माइक्रोपम्प: Difference between revisions

माइक्रोपंप ऐसे उपकरण हैं जो तरल पदार्थ की छोटी मात्रा को नियंत्रित और हेरफेर कर सकते हैं।<ref name=":6">{{Cite journal|date=2021-10-15|title=दवा वितरण आवेदन के लिए सूक्ष्म खुराक - एक समीक्षा|url=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924424721002831|journal=Sensors and Actuators A: Physical|language=en|volume=330|pages=112820|doi=10.1016/j.sna.2021.112820|issn=0924-4247|doi-access=free}}</ref><ref>{{Cite journal|last1=Laser|first1=D. J.|last2=Santiago|first2=J. G.|s2cid=35703576|date=2004|title=माइक्रोपंप की समीक्षा|journal=Journal of Micromechanics and Microengineering|language=en|volume=14|issue=6|pages=R35|doi=10.1088/0960-1317/14/6/R01|issn=0960-1317|bibcode=2004JMiMi..14R..35L}}</ref> हालांकि किसी भी छोटे [[ पंप |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।<ref name=":6" /><ref>{{cite journal|author= Nguyen|display-authors=etal|title= एमईएमएस-माइक्रोपंप: एक समीक्षा|journal= Journal of Fluids Engineering |volume= 124|issue= 2|pages= 384–392|year= 2002|doi= 10.1115/1.1459075}}</ref><ref name=":1">{{cite journal|author= Iverson|display-authors=etal|title= सूक्ष्म पम्पिंग प्रौद्योगिकियों में हालिया प्रगति: एक समीक्षा और मूल्यांकन|journal= Microfluid Nanofluid |volume= 5|issue= 2|pages= 145–174|year= 2008|doi= 10.1007/s10404-008-0266-8|s2cid=44242994|url=http://docs.lib.purdue.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1080&context=nanopub}}</ref><ref>{{cite journal|author=Amirouche|display-authors=etal|title= वर्तमान माइक्रोपंप प्रौद्योगिकियां और उनके जैव चिकित्सा अनुप्रयोग|journal= Microsystem Technologies |volume= 15|issue= 5|pages= 647–666|year= 2009|doi= 10.1007/s00542-009-0804-7|s2cid=108575489}}</ref>

==== डायाफ्राम 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।<ref name=":2">{{cite journal|author=Laser and Santiago|s2cid=35703576|year=2004|title=माइक्रोपंप की समीक्षा|journal=J. Micromech. Microeng.|volume=14|issue=6|pages=R35–R64|bibcode=2004JMiMi..14R..35L|doi=10.1088/0960-1317/14/6/R01}}</ref> 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।<ref name=":5">{{Cite journal|last1=Mohith|first1=S.|last2=Karanth|first2=P. Navin|last3=Kulkarni|first3=S. M.|date=2019-06-01|title=मैकेनिकल माइक्रोपंप और उनके अनुप्रयोगों में हाल के रुझान: एक समीक्षा|journal=Mechatronics|volume=60|pages=34–55|doi=10.1016/j.mechatronics.2019.04.009|issn=0957-4158}}</ref> 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।<ref name=":3" />

3.5x3.5x0.6 मिमी³ के आयामों के साथ सबसे छोटा पीजोइलेक्ट्रिक माइक्रोपंप फ्राउनहोफर ईएमएफटी<ref>{{Cite web|url=https://www.emft.fraunhofer.de/en/mediacenter/press-briefings/micropatchpump_PI.html|title=लघुकृत सूक्ष्म पैच पंप - फ्रौनहोफर ईएमएफटी|website=Fraunhofer Research Institution for Microsystems and Solid State Technologies EMFT|language=en|access-date=2019-12-03}}</ref> 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 [[ माइक्रोमशीनरी |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।<ref name=":5" /> 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।<ref name=":3" /> 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 |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।<ref name=":4">{{Cite book|title=गंध की पुस्तिका|last=Richter|first=Martin|publisher=Springer International Publishing|year=2017|isbn=978-3-319-26930-6|editor-last=Buettner|editor-first=Andrea|pages=1081–1097|chapter=Microdosing of Scent}}</ref> 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। <ref name=":2" />

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 (∆P_crit) में वृद्धि होती है।<ref>{{Cite journal|last1=Richter|first1=M.|last2=Linnemann|first2=R.|last3=Woias|first3=P.|date=1998-06-15|title=गैस और तरल माइक्रोपंप का मजबूत डिजाइन|journal=Sensors and Actuators A: Physical|series=Eurosensors XI|volume=68|issue=1|pages=480–486|doi=10.1016/S0924-4247(98)00053-3|issn=0924-4247}}</ref> 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।

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 <ref>{{cite journal|author=Stemme and Stemme|year=1993|title=एक वाल्वलेस डिफ्यूज़र / नोजल-आधारित द्रव पंप|journal=Sensors and Actuators A: Physical|volume=39|issue=2|pages=159–167|doi=10.1016/0924-4247(93)80213-Z}}</ref><ref>{{cite journal|author=van der Wijngaart|year=2001|title=माइक्रोफ्लुइडिक विश्लेषणात्मक प्रणालियों के लिए एक वाल्व-कम विसारक माइक्रोपम्प|journal=Sensors and Actuators B: Chemical|volume=72|issue=3|pages=259–265|doi=10.1016/S0925-4005(00)00644-4}}</ref> 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।

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,<ref name="Synthetic microfluidic paper">{{cite journal |author1=Jonas Hansson |author2=Hiroki Yasuga |author3=Tommy Haraldsson |author4=Wouter van der Wijngaart | year = 2016 | title = सिंथेटिक माइक्रोफ्लुइडिक पेपर: उच्च सतह क्षेत्र और उच्च सरंध्रता बहुलक माइक्रोप्रिलर सरणियाँ| journal = Lab on a Chip |volume= 16 |issue=2 |pages= 298–304 |doi=10.1039/C5LC01318F|pmid=26646057 |url=http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-180009 }}</ref> 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, <ref name="synthetic paper pump">{{cite journal |author1=Weijin Guo |author2=Jonas Hansson |author3=Wouter van der Wijngaart | year = 2016 | title = चिपचिपापन स्वतंत्र कागज माइक्रोफ्लुइडिक असंतुलन| url = https://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:1048748/FULLTEXT01.pdf| journal = MicroTAS 2016, Dublin, Ireland}}</ref><ref name="viscosity independent pump">{{cite journal |author1=Weijin Guo |author2=Jonas Hansson |author3=Wouter van der Wijngaart | year = 2016 | title = तरल नमूना चिपचिपाहट से स्वतंत्र केशिका पम्पिंग| journal = Langmuir |volume= 32 |issue= 48 |pages= 12650–12655 |doi=10.1021/acs.langmuir.6b03488|pmid=27798835 |url=http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-196135 }}</ref><ref name="liquid properties independent pump 1">{{Cite book|author1=Weijin Guo |author2=Jonas Hansson |author3=Wouter van der Wijngaart | year = 2017 | title = तरल नमूना चिपचिपाहट और सतह ऊर्जा से स्वतंत्र निरंतर प्रवाह दर के साथ केशिका पंपिंग| journal = IEEE MEMS 2017, Las Vegas, USA|pages=339–341 |doi=10.1109/MEMSYS.2017.7863410|isbn=978-1-5090-5078-9 |s2cid=13219735 |url=http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-196738 }}</ref><ref name="liquid properties independent pump 2">{{cite journal |author1=Weijin Guo |author2=Jonas Hansson |author3=Wouter van der Wijngaart | year = 2018 | title = तरल सतह ऊर्जा और चिपचिपाहट से स्वतंत्र केशिका पम्पिंग| journal = Microsystems & Nanoengineering |volume=4 |issue=1 |pages=2 |doi=10.1038/s41378-018-0002-9|pmid=31057892 |pmc=6220164 |bibcode=2018MicNa...4....2G }}</ref> 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 |नैनोमोटर्स]] को सतहों पर चिपकाकर, रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से द्रव प्रवाह को चलाकर गढ़ा गया है। जैविक एंजाइम-आधारित पंप,<ref name="pizza1">{{cite journal|author1=Sengupta, S. |author2=Patra, D. |author3=Ortiz-Rivera, I. |author4=Agrawal, A. |author5=Shklyaev, S. |author6=Dey, K. K. |author7=Córdova-Figueroa, U. |author8=Mallouk, T. E. |author9=Sen, A. |s2cid=14639241 |title= स्व-संचालित एंजाइम माइक्रोपम्प्स|journal= Nature Chemistry |year=2014|volume= 6 |issue=5|pages= 415–422|pmid= 24755593|doi= 10.1038/nchem.1895|bibcode=2014NatCh...6..415S }}</ref><ref name="pizza2">{{cite journal|author1=Ortiz-Rivera, I. |author2=Shum, H. |author3=Agrawal, A. |author4=Balazs, A. C. |author5=Sen, A. |title= स्व-संचालित एंजाइम माइक्रोपंप में संवहनी प्रवाह उत्क्रमण|journal= Proceedings of the National Academy of Sciences |year=2016|volume=113 |issue=10 |pages=2585–2590|doi=10.1073/pnas.1517908113|pmid=26903618 |pmc=4791027|bibcode=2016PNAS..113.2585O |doi-access=free }}</ref><ref name="pizza3">{{cite journal|author1=Ortiz-Rivera, I. |author2=Courtney, T. |author3=Sen, A. |title= एंजाइम माइक्रोपम्प-आधारित अवरोधक परख|journal= Advanced Functional Materials |year=2016|volume=26 |issue=13 |pages=2135–2142|doi=10.1002/adfm.201504619|doi-access=free }}</ref><ref name=":0">{{Cite journal|last1=Das|first1=S.|last2=Shklyaev|first2=O. E.|last3=Altemose|first3=A.|last4=Shum|first4=H.|last5=Ortiz-Rivera|first5=I.|last6=Valdez|first6=L.|last7=Mallouk|first7=T. E.|last8=Balazs|first8=A. C.|last9=Sen|first9=A.|date=2017-02-17|title=माइक्रोचैम्बर्स में माइक्रोपार्टिकल्स के दिशात्मक वितरण के लिए उत्प्रेरक पंपों का दोहन|journal=Nature Communications|language=en|volume=8|pages=14384|doi=10.1038/ncomms14384|issn=2041-1723|pmc=5321755|pmid=28211454|bibcode=2017NatCo...814384D}}</ref><ref name="lu">{{cite journal|author1=Valdez, L. |author2=Shum, H. |author3=Ortiz-Rivera, I. |author4=Balazs, A. C. |author5=Sen, A. |s2cid=22257211 |title= स्व-संचालित फॉस्फेट माइक्रोपंप में विलेय और थर्मल उछाल प्रभाव|journal=Soft Matter|year=2017|volume=13 |issue=15 |pages=2800–2807|doi=10.1039/C7SM00022G|pmid=28345091 |bibcode=2017SMat...13.2800V }}</ref><ref>{{Cite journal|last1=Maiti|first1=Subhabrata|last2=Shklyaev|first2=Oleg E.|last3=Balazs|first3=Anna C.|last4=Sen|first4=Ayusman|date=2019-03-12|title=एक बहुएंजाइमेटिक पंप प्रणाली में द्रवों का स्व-संगठन|journal=Langmuir|volume=35|issue=10|pages=3724–3732|doi=10.1021/acs.langmuir.8b03607|pmid=30721619|issn=0743-7463}}</ref> कार्बनिक फोटोकैटलिस्ट पंप,<ref>{{cite journal|author1=Yadav, V. |author2=Zhang, H. |author3=Pavlick, R. |author4=Sen, A. |title= ट्रिगर "चालू/बंद" माइक्रोपंप और कोलाइडल फोटोडायोड|journal= Journal of the American Chemical Society |year=2012|volume= 134 |issue=38|pages= 15688–15691|pmid= 22971044|doi= 10.1021/ja307270d|url=https://figshare.com/articles/Triggered_On_Off_Micropumps_and_Colloidal_Photodiode/2483404 }}</ref> और धातु उत्प्रेरक पंप<ref name=":0" /><ref>{{cite journal|author1=Solovev, A. A. |author2=Sanchez, S. |author3=Mei, Y. |author4=Schmidt, O. G. |s2cid=21754449 |title= हाइड्रोजन पेरोक्साइड की कम सांद्रता पर काम करने वाले ट्यूनेबल कैटेलिटिक ट्यूबलर माइक्रो-पंप|pmid=21505711|journal= Physical Chemistry Chemical Physics |year=2011|volume=13 |issue=21|pages=10131–10135|doi= 10.1039/c1cp20542k|bibcode=2011PCCP...1310131S }}</ref> 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 प्�