CN102120153B - 一种多模式微混合器芯片及高通量混合和柔性混合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模式微混合器芯片包括n个样品入口、m个样品出口、上基板和下基板，所述上基板通过流道层和下基板固联为一体；所述上基板包括上基板基底材料层和设置在上基板基底材料层下表面的上基板导电薄膜；所述流道层包括曲线形流道和与曲线形流道一端相连接的混合腔，所述曲线形流道的另一端与n个样品入口相连接，所述混合腔的另一端与m个样品出口相连接；所述曲线形流道包括主曲线流道和设置在主曲线流道上的突扩结构。本发明能够在流速较高的情况下，实现样品的高通量混合，在流速较低的情况下，实现易损伤生物活性材料的低损伤柔性混合，且在一定程度上克服了目前微混合器结构复杂、灵活性及通用性差的缺点。

Description

一种多模式微混合器芯片及高通量混合和柔性混合方法

技术领域

本发明涉及的是一种微混合器芯片，具体涉及的是一种多模式微混合器芯片及高通量混合和柔性混合方法。

背景技术

微混合器是芯片实验室(Lab-on-a-Chip，LOC)中的一个重要组件，由于可实现样品的精确微量混合，而被广泛用于分析化学、生物学研究、合成化学、疾病诊断及环境监测等领域。基于微流控技术的微混合器由于制作工艺简单、成本低等优点得到了广泛关注，但由于微流控芯片的层流(一般应用中雷诺数小于100)限制，单纯通过两股层流样品接触面上的扩散效应来实现混合，效率极低且不能实现微纳米粒子的混合。如何在较低雷诺数情况下实现样品的快速高效混合一直是微混合器研究中的一个热点和难点。部分研究利用混沌流来增大扩散接触面积从而增强混合效果，但该类技术需要构筑复杂的三维微流道，加工繁琐且不易和其它LOC元件相集成。而大多数单层平面结构的微混合器都需借助精细的流道壁面结构(凸脊结构、柱形结构等)来增强混合效果。另有借助电、磁、声等外场来实现混合的技术，该类技术具有较高的能动性，能够根据实际需求控制所需的混合效果，但传统的物理电极或换能器不具有可重构性。此外，现有的绝大部分微混合器功能单一，无法满足多种混合需求。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种结合结构诱导产生的流体漩涡和动态虚拟电极的多模式微混合芯片及高通量混合和柔性混合方法，能够在流速较高的情况下，实现样品的高通量混合，在流速较低的情况下，实现易损伤生物活性材料的低损伤柔性混合，且在一定程度上克服了目前微混合器结构复杂、灵活性及通用性差的缺点。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的一种多模式微混合器芯片包括n个样品入口、m个样品出口、上基板和下基板，所述上基板通过流道层和下基板固联为一体；所述上基板包括上基板基底材料层和设置在上基板基底材料层下表面的上基板导电薄膜；所述流道层包括曲线形流道和与曲线形流道一端相连接的混合腔，所述曲线形流道的另一端与n个样品入口相连接，所述混合腔的另一端与m个样品出口相连接；所述曲线形流道包括主曲线流道和设置在主曲线流道上的突扩结构；所述下基板从上往下依次设有绝缘层、光电导层、下基板透明导电薄膜和下基板透明基底材料层，四者固联为一体；其中，n为正整数且不小于2，m为正整数且不小于1。

上述样品入口设有两个，所述样品出口设有一个。

上述混合腔的纵截面尺寸大于任意段曲线形流道的纵截面尺寸。因此在较高流速情况下也会在混合腔中产生平行于主流动方向的漩涡。

上述突扩结构的排布方式可为沿主曲线流道侧壁的阵列排布或沿主曲线流道侧壁的随机排布或置于曲线形流道中用于连接相邻的两主曲线流道。

上述主曲线流道的形状为对称及非对称的正弦线形或螺旋线形或半圆弧形。

上述突扩结构的形状为任意多边形。

本发明的多模式微混合器芯片的高通量混合方法，包括以下几个步骤：

(a)在上基板导电薄膜和下基板透明导电薄膜之间加交流电信号，在n个样品入口中分别插入一根入口微管，n种样品分别通过高速外驱动设备持续由入口微管注入对应的样品入口；

(b)n种样品在曲线形流道入口处汇合后形成高速样品流，注入曲线形流道，高速样品流在曲线形流道中进行初步混合，得到初步高速样品流；曲线形流道诱导产生的垂直于主流动方向的二次流和突扩结构诱导产生的平行于主流动方向的漩涡起增强混合的作用。

(c)初步高速样品流注入混合腔中，通过微反射器将动态缩微光图案投射到混合腔正下方位置的光电导层上，初步高速样品流在混合腔中进行最终的混合，得到最终高速样品流；通过数字式微反射器将“螺旋桨”形的动态缩微光图案投射到混合腔正下方位置的光电导层上，形成“螺旋桨”形动态虚拟电极，并在圆形混合腔中产生空间非匀强电场，可以起到辅助混合的作用，主曲线流道和突扩结构诱导产生的流体漩涡起增大各样品扩散接触面积的作用，并占主导地位。

(d)最终高速样品流由混合腔引向m个样品出口，在m个样品出口中分别插入一根出口微管，通过出口微管导出最终高速样品流至收集装置，完成整个混合过程。

其中，n为正整数且不小于2，m为正整数且不小于1。

上述高速外驱动设备为注射泵，使得各样品初速度大。

本发明的多模式微混合器芯片的柔性混合方法，包括以下几个步骤：

(a)在上基板导电薄膜和下基板透明导电薄膜之间加交流电信号，在n个样品入口中分别插入一根入口微管，n种样品分别通过低速外驱动设备批量由入口微管注入对应的样品入口；

(b)n种样品在曲线形流道入口处汇合后形成低速样品流，注入曲线形流道，低速样品流通过曲线形流道引入混合腔；在曲线形流道中低速样品流运动不产生漩涡，带缩扩结构的曲线形流道相当于普通流道，起把低速样品流引入混合腔的作用。

(c)通过微反射器将动态缩微光图案投射到混合腔正下方位置的光电导层上，低速样品流在混合腔中进行初始混合，得到最终低速样品流；通过数字式微反射器将“螺旋桨”形的动态缩微光图案投射到混合腔正下方位置的光电导层上，形成“螺旋桨”形动态虚拟电极，并在圆形混合腔中产生空间非匀强电场，可以起到增强混合的作用。

(d)最终低速样品流由混合腔引向m个样品出口，在m个样品出口中分别插入一根出口微管，在样品出口处加负压，通过出口微管导出最终低速样品流至收集装置，完成整个混合过程；由于各样品初速度低，可在样品出口处加负压，以便导出最终低速样品流。

其中，n为正整数且不小于2，m为正整数且不小于1。

上述低速外驱动设备为移液器，使得各样品初速度小。

本发明的有益效果：本发明提供的一种多模式微混合器芯片具有两种不同的混合方法，分别满足不同的混合需求。高通量混合方法借助结构诱导产生的流体漩涡并辅助以光虚拟电极产生的空间非均匀电场来实现样品的高效混合，能够用于微量合成反应及高通量便携式分析检测仪器中的样品预处理；柔性混合方法主要借助”螺旋桨”形动态虚拟电极产生的空间非均匀电场来推动样品，实现最小损伤的柔性批量混合，可被用于生物学研究中的易损伤活性样品混合，使得本发明在生物学研究、合成化学及高通量检测分析仪器等领域具有很可观的应用前景；同时，本发明提供的多模式微混合器芯片还具有流道结构简单、混合效果可控及电极可重构等优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的A-A截面图；

图3为图1中B的放大图；

图4为本发明的另一实施例。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1，本发明的一种多模式微混合器芯片包括上基板1、流道层2和下基板3，上基板1通过流道层2和下基板3固联为一体，形成三层汉堡结构。

在上基板1的左端设有第一上基板样品入口11及第二上基板样品入口(图中未标出)，在右端设有一个上基板样品出口12；上基板1包括上基板基底材料层14和位于其下表面的上基板导电薄膜13；为了方便观测，上基板基底材料层14一般选取玻璃、石英等透明材料，但也可选取非透明材料，上基板导电薄膜13可选择铟锡氧化物薄膜。

参见图2，流道层2的材料可选择光刻胶SU-8、聚二甲基硅氧烷等聚合物，通过软光刻或模塑法加工获得，并通过键合工艺实现与上基板1及下基板3的不可逆封装。

流道层2包括曲线形流道23和与曲线形流道23右端相连接圆形的混合腔24，其中，圆形的混合腔24的纵截面尺寸大于任意段曲线形流道23的纵截面尺寸；在流道层2中与第一上基板样品入口11相对应的位置设有大小相同的第一流道层样品入口21，两者组成第一样品入口；在流道层2中与第二上基板样品入口相对应的位置设有大小相同的第二流道层样品入口22，两者组成第二样品入口；在流道层2中与上基板样品出口12相对应的位置设有大小相同的流道层样品出口26，两者组成样品出口；样品入口和样品出口的数量可根据实际情况进行调整，以满足多种样品快速混合的需求。

曲线形流道23的左端与第一样品入口及第二样品入口相连接；圆形的混合腔24的右端与样品出口相连接。

曲线形流道23包括主曲线流道231和设置在主曲线流道231上的缩扩结构；主曲线流道231的形状可以为对称或非对称的正弦线形、螺旋线形、半圆弧形和变曲率任意曲线形；当曲率为零时，曲线形流道23可以为直线型缩扩阵列流道233(参见图4)；突扩结构232的形状可以为矩形、三角形、圆形及其它不规则多边形，突扩结构232的排布方式可为沿主曲线流道231侧壁的阵列排布或沿主曲线流道231侧壁的随机排布或置于曲线形流道23中用于连接相邻的两主曲线流道231。

参见图3，下基板3从上往下依次包括绝缘层31、光电导层32、下基板透明导电薄膜33和下基板透明基底材料层34，四者固联为一体；绝缘层31可以是碳化硅或氮化硅薄膜；光电导层32可以是非晶硅或者掺杂的硫化镉或者掺杂的硒化镉或者是硫化镉和硒化镉的组合；下基板透明导电薄膜33同样可选择铟锡氧化物薄膜；下基板透明基底材料层34一般选取玻璃、石英等透明材料。

微混合器芯片具有高通量混合和柔性混合两种模式，以适用不同的混合需求。

(1)高通量混合模式：对于微量合成反应及一次性检测分析中的预混合等应用来说，在保证混合效果的前提下，混合通量是决定该类微混合器效用的重要指标。一般合成反应的混合对象为试剂类液体样品，提高流速对其并无太大影响。而检测分析中预混合的对象一般为微纳米粒子悬浮液和化学试剂，如便携式流式细胞仪中荧光染料或细胞裂解液和待测生物粒子悬浮液的混合，这类检测一般为抛弃式，检测对象不再重复利用。因此对于生物活性材料的检测分析，检测完成后生物材料的活力要求不高，而预混合的效果和通量对于后续检测分析环节来说却至关重要。本发明中的高通量混合模式主要利用弯流道中垂直于主流动方向Dean流的双漩涡和缩扩结构诱导产生的平行于主流动方向的漩涡来起到增强混合的效果。样品的流速越高混合效果越好。当流速增加到一定程度之后，动态虚拟电极25产生的空间非均匀电场对混合效果的影响相对减小。

本发明的一种多模式微混合器芯片的高通量混合方法，包括以下几个步骤：

(a)在上基板导电薄膜13和下基板透明导电薄膜33之间加交流电信号，在第一样品入口及第二样品入口中分别插入第一入口微管及第二入口微管并通过环氧胶水进行定位，两种样品分别通过注射泵，持续由第一入口微管及第二入口微管注入第一样品入口及第二样品入口；

(b)两种样品在曲线形流道23入口处汇合形成高速样品流，注入带缩扩结构的曲线形流道23，在弯道Dean流和缩扩结构诱导的漩涡作用下对同向流动的高速样品流进行初步的混合，得到初步高速样品流；

(c)初步混合后的高速样品流被注入圆形的混合腔24中，由于圆形的混合腔24的纵截面尺寸大于任意段曲线形流道23的纵截面尺寸，因此也会在该圆形的混合腔24中产生平行于主流动方向的漩涡，通过数字式微反射器将“螺旋桨”形的动态缩微光图案投射到混合腔24正下方位置的光电导层32上，形成“螺旋桨”形动态虚拟电极25，并在圆形混合腔24中产生空间非匀强电场，可以起到增强混合的作用，光图案的光色、光强、“螺旋桨”的叶片数、旋转速率和方向可根据实际混合需求进行调整，但当流速较大时(仍为层流)，结构诱导的多漩涡在该类混合中起主导作用，动态虚拟电极25产生的空间非均匀电场起辅助作用。初步高速样品流在混合腔24中进行最终的混合，得到最终高速样品流；

(d)最终高速样品流由圆形的混合腔24引向样品出口，在样品出口中插入一根出口微管，通过出口微管导出最终高速样品流至收集装置，完成整个混合过程。为进一步增强混合效果可设计多单元串联结构，多次执行混合步骤(b)和步骤(c)。

(2)柔性混合模式：对于易损伤的生物活性材料来说，过高流速所产生的剪切力和剧烈碰撞会对其产生较大的损伤，造成混合后不能继续研究其特性。本发明所提供的微混合器可根据生物活性材料的特性实现最小损伤的柔性混合。

本发明的一种多模式微混合器芯片的柔性混合方法，包括以下几个步骤：

(a)在上基板导电薄膜13和下基板透明导电薄膜33之间加交流电信号，在第一样品入口及第二样品入口中分别插入第一入口微管及第二入口微管，两种样品分别通过移液器，批量由第一入口微管及第二入口微管注入第一样品入口及第二样品入口；

(b)两种样品在曲线形流道23入口处汇合形成低速样品流，注入曲线形通道，低速样品流通过带缩扩结构的曲线形流道23引入圆形的混合腔24，由于采用移液器作为低速外驱动设备，在曲线形流道23中低速样品流运动不产生漩涡，带缩扩结构的曲线形流道23相当于普通流道，起把低速样品流引入圆形混合腔24的作用。

(c)通过数字式微反射器将”螺旋桨”形的动态缩微光图案投射到混合腔24正下方位置的光电导层32上，形成”螺旋桨”形动态虚拟电极25，并在圆形混合腔24中产生空间非均匀电场，推动低速样品流进行柔性混合，光图案的光色、光强、“螺旋桨”的叶片数、旋转速率和方向可根据实际混合需求进行调整，低速样品流在混合腔24中进行初始的混合，得到最终低速样品流；

(d)最终低速样品流由混合腔24引向样品出口，在样品出口中插入一根出口微管，在样品出口处加负压，通过出口微管导出最终低速样品流至收集装置，完成整个混合过程。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种多模式微混合器芯片，其特征在于，包括n个样品入口、m个样品出口、上基板(1)和下基板(3)，所述上基板(1)通过流道层(2)和下基板(3)固联为一体；所述上基板(1)包括上基板基底材料层(14)和设置在上基板基底材料层(14)下表面的上基板导电薄膜(13)；所述流道层(2)包括曲线形流道(23)和与曲线形流道(23)一端相连接的混合腔(24)，所述曲线形流道(23)的另一端与n个样品入口相连接，所述混合腔(24)的另一端与m个样品出口相连接；所述曲线形流道(23)包括主曲线流道(231)和设置在主曲线流道(231)上的突扩结构(232)；所述下基板(3)从上往下依次设有绝缘层(31)、光电导层(32)、下基板透明导电薄膜(33)和下基板透明基底材料层(34)，且四者固联为一体；

其中，n为正整数且不小于2，m为正整数且不小于1。

2.根据权利要求1所述的多模式微混合器芯片，其特征在于，所述样品入口设有两个，所述样品出口设有一个。

3.根据权利要求1所述的多模式微混合器芯片，其特征在于，所述混合腔(24)的纵截面尺寸大于任意段曲线形流道(23)的纵截面尺寸。

4.根据权利要求1所述的多模式微混合器芯片，其特征在于，所述突扩结构(232)的排布方式可为沿主曲线流道(231)侧壁的阵列排布或沿主曲线流道(231)侧壁的随机排布或置于曲线形流道(23)中用于连接相邻的两主曲线流道(231)。

5.根据权利要求1所述的多模式微混合器芯片，其特征在于，所述主曲线流道(231)的形状为对称及非对称的正弦线形或螺旋线形或半圆弧形。

6.根据权利要求1所述的多模式微混合器芯片，其特征在于，所述突扩结构(232)的形状为任意多边形。

7.权利要求1至6任意一项所述的多模式微混合器芯片的高通量混合方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

(a)在上基板导电薄膜(13)和下基板透明导电薄膜(33)之间加交流电信号，在n个样品入口中分别插入一根入口微管，n种样品分别通过高速外驱动设备持续由入口微管注入对应的样品入口；

(b)n种样品在曲线形流道(23)入口处汇合后形成高速样品流，注入曲线形流道(23)，高速样品流在曲线形流道(23)中进行初步混合，得到初步高速样品流；

(c)初步高速样品流注入混合腔(24)中，通过微反射器将动态缩微光图案投射到混合腔(24)正下方位置的光电导层(32)上，初步高速样品流在混合腔(24)中进行最终的混合，得到最终高速样品流；

(d)最终高速样品流由混合腔(24)引向m个样品出口，在m个样品出口中分别插入一根出口微管，通过出口微管导出最终高速样品流至收集装置，完成整个混合过程；

其中，n为正整数且不小于2，m为正整数且不小于1。

8.根据权利要求7所述的多模式微混合器芯片的高通量混合方法，其特征在于，所述高速外驱动设备为注射泵。

9.权利要求1至6任意一项所述的多模式微混合器芯片的柔性混合方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

(a)在上基板导电薄膜(13)和下基板透明导电薄膜(33)之间加交流电信号，在n个样品入口中分别插入一根入口微管，n种样品分别通过低速外驱动设备批量由入口微管注入对应的样品入口；

(b)n种样品在曲线形流道(23)入口处汇合后形成低速样品流，注入曲线形流道(23)，低速样品流通过曲线形流道(23)引入混合腔(24)；

(c)通过微反射器将动态缩微光图案投射到混合腔(24)正下方位置的光电导层(32)上，低速样品流在混合腔(24)中进行初始混合，得到最终低速样品流；

(d)最终低速样品流由混合腔(24)引向m个样品出口，在m个样品出口中分别插入一根出口微管，在样品出口处加负压，通过出口微管导出最终低速样品流至收集装置，完成整个混合过程；

其中，n为正整数且不小于2，m为正整数且不小于1。

10.根据权利要求9所述的多模式微混合器芯片的柔性混合方法，其特征在于，所述低速外驱动设备为移液器。

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