CN102861526A - 一种微流控芯片的柔性磁动微混合方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微流控芯片的柔性磁动微混合方法与装置，混合室腔体内的前后壁镶嵌有柔性磁动搅拌子，微混合器壁体下方是封闭微通道和微混合室腔体的封接盖片，封接盖片下方固定连接有四个梯形推拔式电磁场发生器，当微流体流入混合室腔体中时，位于对角的第一、第四梯形推拔式电磁场发生器同时工作，第二、第三梯形推拔式电磁场发生器不工作，使得微流体相向运动引起对流；当两个柔性磁动搅拌子分别运动到各自的极限位置时，关闭第一、第四梯形推拔式磁场发生器，打开第二、第三梯形推拔式磁场发生器，两个柔性磁动搅拌子发生恢复形变运动，再次促进混合，能在不损伤样品的条件下实现高效混合。

Description

一种微流控芯片的柔性磁动微混合方法与装置

技术领域

本发明涉及微流控芯片中的混合技术，具体是微流控芯片的柔性磁动微混合方法与装置。

背景技术

混合是任何化学和生化反应最基本的，也是必需的操作。在宏观体系中，混合通常靠对流来完成。在微流控芯片中，系统的结构尺寸通常小于数百微米，流体在微米尺度下雷诺系数非常小（Re≈0.1～100），不能发生湍流混合，流体完全呈层流状态流动，混合只能靠扩散进行。因此，当微流体的液层厚度大于典型扩散长度时，有效、快速地混合很难靠扩散来实现，特别是流速快或含有低扩散系数可溶性物质的流体，扩散混合是一个相当慢的过程，需要足够的时间和接界面积才能达到完全混合。对于发生化学反应的微流控分析系统来说，若混合不完全则反应也不可能完成，此时混合时间及混合效率成为整个系统分析时间及效果的瓶颈。因此，微尺度下如何进行流体的快速混合一直是微流控系统存在的关键问题。

目前，根据不同形式、不同原理的微流体混合器，大致可分为主动式混合器和被动式混合器两种。被动式混合器结构简单，但需要较长的混合通道，且混合过程不可控；主动式混合器结构复杂，较短的通道便可达到好的混合效果，且混合过程可控。2004年，Kee，等设计了一种以外部旋转磁场驱动微磁力搅拌棒进行混合的微混合器，该混合器通过微型搅拌棒的搅拌形成涡流，从而大大提高了混合效率。但该种搅拌器为一种刚性搅拌器，对于生物医药实验中的微生物样品，该类型的搅拌器往往会造成生物组织破损，从而影响实验的进行。此外、该种混合器结构较为复杂，微米级搅拌棒中间需要做成空心，并穿过固定轴，这使得在微米级下制作加工该结构极其困难。

发明内容

本发明的目的是针对现有微流控芯片的主动搅拌式微混合器存在刚性大、容易破坏生物样品的缺陷，提出一种柔性磁动微混合方法与装置，能够在不损伤样品的条件下实现高效混合，且结构简单加工方便。

为达到上述目的，本发明微流控芯片的柔性磁动微混合装置采用的技术方案是：微流控芯片具有微混合器壁体，微混合器壁体的整体结构由上基片和下基片封接而成，微混合器壁体中有微通道和混合室腔体，混合室腔体内的前后壁镶嵌有两片条形的柔性磁动搅拌子，微混合器壁体下方是封闭微通道和微混合室腔体的封接盖片，封接盖片下方固定连接有四个梯形推拔式电磁场发生器，第一、第三梯形推拔式磁场发生器分布在第二柔性磁动搅拌子的左右两侧，第二、第四梯形推拔式磁场发生器分布在第一柔性磁动搅拌子的左右两侧；上基片和下基片上均分别设有两个微矩形凹槽，两个柔性磁动搅拌子一端的下半部分分别配合设置于下基片上的两个微矩形凹槽中，两个柔性磁动搅拌子一端的上半部分与上基片上的两个微矩形凹槽对齐，且上半部分均露出下基片外。

为达到上述目的，本发明微流控芯片的柔性磁动微混合方法采用的技术方案是：当有微流体通过微通道流入混合室腔体中时，位于对角的第一、第四梯形推拔式电磁场发生器同时工作，第二、第三梯形推拔式电磁场发生器不工作，第一柔性磁动搅拌子受到第四梯形推拔式磁场发生器的吸引发生形变运动的方向与第二柔性磁动搅拌子受到第一梯形推拔式磁场发生器的吸引发生形变运动的方向相反，使得微流体相向运动引起对流；当两个柔性磁动搅拌子分别运动到各自的极限位置时，关闭第一、第四梯形推拔式磁场发生器，打开第二、第三梯形推拔式磁场发生器，两个柔性磁动搅拌子发生恢复形变运动，微流体发生对流，再次促进混合；如此往复加剧混合。

本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点：

1、本发明所述一种微流控芯片的柔性磁动微混合方法，该方法能够对流体实现柔性搅拌，解决了刚性微混合器容易损坏微生物样品的缺陷。

2、本发明所述微流控芯片的柔性磁动微混合装置，其混合主体结构简单，解决传统磁力搅拌式微混合器加工复杂度高的缺点。

3、本发明所述微流控芯片的柔性磁动微混合装置相比传统磁力搅拌式微混合器，其混合促进结构简单，避免长期使用所带来的结垢问题。

4、本发明所述微流控芯片的柔性磁动微混合装置，该装置结构仅采用两组磁场发生器就可以实现对流体混合过程的控制，控制过程简单。

5、本发明所述微流控芯片的柔性磁动微混合装置，该装置采用一种梯形推拔式结构作为电磁场发生器，该发生器能够将磁力集中于微混合室附近，解决了传统磁场发生器因磁力分散而难以有效运用到微混合控制的问题。

6、本发明微流控芯片的柔性磁动微混合装置，该结构可以以微混合器为功能作为微流控芯片的一部分，也可以作为一个单独的微混合装置与其他需要进行微混合的结构相连接，移植使用简单。

7、本发明所述的微流控芯片的柔性磁动微混合装置，根据待混合液体的实际情况，通过编程实现搅拌方式以及搅拌时间的控制，自动化程度高，可操控性好。

附图说明

图1是本发明一种微流控芯片的柔性磁动微混合装置的整体结构示意图；

图2是图1中微混合室腔体10处的1局部放大图；

图3是本发明微混合器壁体1的上基片14的俯视图；

图4是本发明微混合器壁体1的下基片13的俯视图； 

图5是图1中梯形推拔式电磁场发生器5的结构示意图；

图6是图2中柔性磁动搅拌子4的结构示意图；

图7是柔性磁动搅拌子4与上基片14、下基片13的连接方式示意图；

图8是图1所述的柔性磁动微混合装置的微混合方法实施原理示意图。

附图中各部件的序号和名称：1.微混合器壁体；2.微通道；3、4.柔性磁动搅拌子，5-8.梯形推拔式电磁场发生器；9.封接盖片；10.微混合室腔体；11.梯形体铁心；12.线圈；13.下基片；14.上基片；15-18.微矩形凹槽。

具体实施方式

图1为本发明一种微流控芯片的柔性磁动微混合装置的整体结构示意图，微流控芯片具有微混合器壁体1，该微混合器壁体1为二甲基硅氧烷（PDMS）通过模塑法制作。微混合器壁体1中有微通道2和混合室腔体10，微通道2用于样品的传送，将待检测样品传送至微混合室腔体10内。微通道2的高度为200μm，宽度也为200nm。微混合室腔体10的高度为200μm，宽度为400μm，长度也为400μm。混合室腔体10内的前后壁镶嵌有两片条形的柔性磁动搅拌子3和4。柔性磁动搅拌子3、4受磁力吸引能够发生弹性形变从而对微混合室腔体10内的流体进行搅拌。将微混合器壁体1下方与玻璃的微混合室封接盖片9封接来保证微通道2和微混合室腔体10的封闭性。在封接盖片9下方固定连接有四个梯形推拔式电磁场发生器5、6、7、8，梯形推拔式磁场发生器5、7分布在柔性磁动搅拌子4的左右两侧，用于控制柔性磁动搅拌子4的形变方向。梯形推拔式磁场发生器6、8分布在柔性磁动搅拌子3的左右两侧，用于控制柔性磁动搅拌子3的形变方向。

参见图1-3，图3为微混合器壁体1的微混合器上基片14的俯视图。微混合器壁体1的整体结构由上基片14和下基片13封接而成。上基片14的底部制作的微通道2高度为100μm、宽度为200μm，微混合室腔体10的高度100μm、宽度为400μm。上基片14中的微矩形凹槽15、16用来安放柔性磁动搅拌子。微矩形凹槽的槽宽为20μm，槽深为70μm。

参见图1-2及图4，图4为本发明一种微流控芯片的柔性磁动微混合装置的下基片13的俯视图。下基片13的底部制作的微通道2高度为100μm、宽度为200μm，微混合室腔体10的高度100μm、宽度为400μm。下基片13中的微矩形凹槽17、18用来安放柔性磁动搅拌子。微矩形凹槽17、18的槽宽为20μm，槽深为70μm。下基片13与封接盖片9封接。封接盖片9的下方贴放梯形推拔式磁场发生器5-8，梯形推拔式电磁场发生器5-8为条形的电磁铁。梯形推拔式磁场发生器5、7分布在柔性磁动搅拌子4的两侧，梯形推拔式磁场发生器6、8分布在柔性磁动搅拌子3的两侧。下基片13的微矩形凹槽17、18的位置结构与上基片14中的微矩形凹槽15、16完全相同。

参见图1-2及图5，图5为梯形推拔式电磁场发生器5的结构示意图。梯形推拔式电磁场发生器5由梯形体铁心11和绕于梯形体铁心11上的线圈12组成，采用一种梯形体铁心11，该梯形体铁心11在距离微混合室腔体10较远处是长、宽均为1.5cm的矩形体，矩形体朝着混合室腔体10方向收缩，到混合室腔体10处时则收缩成略大于混合室腔体10尺寸与混合室腔体10尺寸相当的矩形体。线圈12紧绕于梯形体铁心11上，线圈12为0.016mm的超微细漆包线紧密缠绕。该结构磁场发生器能将磁场集中于混合室腔体10附近，为其创造较大且密集的磁场，以便于对微混合过程的控制。梯形推拔式电磁场发生器6、7、8的结构均与梯形推拔式电磁场发生器5相同。

参见图1-2及图6，图6为柔性磁动搅拌子4的结构图。柔性磁动搅拌子4为扁平矩形体结构的细铁丝（其他铁磁材料亦可），搅拌子厚度为20μm，高度为140μm。柔性磁动搅拌子4受梯形推拔式电磁场发生器5、7吸引后可以发生弯曲形变，进而实现对微混合室腔体10内的液体进行搅拌。柔性磁动搅拌子3的结构与柔性磁动搅拌子4相同。

参见图1、图6及图7，图7为柔性磁动搅拌子4与上基片14、下基片13的连接方式示意图。柔性磁动搅拌子4一端的下半部分配合安装于下基片13的微矩形凹槽18中（柔性磁动搅拌子3则安装在微矩形凹槽17中），柔性磁动搅拌子4一端的上半部分则与上基片14的微矩形凹槽16对齐后将上基片14与下基片13压紧塑封（柔性磁动搅拌子3则与上基片14的微矩形凹槽15对齐）。这样保证柔性磁动搅拌子4一端固定于壁体中，而另一端则可在混合室腔体10内自由摆动（柔性磁动搅拌子3同样）。柔性磁动搅拌子4露出下基片13的长度为200μm。封接盖片9与下基片13封接，封接盖片9下方固定两只梯形推拔式电磁场发生器5、7，其位置位于混合室两侧前半区，与柔性磁动搅拌子4位于同一直线上，便于对柔性磁动搅拌子4的磁动控制。

参见图8，图8为本发明所述柔性磁动微混合方法实施示意图。当有微流体通过微通道2流入混合室腔体10中时，位于对角的两个梯形推拔式电磁场发生器8与梯形推拔式电磁场发生器5同时工作，而另两个梯形推拔式电磁场发生器6、7不工作，此时，柔性磁动搅拌子3由于受到梯形推拔式磁场发生器8的吸引而发生形变运动，形变运动方向如图中箭头所示。而柔性搅拌子4由于受到梯形推拔式磁场发生器5的吸引而发生形变运动，形变运动方向如图中箭头所示。由于柔性磁动搅拌子3和柔性磁动搅拌子4向相反的方向形变运动，这使得微流体相向运动而引起对流，对流使得混合过程得到了加深。当柔性磁动搅拌子3和柔性磁动搅拌子4分别运动到各自的极限位置时，关闭梯形推拔式磁场发生器8、5，同时打开梯形推拔式磁场发生器6、7，此时，由于柔性磁动搅拌子3和柔性磁动搅拌子4分别受到梯形推拔式磁场发生器6和7的吸引，从而向另一方向发生恢复形变，形变过程使得微流体由于柔性磁动搅拌子3和柔性磁动搅拌子4的相向运动而在此发生对流，再次促进混合过程。如此往复工作使得混合过程得到加剧。

Claims (5)

1.一种微流控芯片的柔性磁动微混合装置，微流控芯片具有微混合器壁体（1），微混合器壁体（1）的整体结构由上基片（14）和下基片（13）封接而成，微混合器壁体（1）中有微通道（2）和混合室腔体（10），其特征是：混合室腔体（10）内的前后壁镶嵌有两片条形的柔性磁动搅拌子（3、4），微混合器壁体（1）下方是封闭微通道（2）和微混合室腔体（10）的封接盖片（9），封接盖片（9）下方固定连接有四个梯形推拔式电磁场发生器（5、6、7、8），第一、第三梯形推拔式磁场发生器（5、7）分布在第二柔性磁动搅拌子（4）的左右两侧，第二、第四梯形推拔式磁场发生器（6、8）分布在第一柔性磁动搅拌子（3）的左右两侧；上基片（14）和下基片（13）上均分别设有两个微矩形凹槽，两个柔性磁动搅拌子（3、4）一端的下半部分分别配合设置于下基片（13）上的两个微矩形凹槽中，两个柔性磁动搅拌子（3、4）一端的上半部分与上基片（14）上的两个微矩形凹槽对齐，且上半部分均露出下基片（13）外。

2.根据权利要求1所述的一种微流控芯片的柔性磁动微混合装置，其特征是：梯形推拔式电磁场发生器（5）由梯形体铁心（11）和绕于梯形体铁心（11）上的线圈（12）组成；梯形体铁心（11）在距离微混合室腔体（10）较远处是长、宽均为1.5cm的矩形体，梯形体铁心（11）朝着混合室腔体（10）方向呈收缩状，且至混合室腔体（10）位置处是与混合室腔体（10）尺寸相当的矩形体。

3.根据权利要求1所述的一种微流控芯片的柔性磁动微混合装置，其特征是：微混合室腔体（10）的高度为100μm、宽度为400μm，上基片（14）的底部的微通道（2）高度为100μm、宽度为200μm，下基片（13）的底部的微通道（2）高度为100μm、宽度为200μm，上基片（14）上的两个微矩形凹槽的槽宽为20μm，槽深为70μm，下基片（13）上的两个微矩形凹槽的槽宽为20μm，槽深为70μm；两个柔性磁动搅拌子（3、4）一端的上半部分露出下基片（13）的长度均为200μm。

4.根据权利要求1所述的一种微流控芯片的柔性磁动微混合装置，其特征是：柔性磁动搅拌子（4）是扁平矩形体结构，厚度为20μm，高度为140μm。

5.一种如权利要求1所述一种微流控芯片的柔性磁动微混合装置的微混合方法，其其特征是：当有微流体通过微通道（2）流入混合室腔体（10）中时，位于对角的第一、第四梯形推拔式电磁场发生器（5、8）同时工作，第二、第三梯形推拔式电磁场发生器（6、7）不工作，第一柔性磁动搅拌子（3）受到第四梯形推拔式磁场发生器（8）的吸引发生形变运动的方向与第二柔性磁动搅拌子（4）受到第一梯形推拔式磁场发生器（5）的吸引发生形变运动的方向相反，使得微流体相向运动引起对流；当两个柔性磁动搅拌子（3、4）分别运动到各自的极限位置时，关闭第一、第四梯形推拔式磁场发生器（5、8），打开第二、第三梯形推拔式磁场发生器（6、7），两个柔性磁动搅拌子（3、4）发生恢复形变运动，微流体发生对流，再次促进混合；如此往复加剧混合。

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