CN102872735A - 一种混合器及使用该混合器的微流体芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合器，包括第一入口(1)、第二入口(2)、出口(3)、管道(8)和三通(9)，三通(9)连接第一入口(1)、第二入口(2)和管道(8)，出口(3)位于管道(8)的另一端，还包括驱动部件(4)、混合部件(5)；驱动部件(4)和混合部件(5)安装在管道(8)内。本发明还涉及采用了按照本发明的混合器的微流体芯片。

Description

一种混合器及使用该混合器的微流体芯片

技术领域

本发明涉及一种微混合器，特别是一种U形微混合器。本发明还涉及一种微流体芯片，其使用该微混合器。

背景技术

随着微流体技术的出现，如何实现微米量级流体的良好混合这一重要问题受到广泛关注，但是，在微米量级管道中，由于尺寸的原因，压力驱动流和惯性不稳定性都受到了微流体粘性的限制。一般而言，样本混合的方法可以分为两类：扩散和对流。尽管较长的混合长度并不意味着有效的混合，但是针对增强样品混合效果这一目的，增加混合长度依旧是被广泛采用的方法之一，而且，弯曲部分的采用也频繁出现在微小管道的设计中。因此，研究弯曲微小管道中的样品混合很重要，实际上，针对压力驱动微管道中的流体混合已经开展了很多的工作，并且研究表明，越高的雷诺数标志着越为有效的样本混合效果。CN101716473公开了一种芯片内微混合器，其使用独特的凹槽设计来增强混合效果。

近年来，Ajdari研究了不均匀壁面电势周围的电渗流现象，并在施加与微管道壁面电势相反电势的壁面周围发现了涡旋区域。Fu发现壁面电势的突变会导致速度剖面轮廓以及压力分布的显著变化。这一现象同样被Stoock和Erickson在试验中发现，并且他们对这些涡旋区域进行了研究，并将其作为增强T形微流体设备中混合效果的一种方法。Oddy通过正弦规律变化的电场对流体进行混合，而Hao Lin则采用了存在电导率梯度的电动微流体流的不稳定性来促进样本混合。通过上述一些研究人员的研究成果，我们可以看到，流场的不稳定性以及高雷诺数流体中电渗流作用诱导出的涡旋可以在某种程度上应用到样本混合中，但是，对于微管道而言，样本混合和传输能力之间有一个权衡折中。

然而，电渗流本身具有一些缺点，比如说，i)为了获得必要的电场强度，我们必须对整个系统施加很强的外加电场，这样会产生焦耳热并且对原有电场以及微管道中的流场仅具有很少的直接控制效果(Bazant&Squires 2010)；ii)能够减弱Faradaic反应和焦耳热效应的交流电场，会产生出零时间平均流量。幸运的是，最近由Ramost et al.和Ajdari发现，这些缺点不会出现在诱导电渗流(ICEOF)中。与电渗流不同，ICEOF是由于外加电场与静止可极化表面周围诱导出的扩散电荷之间的相互作用所产生的。最初的原始方案中，包括一个放置在电解质溶液中的可被理想极化并且离子无法渗入的圆柱体。当对该溶液施加外加电场时，法拉第电流会另圆柱体的表面带电，并因此产生一个极化德拜层。于此同时，颗粒本身自己也被极化。电场对颗粒自身诱导出的德拜层施加洛伦兹力，并因此产生出速度场(Squires&Bazant 2004)。

和EOF相比，由于诱导电渗流速度与外加电场之间的非线性对应关系，ICEOF可能会具有更高的速度。这些特有的性质很有可能会引领出微米量级流体和纳米量级流体中的新应用。近期的研究包括，将ICEOF应用到混合和流体控制中(Wu&Li 2008a,b)以及存进搅拌和混和的对流效应(Zhao&Bau 2007a,b)，颗粒—壁面之间的相互作用(Wu&Li 2009)以及颗粒—颗粒相互作用(Saintillan 2008;Wu et al.2009)，非球状颗粒(Yariv 2005a,b;Squires&Bazant 2006;Saintillan et al.2006a;Yossifon et al.2007;Yariv 2008)以及悬架动力学(Saintillan et al.2006a,b;Rose et al.2007)。

总的来说，ICEOF可以被采用到微流体设备中的泵以及混合器的设计中，然而在驱动和混合效率之间存在一个折中。

发明内容

本发明的目的是应用ICEOF在微流体驱动和混合方面的效应，给出U形封闭微管道高效混合器的设计方案，实现流体驱动和混合效率的良好折中。

为实现上述目的，本发明是通过如下技术方案来实现的：在U形微管道中分别嵌入导电的圆柱体和双面不同性质的圆柱体，向微管道施加直流电场，两圆柱体分别发挥混合器和泵的作用。即，将泵和混合器两个单元分别进行设计，并将它们在U形微管道中结合成一个整体，进而得到具有由于ICEOF诱导出的高流量的高效率混合器。

与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)实现了有效混合和高流量的良好折中，Mix-eff在各电场强度下保接近于1；(2)将混合和泵进行了分别设计，无需将混合效率和流量大小进行取舍对立，真正实现高效；(3)ICEOF的应用，使得混合距离显著减小，实现真正意义上的微混合。

一种混合器，包括第一入口、第二入口、出口、管道和三通，三通连接第一入口、第二入口和管道，出口位于管道的另一端，其特征在于：还包括驱动部件、混合部件；驱动部件和混合部件安装在管道内。

优选的是，第一入口、第二入口和出口设置有电极。

在上述任一方案中优选的是，第一入口和第二入口的电极为同一极，出口为另外一极。

在上述任一方案中优选的是，驱动部件由金属部分和非金属部分组合而成。

在上述任一方案中优选的是，金属部分比非金属部分更靠近三通。

在上述任一方案中优选的是，驱动部件由非金属制成，其靠近三通的部分表面镀有金属镀层，远离三通的部分表面没有金属镀层。

在上述任一方案中优选的是，驱动部件为圆柱形。

在上述任一方案中优选的是，混合部件由金属制成。

在上述任一方案中优选的是，混合部件为非金属制成，表面镀有金属镀层。

在上述任一方案中优选的是，混合部件为圆柱形。

在上述任一方案中优选的是，混合部件与驱动部件平行的布置在管道内。

在上述任一方案中优选的是，驱动部件比混合部件更靠近三通。

在上述任一方案中优选的是，混合部件比驱动部件更靠近三通。

在上述任一方案中优选的是，驱动部件和混合部件布置在管道中，靠近三通且远离出口的一侧。

在上述任一方案中优选的是，管道由非金属制成。

在上述任一方案中优选的是，管道呈U形。

在上述任一方案中优选的是，管道的U形弯折部分位于驱动部件和混合部件的下游。

一种芯片，包括上述任一种混合器。

优选的是，该芯片由聚二甲基硅氧烷制成。

附图说明

为了使本发明便于理解，现在结合附图描述本发明的具体实施例。

图1为按照本发明的第一实施例的U形微混合器的结构示意图；

图2为按照本发明的第一实施例的U形微混合器的数值模拟采用的网格示意图；

图3为按照本发明的第一实施例的U形微混合器内施加403KV/m的电场时，U形微混合器微管道内的流线图；

图4为按照本发明的第一实施例的U形微混合器内施加403KV/m的电场时，U形微混合器微管道中的浓度场示意图；

图5为按照本发明的第一实施例的U形微混合器内施加不同强度的电场时，微小管道出口处混合效率(Mix-eff)的曲线图；

图6按照本发明的第一实施例的U形微混合器内施加403KV/m的电场时，场强矢量图以及场强大小等值线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

如图1所示，微混合器包括第一入口1、第二入口2、出口3、驱动部件4、混合部件5、管道8和三通9。第一入口1和第二入口2通过三通9和管道8连接在一起，三通9和出口3分别位于管道8的两端。驱动部件4和混合部件5依次安装在管道8内。在一种优选的方案中，驱动部件4在管道8中的位置比混合部件5在管道8中的位置更靠近三通9；在另一种优选的方案中，混合部件5在管道8中的位置比驱动部件4在管道8中的位置更靠近三通9。驱动部件4和混合部件5优选为布置在管道8中靠近三通9的部分，与出口3之间具有相对较远的距离。管道8由非金属制成，可以为任意形状，优选为U形。且U形的弯折部分位于驱动部件4和混合部件5的下游，相对更靠近出口3。驱动部件4布置在管道8内，驱动部件可以为任意形状，优选为圆柱形。驱动部件4由金属部分6和非金属部分7组合而成，金属部分6比非金属部分7更靠近三通9。在另一优选方案中，驱动部件4由非金属制成，靠近三通9的部分6，表面上镀有金属镀层，驱动部件4远离三通9的部分7，没有金属镀层。混合部件5由金属制成。在另一优选方案中，混合部件5由非金属制成，表面镀有金属镀层。混合部件5固定在管道8内，优选为圆柱形，与驱动部件4平行的布置在管道8内。要混合的样品从第一入口1和第二入口2流入后，顺序经过三通9、驱动部件4和混合部件5，最后从出口3流出。

在第一入口1、第二入口2和出口3设置电极，以第一入口1和第二入口2为一极，以出口3为另外一级，建立电压，则会形成如图6所示的场强分布图。在电场的驱动下，混合器内的样品按图3所示的流线图流动。从第一入口1和第二入口2流入的不同类型的样品，在管道8内混合，浓度变化如图4所示。

图1中，W1为第一入口1和第二入口2之间的距离，W2为圆柱形障碍物中心到侧壁面的距离，W3为微管道的宽度，L1为双面不同性质的圆柱体中心到样本交界面的距离，L2为两圆柱形障碍物之间的距离，L3为U形管道中直管道部分的长度，R为U形管道弯曲部分的半径，D1为导电圆柱形障碍物5的直径，D2为双面不同性质的圆柱形4障碍物的直径。

(1)数学模型

假定流体是稳态不可压缩流体，并且流体是靠ICEOF驱动的，流体的动量方程如下所示：

其中V为是速度矢量，p为压力，ρ和μ分别为溶液的密度和粘性系数。ρ_e为净电荷密度。ρ_e和双电荷层电势之间的关系如方程(2)所示：

其中，ε为电解质溶液的介电常数，ε₀为真空介电常数。z为离子的化合价，e是基本电荷，n_∞为溶液中离子的数目，T为溶液的绝对温度，k_b为Boltzmann常数。

(2)边界条件

对流体流动而言，在微管道的入口和出口之间存在着一个恒定值压强(大气压强)，壁面不存在滑移边界条件；对于外加电势，我们会给定入口和出口之间的电势值，并且此时壁面的通量值为0。对于EDL电势而言，入口和出口处的通量值为0。然而，我们将对壁面的壁面电势进行详细的讨论：

标准的电动流动中包含了外加电场和不导电表面周围的具有固定电荷的双电荷层之间的相互作用。进而产生的电渗流流动速度值与外加电场强度线性相关。然而，当固体壁面具备可极化和导电性质的时候，二者之间的相互关系会很不同。这种情况下对应诱导出的稳态的壁面电势ζ_i和局部电场强度E成对应关系，并且随着导电表面的位置不同而不同。在早期的研究中，曾经提出一种简单的修正方法，用来实现对导电表面由于局部外加电场电势

而产生的壁面电势的数值模拟。诱导出的壁面电势分布ζ_i如方程(3)所示：

ζ_i=-φ_e+φ_c    (3)

其中

${\mathrm{\φ}}_c=\frac{{\∫}_S{\mathrm{\φ}}_e\mathrm{dA}}{A}---\left(4\right)$

是一个常值修订电势。显然，这里诱导壁面电势ζ_i不再是一个常数，而是会随着外加电场局部值的不同而变化。

我们在方程求解过程中采用了控制体积法，特定的离散方法被采用以获得二阶精度。首先求解方程(2)以分别获得微管道中表面电势和外加电场的分布情况，然后，求解方程(1)获得电动流流场的情况。此外，数值模拟中，我们需要检定网格无关性以保证计算结果的统计独立性。如图2所示的网格数目表明，在此基础上进行的进一步网格优化造成的速度剖面图差异小于1%。

(3)结果分析

针对多种样本在弯曲管道中混合已经进行过数值模拟。本文数值模拟假定弯曲的U形微管道是由硅石玻璃制造而成。此外，我们假定水为工作流体，并且其物理参数给定为ε=80,ε₀=8.85e-12CV^-1m^-1,μ=1.003e-3kgm^-1s^-1,ρ=998.2kg/m³。最后，给定样本混合的扩散系数为D＝1.0e-10m²s^-1。接下来罗列出的数值模拟结果均经过了仔细的研究，进而保证我们获得的是具备网格无关性的数值模拟结果。

在本研究中，对微管道施加外加电势，其中φ_in＝10V，而φ_out是变化的。本研究中，微管道壁面的壁面电势为0，而导电表面的壁面电势则可通过方程(3)计算获得。为了更好的描述模拟结果，我们定义无量纲参数Mix_eff=1.0-(∫_L|C-C_ideal|dl)/L来描述微管道出口的混合效率，这里C_ideal大约为0.5。

利用上述的原理，以及参数的设定，我们进行了数值模拟，E=403KV/m时，高效U形混合器的流场模拟流线图如图3所示，可以看到在导电圆柱体周围形成了四个涡旋区域，发挥混合的效果，而在双面不同性质的圆柱体周围则形成对称的两个涡旋区域，同时发挥了混合和泵的作用。E=403KV/m时，高效混合器中的浓度场情况如图4所示，可以看到出口处的浓度已经接近于C_ideal，达到了很好的混合效果。此外，在本次研究中，我们通过改变出口处电势的方法，获得不同的电场强度，对其分别进行了模拟，并对混合效果进行对比，不同电场强度下混合效果Mix-eff的对比曲线如图5所示，6个取样点的横坐标为电场强度，数值分别为：135KV/m、202KV/m、269KV/m、337KV/m、364KV/m、403KV/m，可见，无论场强大小，本研究所提出的U形微混合器均可获得很好的混合效果。

实施例二：

一种微流体芯片，由聚二甲基硅氧烷制成，包括混合器，优选为实施例一所述的微混合器。

以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。

感谢国家自然科学基金项目（10902105/11132008），浙江省“钱江人才计划B类”项目（2010R10014），教育部留学回国人员科研启动基金资助。

Claims (10)

1.一种混合器，包括第一入口(1)、第二入口(2)、出口(3)、管道(8)和三通(9)，三通(9)连接第一入口(1)、第二入口(2)和管道(8)，出口(3)位于管道(8)的另一端，其特征在于：还包括驱动部件(4)、混合部件(5)；驱动部件(4)和混合部件(5)安装在管道(8)内。

2.如权利要求1所述的混合器，其特征在于：第一入口(1)、第二入口(2)和出口(3)设置有电极。

3.如权利要求2所述的混合器，其特征在于：第一入口(1)和第二入口(2)的电极为同一极，出口(3)为另外一极。

4.如权利要求1所述的混合器，其特征在于：驱动部件(4)由金属部分(6)和非金属部分(7)组合而成。

5.如权利要求4所述的混合器，其特征在于：金属部分(6)比非金属部分(7)更靠近三通(9)。

6.如权利要求1所述的混合器，其特征在于：驱动部件(4)由非金属制成，其靠近三通(9)的部分(6)表面镀有金属镀层，远离三通(9)的部分(7)表面没有金属镀层。

7.如权利要求1-6中任一项所述的混合器，其特征在于：驱动部件(4)为圆柱形。

8.如权利要求1所述的混合器，其特征在于：混合部件(5)由金属制成。

9.如权利要求1所述的混合器，其特征在于：混合部件(5)为非金属制成，表面镀有金属镀层。

10.一种微流体芯片，其包括权利要求1-9中任一种混合器。

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