CN104525031B

CN104525031B - 一种被动式多内肋结构环形微混合器

Info

Publication number: CN104525031B
Application number: CN201410805400.XA
Authority: CN
Inventors: 刘赵淼; 赵福旺; 申峰; 董林浩
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2014-12-21
Filing date: 2014-12-21
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2034-12-21
Also published as: CN104525031A

Abstract

一种被动式多内肋结构环形微混合器，该混合器结构可采取多通道入口形式，进而实现多种流体的混合；该多通道入口现优选其通道入口数量为两个；两种不同的流体分别通过入口通道a、入口通道b进入微混合器中；中心环形流道由外到内依次为第一环形流道、第二环形流道、第三环形流道、第四环流道，各环形流道依次首尾相连；第一环形流道与入口通道a、入口通道b相连；第四环流道一端与微混合器出口通道相连。璃盖板与上述微混合器结构组合形成普通形式的微混合器。璃盖板与上述微混合器结构、微混合器组合结构共同组合构成强化形式的微混合器。该结构可在促使增加液体流动的切向应力、促进二次流、漩涡结构等产生，从而有效促使液体的混合。

Description

一种被动式多内肋结构环形微混合器

技术领域

本发明提供一种可用于提高不同反应物的混合效率微混合器，该混合器可以实现微尺度下多种流体的快速融合。涉及微混合、微反应等技术领域，尤其涉及一种微混合器。

背景技术

基于分析化学、生物分析等领域的发展，微流控芯片的目标是把整个化学实验室的取样、混合、稀释、加样、反应、分离和检测等功能集中于一个芯片上。这样不仅可以节省反应试剂，又可以降低分析过程的危险性(如高毒或易燃易爆的试剂)，同时还可以提高分析效率。由于以上优点，该技术应用前景极为广泛，并在二十世纪九十年代中期迅速崛起。

微流控芯片技术涉及的微型反应系统主要包括微混合器、微流道、微型热交换器等。其中微混合器作为微流控芯片的一个重要组成部分，起着极为重要的作用。例如，在细胞活化、蛋白质折叠、遗传因子杂交配种以及酶反应等生物分析过程中，为了提高分析效率，需要在各种酶和反应物均匀的分布在分子之间；同样在分析化学中，为了提高化学反应的反应效率，必须使得反应物迅速、均匀混合，这样才能保证在小的样品消耗的前提下，提高化学分析速度和操作效率。但是在微尺度条件下，流体(反应物等)表面积与体积的比值相当大，常处于层流状态，分子的扩散常常处于水平上的扩散运动，因此，单纯依靠分子扩散是不能满足现代生物、化学分析中反应速度快、使用药品剂量少、快速分析和实时检测的需要。

正是为了实现反应物的高效、均匀混合，微混合器应运而生。根据有无外界能量驱动可分为两类：一类是主动式微混合器，另一类是被动式微混合器。主动式微混合器的机理是通过外场的作用产生液体间的相对运动来达到混合的效果。被动式微混合器的机理主要靠改变管道的内部结构和形状，尽可能增大混合面积，达到增强混合的效果。相较于主动式混合器，被动混合器具有不需要外场激励，结构、工艺简单，易于集成等优点。有关被动式混合器的研究显示，二次流、混沌流、漩涡结构等流动现象可以有效增加流体间的接触面积，促进液体的混合。

发明内容

本发明是一种被动式微混合器，可有效解决现有微混合器混合机制单一、时间分辨率有限、加工难度大等缺陷。本发明主要通过在通道内添加内肋结构、分离重组通道、类微喷嘴、类拉法尔喷嘴等结构实现被动微混合和微反应。该微混合器具有结构简单、易加工、成本低廉，混合时间短等优势。

本发明采用的技术方案如下，微混合器包含玻璃盖板15、微混合器结构。

其中玻璃盖板15与微混合器结构键合在一起，起到密封的作用。玻璃盖板15需要高透明度，方便观察微混合器内部的流动。

其中微混合器结构，该结构是一种T型结构微混合器变异圆环形结构。该混合器结构可采取多通道入口形式，进而实现多种流体的混合；该多通道入口现优选其通道入口数量为两个，即通过入口通道a1、入口通道b2；通过入口通道a1、入口通道b2分别设置在混合器的两端；两种不同的流体分别通过入口通道a1、入口通道b2进入微混合器中；第一环形流道5、第二环形流道6、第三环形流道7、第四环流道8为该混合器的中心环形流道，由外到内依次为第一环形流道5、第二环形流道6、第三环形流道7、第四环流道8，各环形流道依次首尾相连；第一环形流道5与入口通道a1、入口通道b2相连；第四环流道8一端与微混合器出口通道10相连。

所述入口通道a1、入口通道b2为类微喷嘴结构3；微混合器出口通道10为类拉法尔喷嘴结构9，混合器出口处采用类拉法尔喷嘴结构9，增加流体的扰动。

第一环形流道5、第三环形流道7的最大宽度应为入口通道a1、入口通道b2宽度之和，其中内肋结构4占用宽度不超过通道总宽度的四分之一；第二环形流道6、第四环流道8最大宽度与入口通道a1、入口通道b2尺寸的较宽者尺寸相同，第二环形流道6同样设置内肋结构，宽度要求也不超过通道最大宽度的五分之一，第四环流道8由于尺寸较小不设置内肋结构。

玻璃盖板15与上述微混合器结构组合形成普通形式的微混合器13。

其中微混合器组合结构，该结构用于与微混合器结构组合使用。其内部环道的设计与微混合器结构类似，微混合器组合结构入口通道11与微混合器结构出口通道10直接相贯通。为混合器组合机构出口通道12设置类微喷嘴结构以促进混合。

玻璃盖板15与上述微混合器结构、微混合器组合结构共同组合构成强化形式的微混合器14。

本发明的工作过程如下，两种及两种以上的流体分别从不同通道进入微混合器，在类微喷嘴结构处第一次混合，该结构的混合过程是利用流体速度的变化，在切向力的作用下，促使微流体的混合；类微喷嘴出口处混合液体的流速较大，内肋结构进一步增加混合液体的扰动，增加不同种类液体微团碰撞的几率；混合液体进入第一环形通道时，由于离心力、内肋结构的作用下，产生二次流、漩涡等，促使混合液体的混合；当混合液体进入第二环形通道时，部分混合液体进入环形通道的左侧、部分进入右侧，两侧混合液体在各自环形通道内实现混合，另外由于各种扰动作用下，两侧流动液体的流动状态产生较大差异，在汇合处出现混沌流，再一步促进混合液体的混合。同样在进入第三环形通道会出现类似第一通道结构的混合现象，在第四环形通道会出现类似于第二通道的混合现象，其中机理不再赘述。经第四环形通道出口时，类拉法尔喷嘴结构会通过放缩结构，进一步促进液体的混合。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1、在该类混合器的设计中，特设计添加了类喷嘴、类微拉法尔喷嘴管结构，该结构可在促使增加液体流动的切向应力、促进二次流、漩涡结构等产生，从而有效促使液体(反应物等)的混合。

2、将T型混合器的出口通道设计成圆环形结构，利用该结构产生的离心力，结合环形通道内的内肋结构，可以有效增加流体分子之间的不平衡碰撞，提高反应物等混合几率，提高了玻璃板空间的有效利用。

3、片状的环形结构混合器，可以重复叠加使用。如某种实验条件下需要极高的混合效果时，可以通过重复叠加使用该结构，以满足混合指标。

附图说明

图1是本发明的玻璃盖板三维示意图。

图2是本发明的微混合器内部流道三维示意图。

图3是本发明的微混合器俯视图。

图4是本发明的微混合器组装三维示意图。

图5是本发明的微混合器组合结构三维示意图。

图6是本发明的强化微混合器组合三维示意图。

图中：1、入口通道a，2、入口通道b，3、类微喷嘴结构，4、内肋结构，5、第一环流道，6、第二环流道，7、第三环流道，8、第四环流道，9、类拉法尔喷嘴结构，10、微混合器出口通道，11、微混合器组合结构入口通道，12、微混合器组合结构出口通道，13、普通形式的微混合器，14、强化形式的微混合器，15、玻璃盖板。

具体实施方式

1、普通形式的微混合器：

借助高温，将玻璃盖板和微混合器键合在一起，如图4所示。整个混合过程如下，不同的流体经入口通道a1、入口通道b2进入微混合器，然后经过类喷嘴结构3、各种环形通道等结构，最后经微混合器出口输出。

2、强化形式的微混合器：

将玻璃盖板、微混合器组和结构、微混合器键合在一起，如图6所示。整个混合过程如下，不同流体经玻璃盖板进入微混合器进行第一次混合后，然后经微混合器出口通道进入微混合器组合机构，实现第二次混合，最终经微混合器组合结构出口通道输出。

3、加工要求

a)此种微混合器可以实现多种流体的混合，入口通道可以设置多条，文中为了便于解释仅仅设置两条入口通道。

b)此种微混合器的材质采用玻璃材质、PDMS等透明材质，加工方法采用化学刻蚀的方法，通道入口、出口处外接导管可采用特氟隆塑料胶管。

c)由于环形通道内肋是为了增加流体的扰动，因此其加工精度可以稍低，但必须保证通道通畅性。

d)第一环形流道5、第三环形流道7的最大宽度应为入口通道a1、入口通道b2宽度之和；第二环形流道6、第四环流道8最大宽度与入口通道a1、入口通道b2尺寸的较宽者尺寸相同。

e)如采用强化形式的微混合器时，注意键合质量，保证系统封闭性。

Claims

1.一种被动式多内肋结构环形微混合器，其特征在于：微混合器包含玻璃盖板(15)、微混合器结构；

其中玻璃盖板(15)与微混合器结构键合在一起；玻璃盖板(15)需要高透明度；

微混合器结构是一种T型结构微混合器变异圆环形结构；该混合器结构采取两通道入口形式，即入口通道a(1)、入口通道b(2)；入口通道a(1)、入口通道b(2)分别设置在混合器的两端；两种不同的流体分别通过入口通道a(1)、入口通道b(2)进入微混合器中；第一环形流道(5)、第二环形流道(6)、第三环形流道(7)、第四环流道(8)为该混合器的中心环形流道，由外到内依次为第一环形流道(5)、第二环形流道(6)、第三环形流道(7)、第四环流道(8)，各环形流道依次首尾相连；第一环形流道(5)与入口通道a(1)、入口通道b(2)相连；第四环流道(8)一端与微混合器出口通道(10)相连；

所述入口通道a(1)、入口通道b(2)为类微喷嘴结构(3)；微混合器出口通道(10)为类拉法尔喷嘴结构(9)，混合器出口处采用类拉法尔喷嘴结构(9)，增加流体的扰动；

第一环形流道(5)、第三环形流道(7)的最大宽度应为入口通道a(1)、入口通道b(2)宽度之和，其中内肋结构(4)占用宽度不超过通道总宽度的四分之一；第二环形流道(6)、第四环流道(8)最大宽度与入口通道a(1)、入口通道b(2)尺寸的较宽者尺寸相同，第二环形流道(6)同样设置内肋结构，宽度要求不超过通道最大宽度的五分之一，第四环流道(8)由于尺寸较小不设置内肋结构；

玻璃盖板(15)与上述微混合器结构组合形成普通形式的微混合器(13)。

2.一种被动式多内肋结构环形微混合器，其特征在于：微混合器包含玻璃盖板(15)、微混合器结构、微混合器组合结构；

微混合器组合结构，该结构用于与微混合器结构组合使用；其内部环道的设计与微混合器结构类似，微混合器组合结构入口通道(11)与微混合器结构出口通道(10)直接相贯通；微混合器组合机构出口通道(12)设置类微喷嘴结构以促进混合；

玻璃盖板(15)与上述微混合器结构、微混合器组合结构共同组合构成强化形式的微混合器(14)。