CN104138728A - 一种桥式结构的分割重组被动式微混合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥式结构的分割重组被动式微混合器，属于微流控芯片技术领域。该微混合器主要包含位于入口和出口之间的数个混合单元43；混合单元43由下层平面内方波状通道44以及平面外桥式结构通道45构成，而每一个桥式结构通道45包含两个中间层通孔45a和上层倾斜通道45b。有益效果：流体到达各混合单元43的分割区域46时，由于中间层通孔45a和桥式通道45的存在，流体被分割成支流后在混合区域47重新混合，在此过程中同时产生垂直和水平界面，即构成了T形流体界面，大大增加了两种流体的接触面积；流体在弯曲的三维通道内流动，在每一个转角处均会产生二次流扰动，增强混沌对流效应，进一步增强混合效果。

Description

一种桥式结构的分割重组被动式微混合器

技术领域

本发明涉及了一种集成于微流控芯片中适用于微量液体混合的被动式微混合器（Micromixer），属于微流控芯片技术（Microfluidics）领域。 

背景技术

近十年来微流控芯片应用研究突飞猛进。微流控芯片又称芯片实验室，是在一块几平方厘米（甚至更小）的芯片上集成样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元，用以完成常规化学或生物实验室的各种功能的一种技术平台。微流控芯片的功能大都与生化反应相关，充分的混合是实现器件功能的重要先决条件。而微尺度流动的典型特征是（Reynolds number,Re）非常低，如果没有强烈的外加扰动，流动将保持层流状态，混合进程十分缓慢。 

在低雷诺数情况下下，可以通过引入扰动破坏掉层流状态，增加各流层之间的接触面积，从而获得较好的混合效果。根据产生扰动的原理不同，可分为主动式微混合器和被动式微混合器两类。其中主动式微混合器通过外加物理场，如声场、电场、磁场及介电电泳等来产生扰动加速混合，其混合效果较好，但是需要添加额外的辅助单元，加工工艺比较复杂，难以实现微型化并集成；被动式混合器不需要额外的辅助单元，仅仅通过通道自身几何结构的改变来实现流线的反复分隔、拉伸、扭曲和折叠来加速混合过程，其加工工艺简单，并且能够很方便地集成到微流控芯片上。 

被动式微混合器（以下简称微混合器）主要依赖于流体分子的扩散实现混合。参阅图1，当两种不同浓度的流体流入微通道后，由于低雷诺数决定了流动的层流特性，两种流体的流线始终保持平行流动状态，扩散仅发生在通道中央两种流体的交界面上，物质浓度在通道横截面上的分布可分为三个区域：区域Ⅱ位于通道中央，易于混合；区域Ⅰ和Ⅲ靠近两侧壁面，较难混合，且越靠近两侧壁面越难混合。 

分割与重组（splitting and recombination，SAR）是一种十分有效的混合增强方法，通过设计特殊的三维（3D）通道结构将通道内的流体进行分割、折叠并重新组合，使得不同浓度的流体薄层交替排列，从而大大增加两种流体间的接触面积并减小扩散距离，达到增强混合效果的目的。 

参阅图2，专利TW200940162A提出了一种SAR微混合器，为两层通道结构，每层设有两路宽度相等的分支通道。当两种不同流体（由黑色和白色区分）流经混合单元22，流体依次经过由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ等5个横截面所分割的四个区段，在这四个区段内流体的流动情况，通过图2中子图Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ所示的对应横截面上流体的分布状态来反映。该混合器通过截断下层的右侧分支通道并截断上层的左侧分支通道，迫使流体在截断处流入另一层中的分支通道，实现流体的重叠拉伸。经过两个混合单元后，横截面上的流体分布如图2中子图Ⅵ所示。对比子图Ⅰ、Ⅴ和Ⅵ可以看出，每经过一个混合单元，流体的接触面积得到极大的提升。经过多个混合单元反复地对流体进行分割与重组，达到增加流体的接触面积以增强混合的目的。 

参阅图3，文献[1]（H.Chen et al.,Appl.Phys.Lett.,2004,84(12),2193-2195）提出了一种扭转拓扑结构的SAR微混合器。该设计通过两路宽度相等但扭转方向相反的分支通道，将流体进行分割、旋转并重组，实现流体的重叠拉伸；在一个混合单元32内完成两次分割与重组过程；在单元入口处取横截面Ⅰ，横截面上的流体分布如图3中对应的子图Ⅰ所示；经过一次分割重组后取横截面Ⅱ，横截面上的流体分布如图3中对应的子图Ⅱ所示；在单元出口处取横截面Ⅲ，横截面上的流体分布如图3中对应的子图Ⅲ所示。对比子图Ⅰ和Ⅲ可以看出，经过一个混合单元后，流体的接触面积得到极大的提升。经过多个混合单元连续的分割与重组操作，达到增加流体的接触面积以增强混合的目的。该混合器有效工作雷诺数范围为0.1<Re<2。 

上述的微混合器均能够取得较好的体混合效率，然而，从图2中子图Ⅰ到Ⅴ再到Ⅵ的演变，以及图3中子图Ⅰ到Ⅲ的演变可以看出，被混合单元分割重组后的流体薄层在整个通道横截面内始终彼此完全平行，由于靠近通道壁面处较大粘性阻力的存在，靠近通道侧壁处的部分流体始终被挤压而不能得到有效地混合。文献[2]（R.A.Vijayendran et al.,Langmuir,2003,19,1824-1828）指出，在表面基生物传感器（Surface-Based Biosensor）应用中，由于传感器的性能取决于溶质分子与固化在通道表面的互补受体间的结合速率，因此，在这类传感器中，靠近通道侧壁处流体的混合均匀性比整个通道的体混合均匀性更加重要。现有技术中的微混合器均不能满足这个需求。 

此外，当前文献所报道的诸多微混合器，其有效工作雷诺数范围十分有限，如C 型、L型为10<Re<100，F型、X型为Re<10。对于要求Re在0<Re<100范围内变化的应用场合，仅用一种当前报道的3D微混合器不能满足应用需求。 

发明内容

为克服现有3D微混合器不能有效地混合靠近通道侧壁处的部分流体，以及其有效工作雷诺数范围十分有限等缺点，本发明提出一种桥式结构的SAR微混合器。该混合器在0.01<Re<200范围内均能适用，能够充分混合靠近通道侧壁处的部分流体，并且在2mm长的混合通道便可获得大于90%的混合效率。 

参阅图4(a)，本发明提出的微混合器40包含两个流体入口41a和41b、一个流体出口42、以及位于入口和出口之间的数个混合单元43；其特征在于：混合单元43由下层平面内方波状通道44以及平面外桥式结构通道45构成，而每一个桥式结构通道45包含一组共两个中间层通孔45a和上层倾斜通道45b；桥式通道45的两竖直通道与下层方波状通道44分别构成分割区域46和重组区域47；在第一个单元入口处取横截面Ⅰ，横截面上的流体分布如图4(a)中对应的子图Ⅰ所示，经过一个混合单元后取横截面Ⅱ，横截面上的流体分布如图4(a)中对应的子图Ⅱ所示，经过两个混合单元后取横截面Ⅲ，横截面上的流体分布如图4(a)中对应的子图Ⅲ所示；参阅图4(b)，中间层通孔45a外侧壁分别与下层方波状通道44外侧壁对齐，且各组的两个中间层通孔45a长度方向上的中心分别与下层方波状通道44相邻的波峰和波谷中心对齐；中间层通孔45a的长度L₂与下层方波状通道44的波谷长度L₁满足关系0.5*L₁<L₂<1.5*L₁，中间层通孔45a的宽度W₂与下层方波状通道44的宽度W1满足关系W₁/3<W₂<2*W₁/3。 

本发明的有益效果：参阅图4(c)，不同浓度的流体一48和流体二49分别由流体入口41a和41b流入混合器，在流体进入第一个混合单元43之前取横截面Ⅰ，考察通道内流体分布状况如图4(c)中的子图Ⅰ所示，即两种流体分别分布在下层平面内方波状通道44的两侧，流体间仅在通道的中部形成一个竖直的分界面；当流体到达分割区域46时，由于中间层通孔45a的存在，桥式结构通道两端的压力降将驱使位于该中间层通孔45a一侧的流体一48部分流入桥式通道45，从而将流体一48分割成两路支流48a与48b；其中支流48a与未被分割的流体二49经底层方波状通道流向重组区域47，流体48a与49之间的竖直界面继续保留，但是由于流体48已部分分流，流体48a变薄，竖直界面会向流体48a侧偏移；另外一路支流48b经桥式结构通道45流向重组区 域47并与未被分割的流体二49重组，由于两路流体流动方向相互垂直，流体48b与49相互碰撞挤压并最终形成一个新的水平界面；在第一个单元43出口处取横截面Ⅱ，考察通道内流体分布状况如图4(c)中的子图Ⅱ所示，即两种流体间同时存在竖直方面和水平方向的界面，构成一个T形的流体界面，这一方面大大增加了两种流体的接触面积，另一方面由于靠近侧壁处竖直界面的存在，有利于靠近通道侧壁处的部分流体的充分混合；与此同时，流体在弯曲的三维通道内流动，在每一个转角处均会产生二次流扰动，增强混沌对流（chaotic advection）效应，进一步增强混合效果。本发明提出的微混合器由多个混合单元组成，可根据实际应用中对混合效率的需求，选用不同数目的混合单元。 

附图说明

图1是微混合器通道内混合示意图 

图2是现有技术中微混合器之一结构及流动模式示意图 

20-微混合器，21a-流体入口一，21b-流体入口二，22-混合单元，23-流体出口 

图3是现有技术中微混合器之二结构及流动模式示意图 

30-微混合器，31a-流体入口一，31b-流体入口二，32-混合单元，33-流体出口，34-分割区域，35-重组区域 

图4(a)是实施例中桥式结构微混合器结构及流动模式示意图 

41a-流体入口一，41b-流体入口二，42-流体出口，43-混合单元，44-下层方波状通道，45-桥式结构通道，45a-中间层通孔，45b-上层倾斜通道，46-分割区域，47-重组区域，48-流体一，48a-流体一分支一，48b-流体一分支二，49-流体二 

图4(b)是实施例中桥式结构微混合器俯视图 

44-下层方波状通道，45a-中间层通孔，45b-上层倾斜通道 

图4(c)是实施例中桥式结构微混合器混合单元及流动模式示意图 

41a-流体入口一，41b-流体入口二，43-混合单元，44-下层方波状通道，45-桥式结构通道，45a-中间层通孔，45b-上层倾斜通道，46-分割区域，47-重组区域，48-流体一，48a-流体一分支一，48b-流体一分支二，49-流体二 

图5是最佳实施例中桥式微混合器示意图。 

51-下层通道结构体，52-中间层通道结构体，53-上层通道结构体 

图6(a)～(n)是实施例中桥式微混合器制备流程图。 

61-下层光刻掩膜，62-中间层光刻掩膜，63-上层光刻掩膜，64-转移层 

图7是实施例中桥式微混合器实验结果图。 

图8是实施例一中观察到的出口横截面上荧光强度示意图。 

图9是实施例一中的微混合器的混合效率示意图。 

最佳实施例 

参阅图5，将“桥式”结构微混合器分解为三层简单的平面通道结构：下层通道结构体51、中间层通道结构体52和上层通道结构体53，各层采用成熟的PDMS软光刻方法制得，然后通过键合工艺形成复杂三维结构。其特征在于：选用混合单元数目为4；所述下层结构体51厚约3mm，其上的方波状通道44深50μm，L₁=W₁=100μm；所述中间层结构体52厚50μm，其上的8个通孔45a尺寸为L2=100μm，W2=50μm；所述上层结构体53厚约3mm，其上的4个倾斜通道45b深50μm。 

所述“桥式”微混合器制备方法包括如下步骤： 

第一步，制版，参阅图6(a)。用绘图软件绘制三层通道掩膜结构，用25000dpi的高分辨率打印机将图形打印到菲林片上制成光刻掩膜版61、62和63。 

第二步，光刻，参阅图6(b)。在厚500μm的普通硅片上旋涂厚50μm的SU-8负光刻胶，用掩膜版61光刻，显影得下层结构体模具； 

第三步，浇铸，参阅图6(c)。将PDMS单体和固化剂按10:1质量比混合并置于真空箱内反复多次抽真空，将除气后的混合液体浇铸到模具上，然后置于烘箱中于60℃烘烤1小时。 

第四步，脱模。参阅图6(d)，待冷却后，从模具上揭下PDMS结构，即得下层结构体51。 

第五步，制作转移层。参阅图6(e)，准备一块厚2mm的PDMS板，将PDMS板置于密封真空容器内，用气态1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷（PFOCTS）处理PDMS板下表面1小时，使其下表面覆上一层PFOCTS薄膜，得转移层64。 

第六步，光刻。参阅图6(f)，在厚500μm的普通硅片上旋涂厚50μm的SU-8负光刻胶，用掩膜版62光刻，显影得中间层结构体模具。 

第七步，浇铸。参阅图6(g)，将PDMS单体和固化剂按10:1质量比混合并置于 真空箱内反复多次抽真空，将除气后的混合体浇铸到模具上，将转移层64置于模具上，其上放置一重物挤压，以保证所得中间层结构厚度为50μm，然后整体置于烘箱中于60℃烘烤1小时。 

第八步，脱模。参阅图6(h)，待冷却后，从模具上揭下PDMS结构，由于PDMS与PFOCTS间的作用力大于PDMS与硅基底间的作用力，此时揭下部分包括转移层64和中间结构体52。 

第九步，键合。参阅图6(i)，对下层结构体51的上表面和中间层结构体52的下表面同时进行30秒的氧等离子体清洁处理，待处理完成后将处理过的表面浸入无水乙醇中保护，随后立即于光学显微镜下对准键合，然后整体置于烘箱中于60℃烘烤30分钟，使两层PDMS间形成完全共价键结合。 

第十步，去转移层。参阅图6(j)，待冷却后，剥离转移层64，由于PDMS与PFOCTS间的作用力小于PDMS与PDMS间的作用力，可以很方便的剥离转移层，得到键合后的下层结构层51和中间层结构体52的整体。 

第十一步，光刻。参阅图6(k)，在厚500μm的普通硅片上旋涂厚50μm的SU-8负光刻胶，用掩膜版63光刻，显影得上层结构体模具。 

第十二步，浇铸。参阅图6(l)，将PDMS单体和固化剂按10:1质量比混合并置于真空箱内反复多次抽真空，将除气后的混合液体浇铸到模具上，然后置于烘箱中于60℃烘烤1小时。 

第十三步，脱模。参阅图6(m)，待冷却后，从模具上揭下PDMS结构，即得下层结构体53。 

第十四步，键合。参阅图6(n)，对中间层结构体52的上表面和上层结构体53的下表面同时进行30秒的氧等离子体清洁处理，待处理完成后将处理过的表面浸入无水乙醇中保护，随后立即于光学显微镜下对准键合，然后整体置于烘箱中于60℃烘烤30分钟，使两层PDMS间形成完全共价键结合。 

通过数值仿真和试验方法对实施例中的微混合器性能进行表征。数值仿真中，将水作为仿真流体，两种流体的物质浓度分别设置为1和0，仿真结果参阅图7；在第一个混合单元入口处取横截面Ⅰ，可以看到浓度不同的两种流体分别分布在通道的两侧，竖直界面在通道中央部位，；经过一个混合单元后取横截面Ⅱ，可以看到已有部分通道 左侧的高浓度流体被搬运到通道右侧，设计概念中如图4(c)子图Ⅱ所示的T形的流体界面得到证实，区别在于界面在一定程度上被拉升和扭曲，这可以解释为流体层间粘性阻力作用以及二次流扰动结果；经过多个混合单元的连续作用，在出口出整个通道横截面Ⅴ上，流体浓度分布呈均匀混合状态，尤其是靠近通道两侧壁处的流体也得到了充分的混合。 

通过实验对制作的微混合器进行验证，两种流体分别为浓度为0.1mg/ml的FITC乙醇溶液和去离子水（DI water），流体流速由微量注射泵精确控制以确保混合实验在确定的Re条件下进行；在倒置荧光显微镜下观察混合结果，观察到的出口横截面上荧光强度参阅图8，其中引入了文献[1]的实验结果进行对比，可以看出，现有技术文献[1]中的微混合器在靠近通道两侧壁的区域内荧光强度为0，即流体没有得到混合，而本发明的微混合器在整个通道横截面上浓度较为均匀，尤其是靠近通道两侧壁的区域内流体得到了充分的混合。 

结合数值仿真和实验数据，计算了本发明提出的微混合器的混合效率，结果参阅图9。可以看出，本发明提出的微混合器在整个雷诺数范围0.01<Re<200范围内均能够获得大于90%的混合效率。 

实施例二 

其特征在于：选用混合单元数目为3；所述下层结构体（51）厚约3mm，其上的方波状通道（44）深50μm，L₁==W₁=100μm；所述中间层结构体（52）厚50μm，其上的8个通孔（45a）尺寸为L2=80μm，W2=40μm；所述上层结构体（53）厚约3mm，其上的4个倾斜通道（45b）深50μm。 

实施例三 

其特征在于：选用混合单元数目为6；所述下层结构体（51）厚约3mm，其上的方波状通道（44）深50μm，L₁==200μm，W₁=100μm；所述中间层结构体（52）厚20μm，其上的8个通孔（45a）尺寸为L2=200μm，W2=60μm；所述上层结构体（53）厚约3mm，其上的4个倾斜通道（45b）深30μm。 

Claims (1)

1.一种桥式结构的分割重组被动式微混合器，包含两个流体入口41a和41b、一个流体出口42、以及位于入口和出口之间的数个混合单元43；其特征在于：所述混合单元43由下层平面内方波状通道44以及平面外桥式结构通道45构成，每一个桥式结构通道45包含一组共两个中间层通孔45a和上层倾斜通道45b；桥式通道45的两竖直通道即两个中间层通孔45a与下层方波状通道44分别构成分割区域46和重组区域47；中间层通孔45a外侧壁分别与下层方波状通道44外侧壁对齐，且各组的两个中间层通孔45a长度方向上的中心分别与下层方波状通道44相邻的波峰和波谷中心对齐；中间层通孔45a的长度L₂与下层方波状通道44的波谷长度L₁满足关系0.5*L₁<L₂<1.5*L₁，中间层通孔45a的宽度W₂与下层方波状通道44的宽度W1满足关系W₁/3<W₂<2*W₁/3。