CN104162379B - 一种微流控芯片磁珠混沌混合方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微流控芯片磁珠混沌混合方法及装置，具有一个球形框架，球形框架由6个相同的圆型架沿依次沿球形经度方向两两间隔30°搭构成，球型框架的内部中间放置有微流控芯片，在每个圆型架外部上，沿圆周方向均匀布置三个径向的电磁铁；从微流体入口通道通入微流体溶液，同时从磁珠溶液入口通道通入磁珠溶液，对第一个圆型架上的三个电磁铁通UVW低频三相交流电，使磁珠在混合溶液里面形成磁珠链并随着磁场方向的改变在溶液里面不停旋转，增加第一个圆型架上的三个电磁铁的三相交流电的频率，使得磁珠链断裂，分别先后对第二个至六个圆型架上的三个电磁铁通电；通过对球形布局的空间旋转磁场的时序控制实现搅拌，保证溶液混合完全。

Description

一种微流控芯片磁珠混沌混合方法及装置

技术领域

本发明涉及溶液混合技术，具体是一种微流控芯片的混沌混合方法及装置，用来提高微流控芯片内液体混合效率。

背景技术

混合是一个物理过程，是任何化学和生化反应最基本的也是必须的操作，其混合的效果取决于其混合过程和方法。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，流体在微米尺度下的雷诺系数非常小，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，但是，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的难题。

目前，已有的不同类型的微流体混合器可分为主动混合器和被动混合器两类。对于被动混合器，由于微流器件的尺寸很小，雷诺数非常小，流体处于层流状态，流体间的混合基本上依赖于扩散运动，所以混合效果不甚理想。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。

已有的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，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，但其结构较为复杂，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并且需要较为复杂的旋转磁场发生器，此外，复杂的内部结构也使得芯片容易结垢，并难以有效清洗。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的问题，提供一种结构简单易行、混合效果好且混合过程可控的微流控芯片磁珠混沌混合方法及装置。

本发明一种微流控芯片磁珠混沌混合装置采用的技术方案是：具有一个球形框架，球形框架由6个相同的圆型架沿依次沿球形经度方向两两间隔30°搭构成，6个圆型架的圆心是球形框架的球心；球型框架的内部中间放置有微流控芯片，微流控芯片具有磁珠溶液入口通道、微流体入口通道以及微混合室腔体，微混合室腔体在球心位置，磁珠溶液入口通道和微流体入口通道各连通微混合室腔体；在每个圆型架外部上，沿圆周方向均匀布置三个径向的电磁铁；第一至第三个圆型架上的第一个电磁铁均位于微流控芯片的左上前方、第二个电磁铁位于微流控芯片的左下前方、第三个电磁铁均位于微流控芯片的右后方且位于球形框架的后半球侧的最长纬线上；第四至第六个圆型架上的第一个电磁铁均位于微流控芯片的右上前方、第二个电磁铁均位于微流控芯片的右下前方、第三个电磁铁均位于微流控芯片7的左后方且位于球形框架的后半球侧的最长纬线上；每个圆型架上的第一个电磁铁均接U相交流电、第二个电磁铁均接V相交流电、第三个电磁铁均接W相交流电。

本发明一种微流控芯片磁珠混沌混合装置的混沌混合采用的技术方案是：是按以下步骤：

步骤1：从微流体入口通道通入微流体溶液，同时从磁珠溶液入口通道通入磁珠溶液，两种溶液进入微混合室腔体内形成混合溶液；

步骤2：对第一个圆型架上的三个电磁铁通UVW低频三相交流电，使磁珠在混合溶液里面形成磁珠链并随着磁场方向的改变在溶液里面不停旋转；

步骤3：增加第一个圆型架上的三个电磁铁的三相交流电的频率，使得磁珠链断裂；

步骤4：保持使得磁珠链断裂的三相交流电的频率不变，分别先后对第二个至六个圆型架上的三个电磁铁通电，每个圆型架上的三个电磁铁通电时间持续时间相同；

步骤5：判断混合是否完全，若否，重复步骤4，直到完全混合，若是，停止对所有电磁铁通电。

与已有方法和技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明通过一种对球型布局的空间旋转磁场的时序控制实现搅拌，不需要加工精密且结构复杂的搅拌棒，只需要粒径不同的磁珠，解决了被动混合器里流体间的混合基本上依赖于扩散运动混合效果不甚理想的难题。

2、本发明通过一种球型布局的空间旋转磁场的时序控制实现混合，磁珠混合在混合室内自由游走且不易结垢，解决现有固定旋转式微型磁力搅拌方法容易结垢且难以清洗的问题。

3、本发明类似一种微型多相磁场时序发生器，通过时序控制和交流电流控制可以很容易控制磁场大小及磁珠的旋转运动方向和速度，控制简单有效。

4、本发明涉及一种多角度、全方位的旋转磁场，从而保证溶液混合完全，磁珠混沌混合能在较短时间内实现较好的混合效果。

5、本发明可根据待混合液体的实际情况，通过编程对实际磁场进行交变频率的控制，磁场角度的控制以及混合实际的控制，自动化程度高，可操控性好，可移植性强。

附图说明

图1为本发明的微流控芯片磁珠混沌混合装置的结构示意图；

图2为图1中圆型架8上的三个电磁铁1A、1B、1C通电及磁场原理图；

图3为图1中微流控芯片7的结构放大示意图；

图4为图3中微流控芯片7的主视图；

图5为图4中微混合腔体16在电磁铁不通电时其内部的微流体24和磁珠25的状态放大图；

图6为图4中微混合腔体16在电磁铁通电后其内部的微流体24和磁珠链26的状态放大图；

图7为本发明所述微流控磁珠混沌混合方法的流程图。

附图中各部件的序号和名称：

1A、1B、1C、2A、2B、2C、3A、3B、3C、4A、4B、4C、5A、5B、5C、6A、6B、6C.电磁铁；

7.微流控芯片；8、9、10、11、12、13.圆型架；14.球形最长纬线；15.微流体入口通道；16.微混合室腔体；17.磁珠溶液入口通道；18.混合溶液出口通道；19.微通道；20.有机玻璃封接盖片；21.螺丝；22.环形垫片；23.有机玻璃基片底座；24.微流体；25.磁珠；26.磁珠链。

具体实施方式

如图1所示，本发明具有一个球形框架，球形框架由6个相同的圆型架依次两两间隔30°搭构成，6个圆型架沿球形框架的经度方向布置，这6个圆型架分别是圆型架8、9、10、11、12、13，6个圆型架的圆心共一个点，这个点也是球形框架的球心。

在每个6个圆型架上，沿圆周方向均匀分布三个电磁铁，每个电磁铁都位于圆型架的外部，并且的每个电磁铁中心轴均在圆型架的径向上，相邻两个电磁铁之间呈120°。具体是在第一个圆型架8上沿圆周方向均匀分布三个电磁铁1A、1B、1C，在第二个圆型架9上沿圆周方向均匀分布三个电磁铁2A、2B、2C，在第三个圆型架10上沿圆周方向均匀分布三个电磁铁3A、3B、3C，在第四个圆型架11上沿圆周方向均匀分布三个电磁铁4A、4B、4C，在第五个圆型架12上沿圆周方向均匀分布三个电磁铁5A、5B、5C，在第六个圆型架13上沿圆周方向均匀分布三个电磁铁6A、6B、6C，共采用了18个电磁铁。每个圆型架上的第三个电磁铁均位于球形框架的后半球侧的最长纬线14上。具体是：电磁铁1C、2C、3C、4C、5C、6C均位于球形框架的后半球侧的最长纬线14上。

在球型框架的内部中间放置微流控芯片7，微流控芯片7包括微混合室腔体16，微混合室腔体16在球心位置。依次地，第一至第三个圆型架8、9、10上的第一个电磁铁均位于微流控芯片7的左上前方，即电磁铁1A、2A、3A均位于微流控芯片7的左上前方；第四至第六个圆型架11、12、13上的第一个电磁铁均位于微流控芯片7的右上前方，即电磁铁4A、5A、6A均位于微流控芯片7的右上前方；第一至第三个圆型架8、9、10上的第二个电磁铁均位于微流控芯片7的左下前方，即电磁铁1B、2B、3B均位于微流控芯片7左下前方；第四至第六个圆型架11、12、13上的第二个电磁铁均位于微流控芯片7的右下前方，即电磁铁4B、5B、6B均位于微流控芯片7的右下前方；第一至第三个圆型架8、9、10上的第三个电磁铁均位于微流控芯片7的右后方，即电磁铁1C、2C、3C均位于微流控芯片7右后方，第四至第六个圆型架11、12、13上的第三个电磁铁均位于微流控芯片7的左后方，即电磁铁4C、5C、6C均位于微流控芯片7左后方。

如图2所示，圆型架8上的三个电磁铁1A、1B、1C，若给电磁铁1A、1B、1C均顺时针通电，那么磁场方向是依序沿电磁铁1A、1B至1C；若给电磁铁1A、1B、1C均逆时针通电，那么磁场方向是依序沿电磁铁1C、1B至1A。另外，本发明可以通过控制通电频率来控制磁场的旋转速度。对圆型架上8上的三个电磁铁1A、1B、1C通三相电源，电磁铁1A接U相，电磁铁1B接V相，电磁铁1C接W相。其它5个圆型架9、10、11、12、13上的三个电磁铁采用同样接法，其它5个圆型架9、10、11、12、13上的三个电磁铁的通电及磁场原理与圆型架8上的三个电磁铁1A、1B、1C雷同，也就是每个圆型架上的第一个电磁铁均接U相交流电、第二个电磁铁均接V相交流电、第二个电磁铁均接W相交流电。

如图3和图4所示，本发明的微流控芯片7内部是“Y”型通道，微流体入口通道15是微流体入口处，磁珠溶液入口通道17是磁珠溶液入口处，磁珠溶液入口通道17和微流体入口通道15分别与微混合室腔体16连通，微流体和磁珠溶液分别经微流体入口通道15和磁珠溶液入口通道17后进入微混合室腔体16混合，混合好的溶液从通道18流出。微流控芯片7上方是封闭微流体入口通道15、磁珠溶液入口通道17和微混合室腔体16的有机玻璃封接盖片20，微流控芯片7下方是有机玻璃基片底座23，在有机玻璃基片底座23上加工一个与微流控芯片7大小一致的槽，用来承载和固定微流控芯片7，用螺丝21来固定有机玻璃封接盖片20和有机玻璃基片底座23，确保微流控芯片7平稳放置，另外在有机玻璃封接盖片20下表面用环形垫片22密封连接，以保证整个微流控芯片7的密封性。

如图5和图6所示，本发明所使用的磁珠25共有n个，并且每个磁珠25都附有抗体，然后根据半径大小不同分成若干，图中示出分成m组（m由实际使用的半径不同的磁珠种类个数确定），与微流体24进行混合。从磁珠溶液入口通道17往微混合室腔体16缓慢的流入表面修饰有抗体的免疫磁珠群溶液，同时从微流体入口通道15通入微流体24，让两种溶液在微通道19共同缓缓流往微混合室腔体16。当两种溶液都流入微混合室腔体16内时，对圆型架8上的三个电磁铁1A、1B、1C分别通5Hz的三相交流电U、V、W（类似于对星形接法的电机供电方法），此时，磁珠25由于超顺磁性，而且在低交变频率下，磁珠25间的磁力占主导地位，磁珠25会聚集在一起，形成一个磁珠链26，在微流体24中搅拌。然后，当U相到达波峰时，磁珠链26会集体向电磁铁1A运动，附抗体的磁珠25在其运动的这段路径（即磁珠初始位置到电磁铁1A之间）不断搅拌微流体24，当V相到达波峰时，磁珠链26会集体向电磁铁1B运动，带抗体的磁珠25在电磁铁1A和电磁铁1B之间的这段路程里搅拌，当W相到达波峰时，磁珠链26会集体向电磁铁1C运动，在电磁铁1B和电磁铁1C之间的这段路程搅拌。接着，U、V、W相会再次依次循环达到波峰，磁珠链26也会重复以上运动，形成一个接近于圆形的运动轨迹，在微流体24里面不断搅拌混合。

由于三相交流电的频率是可以改变的，当交变磁场频率增高时，磁珠25之间的磁力作用会由主导地位变为支配地位，而磁珠25的粘和力由支配地位上升为主导地位，就会出现磁珠链26断裂的现象，一整条长磁珠链26会断裂成若干根短磁珠链26，多磁珠链26同时搅拌微流体24可减少混合时间及提高搅拌混合效率。磁珠受磁场力的计算公式是：

，

其中，X是磁性粒子和周围溶液或介质的磁化率差，V是粒子体积，u是真空磁导率，B是磁感应强度，·B是磁场梯度。磁场中的磁珠25会由于磁珠半径大小不同，质量不一样，那么所受磁场力大小不同，运动加速度也不同，磁珠25的半径越大，旋转速度越快，从而会造成半径不同的磁珠链26的分离，使断裂的磁珠链26会继续分散，形成更多断裂的磁珠链26，甚至是磁珠个体，分别在微流体24中进行搅拌，导致磁珠25间会发生碰撞，造成微流体24混沌混合。根据混沌理论包含的基本观点，系统内部的一个微小运动通过一系列复杂事件链的作用会被放大，最终产生数倍于动作本身的影响。通过对搅拌方式的改变，使装置的搅拌方式不单一，搅拌效果大大加强。

本发明通过依次给每个圆型架8、9、10、11、12、13上的三个电磁铁提供一定频率的交流电，使电磁铁产生磁场，形成旋转空间磁场，且旋转方向可改变（即旋转磁场可以正反转）。

如图7所示，本发明装置进行一次混沌混合的具体方法是：

步骤1：从微流体入口通道15通入微流体溶液，同时从磁珠溶液入口通道17通入磁珠溶液至微混合室腔16内，确保两种溶液完全进入微混合室腔16内，形成混合溶液。

步骤2：对第一个圆型架8上的三个电磁铁1A、1B、1C通低频三相交流电，使磁珠25在混合溶液里面形成磁珠链26并随着磁场方向的改变在溶液里面不停旋转。

步骤3：增加三个电磁铁1A、1B、1C的三相交流电的频率，使得步骤2产生的磁珠链26断裂，从而提高磁珠25的搅拌效率。

步骤4：当磁珠链26断裂之后，保持使得磁珠链26断裂的三相交流电的频率不变，分别先后对第二个圆型架9上的三个电磁铁2A、2B、2C、第三个圆型架10上的三个电磁铁3A、3B、3C、第四个圆型架11上的三个电磁铁4A、4B、4C、第五个圆型架12上的三个电磁铁5A、5B、6C以及第六个圆型架13上的三个电磁铁6A、6B、6C通电，每个圆型架上的三个电磁铁通电持续时间相同，本发明通电持续时间在10秒左右。通过这种方法，对不同圆型架上的三个电磁铁供电，不断改变磁珠25的运动轨迹，使磁珠25运动不停留在某一个圆截面上，多方位和多角度地与微流体24进行混合。

步骤5：判断混合是否完全，如果微流体溶液没有完全混合，继续重复步骤4，直到微流体溶液完全混合；当微流体溶液混合完全时，停止对所有电磁铁通电。

Claims (3)

1.一种微流控芯片磁珠混沌混合装置，其特征是：具有一个球形框架，球形框架由6个相同的圆型架沿依次沿球形经度方向两两间隔30°搭构成，6个圆型架的圆心是球形框架的球心；球型框架的内部中间放置有微流控芯片（7），微流控芯片（7）具有磁珠溶液入口通道（17）、微流体入口通道（15）以及微混合室腔体（16），微混合室腔体（16）在球心位置，磁珠溶液入口通道（17）和微流体入口通道（15）各连通微混合室腔体（16）；

在每个圆型架外部上，沿圆周方向均匀布置三个径向的电磁铁；第一至第三个圆型架上的第一个电磁铁均位于微流控芯片（7）的左上前方、第二个电磁铁位于微流控芯片（7）的左下前方、第三个电磁铁均位于微流控芯片（7）的右后方且位于球形框架的后半球侧的最长纬线上；第四至第六个圆型架上的第一个电磁铁均位于微流控芯片（7）的右上前方、第二个电磁铁均位于微流控芯片（7）的右下前方、第三个电磁铁均位于微流控芯片（7）的左后方且位于球形框架的后半球侧的最长纬线上；每个圆型架上的第一个电磁铁均接U相交流电、第二个电磁铁均接V相交流电、第三个电磁铁均接W相交流电。

2.根据权利要求1所述微流控芯片磁珠混沌混合装置，其特征是：磁珠溶液中的每个磁珠都附有抗体，磁珠根据半径大小不同分成若干组。

3.一种如权利要求1所述微流控芯片磁珠混沌混合装置的混沌混合方法，其特征是按以下步骤：

步骤1：从微流体入口通道（15）通入微流体溶液，同时从磁珠溶液入口通道（17）通入磁珠溶液，两种溶液进入微混合室腔体（16）内形成混合溶液；

步骤2：对第一个圆型架上的三个电磁铁通UVW低频三相交流电，使磁珠在混合溶液里面形成磁珠链并随着磁场方向的改变在溶液里面不停旋转；

步骤3：增加第一个圆型架上的三个电磁铁的三相交流电的频率，使得磁珠链断裂；

步骤4：保持使得磁珠链断裂的三相交流电的频率不变，分别先后对第二个至第六个圆型架上的三个电磁铁通电，每个圆型架上的三个电磁铁通电持续时间相同；

步骤5：判断混合是否完全，若否，重复步骤4，直到完全混合，若是，停止对所有电磁铁通电。