माइक्रोपंप के साथ कई अनुप्रयोग संभव हैं: वांछित वातावरण में पूर्ण विसर्जन की सुविधा के लिए स्वादक प्रशिक्षण (वाइन, भोजन), सीखने के कार्यक्रम, मनोचिकित्सा, घ्राणशक्ति का नाश उपचार, प्रथम प्रतिक्रिया प्रशिक्षण इत्यादि।

विश्लेषणात्मक प्रणालियों के भीतर, माइक्रोपम्प लैब-ऑन-चिप अनुप्रयोगों, उच्च-प्रदर्शन द्रव क्रोमैटोग्राफी और गैस वर्णलेखन प्रणाली आदि के लिए हो सकता है। बाद वाले माइक्रोपम्पों के लिए सही  वितरण और गैसों के प्रवाह को सुनिश्चित करने की आवश्यकता होती है। चूंकि गैसों की संपीड्यता चुनौतीपूर्ण है, इसलिए माइक्रोपम्प में उच्च संपीड़न अनुपात होना चाहिए।

अन्य अनुप्रयोगों में, निम्नलिखित क्षेत्रों का नाम दिया जा सकता है: स्नेहक की छोटी मात्रा के लिए खुराक प्रणाली, ईंधन खुराक प्रणाली, सूक्ष्म वायवीय, सूक्ष्म हाइड्रोलिक प्रणाली और उत्पादन प्रक्रियाओं में खुराक प्रणाली, द्रव प्रबन्ध रोबोट (तकिया  पतली नलिका, माइक्रोलीटर प्लेट)।

यह भी देखें

 * इलेक्ट्रोस्मोटिक पंप
 * ईंधन सेल शब्दों की शब्दावली
 * प्रतिबाधा पंप
 * माइक्रोवाल्व