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।

डायाफ्राम माइक्रोपंप
एक डायाफ्राम माइक्रोपम्प एक तरल पदार्थ को चलाने के लिए एक डायाफ्राम के बार-बार क्रियान्वित करने का उपयोग करता है। झिल्ली एक मुख्य पंप वाल्व के ऊपर स्थित होती है, जो इनलेट और आउटलेट माइक्रोवॉल्व के बीच केंद्रित होती है। जब झिल्ली को कुछ प्रेरक बल के माध्यम से ऊपर की ओर विक्षेपित किया जाता है, तो तरल पदार्थ को इनलेट वाल्व में मुख्य पंप वाल्व में खींचा जाता है फिर झिल्ली को नीचे उतारा जाता है, आउटलेट वाल्व के माध्यम से तरल पदार्थ को बाहर निकाला जाता है। तरल पदार्थ को लगातार पंप करने के लिए यह प्रक्रिया दोहराई जाती है।

पीजोइलेक्ट्रिक माइक्रोपंप
पीजोइलेक्ट्रिक माइक्रोपंप सबसे आम प्रकार के विस्थापन प्रत्यागामी डायाफ्राम पंपों में से एक है। पीजोइलेक्ट्रिक संचालित माइक्रोपंप लागू वोल्टेज के जवाब में विकृत होने के लिए पीजो सिरेमिक की विद्युत यांत्रिक संपत्ति पर निर्भर करते हैं। झिल्ली से जुड़ी पीजोइलेक्ट्रिक डिस्क बाहरी अक्षीय विद्युत क्षेत्र द्वारा संचालित डायाफ्राम 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 भिन्नता होती है, जो द्रव के प्रवाह और बहिर्वाह का कारण बनती है। प्रवाह दर सामग्री की ध्रुवीकरण सीमा और पीजो पर लागू वोल्टेज द्वारा नियंत्रित होती है। अन्य एक्चुएशन सिद्धांतों की तुलना में पीजोइलेक्ट्रिक एक्चुएशन उच्च स्ट्रोक वॉल्यूम, उच्च एक्चुएशन बल और तेज यांत्रिक प्रतिक्रिया को सक्षम बनाता है, हालांकि इसके लिए पीजो सिरेमिक की तुलनात्मक रूप से उच्च एक्चुएशन वोल्टेज और जटिल माउंटिंग प्रक्रिया की आवश्यकता होती है।

3.5x3.5x0.6 मिमी3 के आयामों के साथ सबसे छोटा पीजोइलेक्ट्रिक माइक्रोपंप फ्राउनहोफर ईएमएफटी द्वारा विकसित किया गया था, जो एमईएमएस और माइक्रोसिस्टम प्रौद्योगिकियों पर ध्यान केंद्रित करने वाला विश्व प्रसिद्ध अनुसंधान संगठन है। माइक्रोपंप में तीन सिलिकॉन परतें होती हैं, जिनमें से एक पंप डायाफ्राम ऊपर से पंप कक्ष को सीमित करता है, जबकि दो अन्य मध्य वाल्व चिप और नीचे वाल्व चिप का प्रतिनिधित्व करते हैं। इनलेट और आउटलेट पर निष्क्रिय फ्लैप वाल्व के उद्घाटन प्रवाह की दिशा के अनुसार उन्मुख होते हैं। पंप डायाफ्राम पीजो को एक नकारात्मक वोल्टेज के आवेदन के साथ फैलता है जिससे पंप कक्ष में तरल पदार्थ को चूसने के लिए नकारात्मक दबाव पैदा होता है। जबकि सकारात्मक वोल्टेज इसके विपरीत डायाफ्राम को नीचे चला जाता है, जिसके परिणामस्वरूप आउटलेट वाल्व खोलने और तरल पदार्थ को कक्ष से बाहर करने के लिए मजबूर किया जाता है।

वर्तमान में, यांत्रिक माइक्रोपम्प प्रौद्योगिकी बड़े पैमाने पर निर्माण के लिए सिलिकॉन और ग्लास-आधारित माइक्रोमशीनिंग प्रक्रियाओं का उपयोग करती है। सामान्य माइक्रोफैब्रिकेशन प्रक्रियाओं में, निम्नलिखित तकनीकों का नाम दिया जा सकता है: फोटोलिथोग्राफी, अनिसोट्रोपिक नक़्क़ाशी, सतह माइक्रोमशीनिंग और सिलिकॉन की बल्क माइक्रोमशीनिंग। सिलिकॉन माइक्रोमशीनिंग के कई फायदे हैं जो उच्च-प्रदर्शन अनुप्रयोगों में प्रौद्योगिकी के व्यापक उपयोग की सुविधा प्रदान करते हैं, उदाहरण के लिए, दवा वितरण में। इस प्रकार, सिलिकॉन माइक्रोमशीनिंग यांत्रिक रूप से चलने वाले भागों, उदा। वाल्व फ्लैप, पहनने और थकान का प्रदर्शन नहीं करते हैं। पीडीएमएस, पीएमएमए, पीएलए, आदि जैसे सिलिकॉन पॉलीमर-आधारित सामग्रियों के विकल्प के रूप में उनकी बेहतर शक्ति, उन्नत संरचनात्मक गुणों, स्थिरता और सस्तेपन के कारण उपयोग किया जा सकता है। फ्राउनहोफर ईएमएफटी में सिलिकॉन माइक्रोपंप सिलिकॉन माइक्रोमशीनिंग तकनीक द्वारा निर्मित होते हैं। तीन मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन वेफर्स (100 ओरिएंटेड) को दो तरफा लिथोग्राफी द्वारा संरचित किया जाता है और सिलिकॉन गीले नक़्क़ाशी (पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड समाधान केओएच का उपयोग करके) द्वारा उकेरा जाता है। संरचित वेफर परतों के बीच संबंध एक सिलिकॉन संलयन बंधन द्वारा महसूस किया जाता है। इस बॉन्डिंग तकनीक को वेफर परतों के बीच एक सीधा सिलिकॉन-सिलिकॉन बॉन्ड करने के लिए 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 बंधन परत प्रभावित हो सकती है।

महत्वपूर्ण प्रदर्शन संकेतकों में से एक के रूप में एक माइक्रोपंप का संपीड़न अनुपात स्ट्रोक वॉल्यूम के बीच अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है, यानी पंप चक्र के दौरान पंप झिल्ली द्वारा विस्थापित द्रव मात्रा, और मृत मात्रा, यानी न्यूनतम द्रव मात्रा शेष के लिए शेष मोड में पम्पिंग पंप कक्ष।

$\varepsilon = \bigtriangleup V/ V_0$

संपीड़न अनुपात बुलबुला सहिष्णुता और माइक्रोपंप की प्रति-दबाव क्षमता को परिभाषित करता है। चैंबर के भीतर गैस के बुलबुले माइक्रोपंप के संचालन में बाधा डालते हैं क्योंकि गैस के बुलबुले के डंपिंग गुणों के कारण पंप कक्ष में दबाव चोटियों (∆P) में कमी आती है, जबकि सतह के गुणों के कारण निष्क्रिय वाल्व खोलने वाले महत्वपूर्ण दबाव (∆Pcrit) में वृद्धि होती है। फ्राउनहोफर ईएमएफटी माइक्रोपंप का संपीड़न अनुपात 1 के मान तक पहुँच जाता है, जिसका अर्थ है कि चुनौतीपूर्ण आउटलेट दबाव की स्थिति में भी आत्म-उपक्रामण क्षमता और बुलबुला सहिष्णुता। पीजो माउंटिंग की विशेष पेटेंट तकनीक के लिए एक बड़ा संपीड़न अनुपात प्राप्त किया जाता है जब पीज़ो माउंटिंग के लिए उपयोग किए जाने वाले चिपकने की इलाज प्रक्रिया के दौरान पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक के ऊपर और नीचे इलेक्ट्रोड पर विद्युत वोल्टेज लगाया जाता है। विक्षेपित प्रवर्तक के साथ-साथ उथले विरचित पंप चैम्बर हाइट्स के परिणामस्वरूप मृत मात्रा में उल्लेखनीय कमी से संपीड़न अनुपात बढ़ जाता है।

पेरिस्टाल्टिक माइक्रोपंप
पेरिस्टाल्टिक माइक्रोपंप एक माइक्रोपंप है जो श्रृंखला में कम से कम तीन माइक्रोवाल्व से बना होता है। पेरिस्टलसिस के रूप में जाने वाली प्रक्रिया में इन तीन वाल्वों को इनलेट से आउटलेट तक तरल पदार्थ खींचने के लिए क्रमिक रूप से खोला और बंद किया जाता है।

वाल्व रहित माइक्रोपंप
स्थैतिक वाल्वों को ऐसे वाल्वों के रूप में परिभाषित किया जाता है, जिनमें बिना किसी गतिमान भागों के स्थिर ज्यामिति होती है। ये वाल्व ऊर्जा के अतिरिक्त (सक्रिय) के माध्यम से या द्रव जड़ता (निष्क्रिय) द्वारा वांछित प्रवाह व्यवहार को प्रेरित करके प्रवाह सुधार प्रदान करते हैं। दो सबसे सामान्य प्रकार के स्थैतिक ज्यामिति निष्क्रिय वाल्व डिफ्यूज़र-नोज़ल तत्व और टेस्ला वाल्व हैं। फ्लो रेक्टिफिकेशन डिवाइस के रूप में नोज़ल-डिफ्यूज़र तत्वों वाले माइक्रोपम्प्स को आमतौर पर वाल्वलेस माइक्रोपम्प्स के रूप में जाना जाता है।

केशिका पंप
माइक्रोफ्लूइडिक्स में, केशिका पम्पिंग एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है क्योंकि पम्पिंग क्रिया के लिए किसी बाहरी सक्रियता बल की आवश्यकता नहीं होती है। ग्लास केशिकाएं और झरझरा मीडिया, जिसमें नाइट्रोसेल्युलोज पेपर और सिंथेटिक पेपर सम्मालित हैं, को माइक्रोफ्लूडिक चिप्स में एकीकृत किया जा सकता है। केशिका पम्पिंग व्यापक रूप से पार्श्व प्रवाह परीक्षण में प्रयोग किया जाता है। हाल ही में, अभिनव केशिका पंप, तरल चिपचिपाहट और सतह ऊर्जा से स्वतंत्र एक निरंतर पंपिंग प्रवाह दर के साथ,   विकसित किए गए थे, जिनके पारंपरिक केशिका पंपों (वॉशबर्न व्यवहार सहित प्रवाह) पर महत्वपूर्ण लाभ हैं।यानी प्रवाह दर स्थिर नहीं है) क्योंकि उनका प्रदर्शन नमूने की श्यानता पर निर्भर नहीं करता है।

रासायनिक चालित पंप
रासायनिक रूप से संचालित गैर-यांत्रिक पंपों को नैनोमोटर्स को सतहों पर चिपकाकर, रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से द्रव प्रवाह को चलाकर गढ़ा गया है। जैविक एंजाइम-आधारित पंप,    कार्बनिक फोटोकैटलिस्ट पंप, और धातु उत्प्रेरक पंप सहित पम्पिंग प्रणालियों की एक विस्तृत विविधता मौजूद है। ये पंप कई अलग-अलग तंत्रों के माध्यम से प्रवाह उत्पन्न करते हैं जिनमें स्व-डिफ्यूसियोफोरेसिस, वैद्युतकणसंचलन, बुलबुला प्रणोदन और घनत्व प्रवणता का उत्पादन शामिल है।  इसके अलावा, इन रासायनिक रूप से संचालित माइक्रोपंपों का उपयोग जहरीले एजेंटों का पता लगाने के लिए सेंसर के रूप में किया जा सकता है।

प्रकाश-संचालित पंप
गैर-यांत्रिक पम्पिंग का एक अन्य वर्ग प्रकाश-संचालित पम्पिंग है। कुछ नैनोकण यूवी स्रोत से प्रकाश को गर्मी में परिवर्तित करने में सक्षम होते हैं जो संवहन पंपिंग उत्पन्न करता है। टाइटेनियम डाइऑक्साइड नैनोकणों के साथ इस प्रकार के पंप संभव हैं और पंपिंग की गति को प्रकाश स्रोत की तीव्रता और कणों की सांद्रता दोनों द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है।

अनुप्रयोग
माइक्रोपंप में संभावित औद्योगिक अनुप्रयोग होते हैं, जैसे निर्माण प्रक्रियाओं के दौरान थोड़ी मात्रा में गोंद का वितरण, और पोर्टेबल या प्रत्यारोपित दवा वितरण उपकरणों सहित जैव चिकित्सा अनुप्रयोग। जैव-प्रेरित अनुप्रयोगों में लसीका वाहिकाओं को बदलने के लिए मैग्नेटोरियोलॉजिकल इलास्टोमर का उपयोग करते हुए एक लचीला विद्युत चुम्बकीय माइक्रोपंप शामिल है। रासायनिक रूप से संचालित माइक्रोपंप भी रासायनिक युद्ध एजेंटों और पारा और साइनाइड जैसे पर्यावरणीय खतरों का पता लगाने के मामले में रासायनिक संवेदन में अनुप्रयोगों की क्षमता प्रदर्शित करते हैं।

वायु प्रदूषण की समकालीन स्थिति को ध्यान में रखते हुए, माइक्रोपंप के लिए सबसे आशाजनक अनुप्रयोगों में से एक व्यक्तिगत वायु गुणवत्ता की निगरानी के लिए गैस और पार्टिकुलेट मैटर सेंसर की वृद्धि में निहित है। एमईएमएस निर्माण प्रौद्योगिकी के लिए धन्यवाद, एमओएस, एनडीआईआर और विद्युत रासायनिक गैससिद्धांतों पर आधारित गैस सेंसर को पोर्टेबल उपकरणों के साथ-साथ स्मार्टफोन और पहनने योग्य उपकरणों में फिट करने के लिए छोटा किया जा सकता है। फ्राउनहोफर ईएमएफटी पीजोइलेक्ट्रिक माइक्रोपंप का अनुप्रयोग परिवेशी वायु के तेजी से नमूने के माध्यम से सेंसर के प्रतिक्रिया समय को 2 सेकंड तक कम कर देता है। यह तेज संवहन द्वारा समझाया गया है जो तब होता है जब माइक्रोपंप हवा को सेंसर की ओर ले जाता है, जबकि धीमी प्रसार सेंसर प्रतिक्रिया के कारण माइक्रोपंप की अनुपस्थिति में कई मिनट तक देरी हो जाती है। माइक्रोपंप के मौजूदा विकल्प - पंखे - में कई कमियां हैं। पर्याप्त नकारात्मक दबाव प्राप्त करने में असमर्थ पंखा फिल्टर डायाफ्राम पर दबाव की गिरावट को दूर नहीं कर सकता है। इसके अलावा, गैस के अणु और कण आसानी से सेंसर की सतह और उसके आवास का फिर से पालन कर सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप समय के साथ सेंसर बहाव होता है।

इसके अतिरिक्त, एक इनबिल्ट माइक्रोपंप सेंसर उत्थान की सुविधा देता है और इस प्रकार सेंसर सतह से गैस अणुओं को बाहर निकालकर संतृप्ति के मुद्दों को हल करता है। श्वास विश्लेषण गैस संवेदक के लिए उपयोग का एक संबंधित क्षेत्र है जो माइक्रोपम्प द्वारा सशक्त है। माइक्रोपम्प टेलीमेडिसिन कार्यक्रमों के भीतर पोर्टेबल उपकरणों के माध्यम से गैस्ट्रोइंटेस्टाइनल ट्रैक्ट और फुफ्फुसीय रोगों, मधुमेह, कैंसर आदि के दूरस्थ निदान और निगरानी को आगे बढ़ा सकता है।

एमईएमएस माइक्रोपंप के लिए आशाजनक अनुप्रयोग मधुमेह-, ट्यूमर-, हार्मोन-, दर्द और ओकुलर थेरेपी के लिए अल्ट्रा-थिन पैच, इम्प्लांटेबल सिस्टम या इंटेलिजेंट पिल्स के भीतर लक्षित डिलीवरी के लिए ड्रग डिलीवरी सिस्टम में निहित है। पीजोइलेक्ट्रिक एमईएमएस माइक्रोपंप अंतःशिरा, चमड़े के नीचे, धमनी और 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, हालांकि, माइक्रोपंप को छोटी खुराक देने में सटीक माना जाता है और बैक प्रेशर स्वतंत्र प्रवाह प्रदर्शित करता है। योकम्पैटिबिलिटी और लघु आकार के कारण, ग्लूकोमा या फ़ेथिसिस के इलाज के लिए एक सिलिकॉन पीज़ोइलेक्ट्रिक माइक्रोपम्प को नेत्रगोलक पर प्रत्यारोपित किया जा सकता है। चूंकि इन परिस्थितियों में आंख जलीय हास्य के बहिर्वाह या उत्पादन को सुनिश्चित करने की अपनी क्षमता खो देती है, फ्रौनहोफर ईएमएफटी द्वारा 30 μl/s की प्रवाह दर के साथ विकसित प्रत्यारोपित माइक्रोपंप रोगी को बिना किसी बाधा या असुविधा के तरल पदार्थ के उचित प्रवाह की सुविधा प्रदान करता है। माइक्रोपम्प द्वारा हल की जाने वाली एक अन्य स्वास्थ्य समस्या मूत्राशय असंयम है। टाइटेनियम माइक्रोपम्प पर आधारित कृत्रिम स्फिंक्टर तकनीक हंसी या खांसने के दौरान दबाव को स्वचालित रूप से समायोजित करके संयम सुनिश्चित करती है। मूत्रमार्ग तरल पदार्थ से भरी आस्तीन के माध्यम से खोला और बंद किया जाता है जिसे माइक्रो पंप द्वारा नियंत्रित किया जाता है।

सर्वव्यापी चित्र परिदृश्यों (फिल्मों) और ध्वनि परिदृश्यों (संगीत) के प्रभावों को बढ़ाने के लिए माइक्रोपंप उपभोक्ता, चिकित्सा, रक्षा, प्रथम उत्तरदाता अनुप्रयोगों आदि के लिए सुगंधित परिदृश्यों की सुविधा प्रदान कर सकता है। नाक के पास रखे गए कई गंध जलाशयों के साथ माइक्रोडोज़िंग डिवाइस 1 मिनट में 15 अलग-अलग गंध छापों को जारी कर सकते हैं। माइक्रोपम्प का लाभ अलग-अलग गंधों को मिलाए बिना गंधों के क्रम को सूंघने की संभावना में निहित है। सिस्टम यह सुनिश्चित करता है कि गंध के अणुओं को वितरित किए जाने पर ही उपयोगकर्ता द्वारा गंध की उचित खुराक का पता लगाया जाता है। सुगंधित खुराक के लिए माइक्रोपंप के साथ कई अनुप्रयोग संभव हैं: वांछित वातावरण में पूर्ण विसर्जन की सुविधा के लिए स्वाद प्रशिक्षण (शराब, भोजन), सीखने के कार्यक्रम, मनोचिकित्सा, एनोस्मिया उपचार, प्रथम प्रतिक्रियाकर्ता प्रशिक्षण आदि।

विश्लेषणात्मक प्रणालियों के भीतर, माइक्रोपम्प लैब-ऑन-चिप अनुप्रयोगों, एचपीएलसी गैस क्रोमैटोग्राफी सिस्टम, आदि के लिए हो सकता है। बाद वाले को सटीक वितरण और गैसों के प्रवाह को सुनिश्चित करने के लिए माइक्रोपम्प की आवश्यकता होती है। चूँकि गैसों की संपीड्यता चुनौतीपूर्ण होती है, इसलिए माइक्रोपम्प का उच्च संपीड़न अनुपात होना चाहिए।

अन्य अनुप्रयोगों में, निम्नलिखित क्षेत्रों को नाम दिया जा सकता है: कम संख्या में स्नेहक, ईंधन खुराक प्रणाली, सूक्ष्म-वायवीय, सूक्ष्म-हाइड्रोलिक प्रणाली और उत्पादन प्रक्रियाओं में खुराक प्रणाली, और तरल हैंडलिंग (कुशन पिपेट, माइक्रोलीटर प्लेट) के लिए खुराक प्रणाली।

यह भी देखें

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