CN104984773A - 一种微通道内强化流体混合的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微通道内强化流体混合的方法，包括以下步骤：a、在第一片聚二甲基硅氧烷的表面形成微流通道；b、将第一片聚二甲基硅氧烷与平整的第二片聚二甲基硅氧烷贴合在一起；c、将激光器垂直置于第二片聚二甲基硅氧烷一侧，激光器的激光发射端对准汽化核心；d、从各个进流孔分别注入需要混合的液体，液体流入到混合通道中混合；e、启动激光器，使激光器对汽化核心处加热形成气泡；f、气泡在混合通道内促使流体横向流动，实现强化流体的混合，混合后的液体从混合通道上连接的出流通道中流出。本发明采用激光器对汽化核心加热产生气泡来强化流体的混合，大大提高了混合效果，同时激光点热源的加热方式其温控特性优越，可以通过调节激光功率实现气泡产生速率和大小的控制。

Description

一种微通道内强化流体混合的方法

技术领域

本发明特别涉及一种微通道内强化流体混合的方法。

背景技术

近年来，微电子机械系统、生命科学和分析科学等学科相交叉所产生的新兴学科——生物微电子机械系统，又称微流控芯片、芯片实验室或微全分析系统发展迅速。其市场空间巨大，可广泛应用于生命科学、医学、化学、新药开发、食品和环境卫生监督等领域。微流控芯片是把一个传统的分析实验室功能微缩到一个小芯片上构建成化学或生物实验室，与传统分析方法相比，微流控芯片具有响应速度快；样品和试剂消耗量少；系统外部连接少；污染少，实行一次性使用；可以实时、原位、连续检测，并可在微环境下工作；可实现批量制造、降低成本等优点。因此，微流控芯片技术已引起人们的广发关注，成为了生物医学、化学分析等领域的研究热点。

微流控芯片内通道的尺寸通常在几十到几百微米左右，其雷诺数通常小于1，因此微通道内的流体以层流的方式流动，流体之间的传质混合依靠扩散进行，非常缓慢，如水分子扩散1um需要1s的时间，而扩散1mm则需要1000s，这对时间有要求的生化反应极为不利，所以如何高效、快速的实现微流体的扩散和混合是微流控芯片发展需要解决的关键技术之一，同时对微流体器件的设计和制造也具有十分重要的意义，因此需要强化微通道内流体的混合。

因此本领域技术人员致力于开发一种能够强化微通道内流体混合的方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够强化微通道内流体混合的方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种微通道内强化流体混合的方法，其特征是包括以下步骤：

a、在硅片上制作出微通道模具，同时在一块很薄的钢片上加工一个圆孔，该圆孔的直径小于微通道的直径，将钢片盖在硅片模具表面，透过圆孔在微流混合通道模具上喷涂SiO₂溶液，然后将聚二甲基硅氧烷溶液倾倒在硅片上，再放在加热板上烘烤，烘烤完毕后，将烤硬的第一片聚二甲基硅氧烷从硅片上撕下来，则微通道结构在第一片聚二甲基硅氧烷的表面形成，该微通道包括至少两个进流通道和一个混合通道，所述进流通道的左端均设有进流孔与第一片聚二甲基硅氧烷外部相通，该进流通道的右端交汇在混合通道的左端；通过烘烤加热固化，SiO₂颗粒转贴到混合通道内壁形成汽化核心，所述该混合通道的右端设有出气孔与第一片聚二甲基硅氧烷外部相通，所述第一片聚二甲基硅氧烷上还开设出流通道，该出流通道的一端连接到靠近混合通道的右端；

b、将第一片聚二甲基硅氧烷与平整的第二片聚二甲基硅氧烷贴合在一起，使第一片聚二甲基硅氧烷上的微流通道朝向第二片聚二甲基硅氧烷；

c、将激光器垂直置于第二片聚二甲基硅氧烷一侧，激光器的激光发射端对准汽化核心；

d、从各个进流孔分别注入需要混合的液体，液体流入到混合通道中混合；

e、启动激光器，使激光器对汽化核心处加热形成气泡；

f、气泡在混合通道内阻碍扰乱流体的流动，促使流体横向流动，从而实现强化流体的混合，混合后的液体从混合通道上连接的出流通道中流出。

采用上述方法，通过光刻微加工技术制作的微通道内表面光滑，无狭缝、空穴、凹坑等，在微通道内通过转贴法SiO₂颗粒转贴到混合通道内壁，创造出局部粗糙表面，从而形成汽化核心，即人为创造汽化沸腾所需要的狭缝、空穴和凹坑等，需要混合的液体从进流通道左端设置的进流孔注入到进流通道中，然后在混合通道中混合；当表面经过处理形成一定的粗糙度以后，与平整的光滑表面相比，根据气泡动力学和成核理论，粗糙表面内的狭缝中的液体所受到的加热的影响比位在平直光滑面上同样数量的液体要多得多，其狭缝中的液体汽化所需要的能量更小。流体经过汽化核心时，用激光器照射汽化核心，汽化核心上的流体比光滑的壁面上的流体更容易沸腾汽化逃离形成气泡并进一步吸热长大。长大的气泡在混合通道内会阻碍扰乱流体的流动，促使流体横向流动，从而实现强化流体的混合，混合后的液体从混合通道上连接的出流通道中流出。

对单个气泡而言，当气泡长大以后，按照流体流动的方向，气泡前端的流体继续流动，速度大小不变，压力不变，而气泡后端的流体受到气泡的阻碍流速减小，压力增大，即单个气泡前后存在压力差，且由于流体是连续流动，因此气泡受到压力差驱动，上游来的流体会带走产生的气泡从混合通道的右端排出去。当前一个气泡被排走时，在该狭缝处残留的气体继续吸热长大形成大气泡从而被排走。当持续用激光加热时，在该处连续形成气泡，从而能持续强化流体的混合；当停止激光加热时，由于激光点热源加热方式温控特性非常灵敏；迅速，即该汽化核心处无外加热源，因而不会产生气泡，从而停止对流体的混合。该装置只有在具有汽化核心的地方才产生气泡，通过激光点热源加热的方法，可以灵活地控制欲产生气泡的位置，而没有激光点热源加热的地方不会产生气泡。因此，我们可以在微流控芯片内任意处人工制造汽化核心，通过借助激光引诱该汽化核心产生气泡强化流体的混合，具有高度的可调和性。

此外，该方法适用于任何形状结构的反应器，我们只要在需要强化混合的地方制造汽化核心就可以实现强化流体的混合，具有高度的可适用性。

作为优选的，所述出流通道包括梳形段和汇流段，该梳形段为梳子形状，该梳形段的一端与混合通道相连，另一端与汇流段的一端相连，该汇流段的另一端设有出流孔与微流控芯片外部相通。由于梳形段为梳子形状，该梳形段的每一通道宽度均比气泡直径小，因此可以有效的防止气泡从出流段流出，仅从混合通道右端的出气孔排出，混合后的液体从梳形段流出，在汇流段汇合，并通过出流孔排出。

作为优选的，在步骤b和步骤c之间插入步骤b1，在第一片聚二甲基硅氧烷一侧设置高摄和信号采集系统，将高摄对准微流控芯片，该高摄与信号采集系统相连，通过信号采集系统对采集的微通道内的流动过程进行处理，且该高摄和激光器分别位于微流控芯片两侧。由于微通道尺寸较小，通过高摄能够更好的采集混合过程中的影像。

作为优选的，在步骤c中，所述激光器的激光发射端还设置有物镜，更够更好的聚焦激光光斑的直径。

本发明的有益效果是：本发明采用激光器对汽化核心加热产生气泡来强化流体的混合，大大提高了混合效果，同时激光点热源加热方式其温控特性优越，可以通过调节激光功率实现气泡产生速率和大小的控制。

附图说明

图1是本发明在混合状态下的示意图。

图2是本发明中第一片聚二甲基硅氧烷的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本实施例包括以下步骤：

a、在硅片上制作出微通道模具，同时在一块很薄的钢片上加工一个圆孔，该圆孔的直径小于微通道的直径，将钢片盖在硅片模具表面，透过圆孔在微通道模具上喷涂SiO₂溶液，然后将聚二甲基硅氧烷溶液倾倒在硅片上放在加热板上烘烤，烘烤完毕后，将烤硬的第一片聚二甲基硅氧烷5从硅片上撕下来，则在第一片聚二甲基硅氧烷5的表面形成微通道8，该微通道8包括至少两个进流通道8a和一个混合通道8b，所述进流通道8a的左端均设有进流孔8c，该进流孔8c与第一片聚二甲基硅氧烷5外设置的注射泵7相连，该进流通道8a的右端交汇在混合通道8b的左端，通过加热烘烤的方式SiO₂颗粒转贴到混合通道8b内壁形成汽化核心9，所述该混合通道8b的右端设有出气孔8d与第一片聚二甲基硅氧烷5外部相通；所述下层聚二甲基硅氧烷6上还开设出流通道10，该出流通道10的一端连接到靠近该混合的右端，所述出流通道10包括梳形段10a和汇流段10b，该梳形段10a为梳子形状，该梳形段10a的一端与混合通道8b相连，另一端与汇流段10b的一端相连，该汇流段10b的另一端设有出流孔10c与微流控芯片外部相通；

b、将第一片聚二甲基硅氧烷5与平整的第二片聚二甲基硅氧烷6贴合在一起，使第一片聚二甲基硅氧烷5上的微通道8朝向第二片聚二甲基硅氧烷6；

b1、在第一片聚二甲基硅氧烷5一侧设置高摄3和信号采集系统4，将高摄3对准微流控芯片，该高摄3与信号采集系统4相连，且该高摄3和激光器2分别位于微流控芯片两侧；

c、将激光器2垂直置于第二片聚二甲基硅氧烷5一侧，激光器2的激光发射端对准汽化核心9，激光器2的激光发射端还连接有物镜11；

d、从各个进流孔8c分别注入需要混合的液体，液体流入到混合通道8b中混合；

e、启动激光器2，使激光器2对汽化核心9处加热形成气泡；

f、气泡在混合通道8b内阻碍扰乱流体的流动，促使流体横向流动，从而实现强化流体的混合，混合后的液体从混合通道8b上连接的出流通道10中流出。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，例如用其他的具有光学透明、化学惰性、良好的生物兼容性，耐用，无毒，不易燃，导热系数低等特点的材质来代替聚二甲基硅氧烷，例如用其他的具有高熔点、粒径小等特征的材质来代替SiO2，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种微通道内强化流体混合的方法，其特征是包括以下步骤：

a、通过软光刻技术在硅片上制作出微流通道模具，同时在一块很薄的钢片上加工一个圆孔，该圆孔的直径小于微流通道的宽度，将钢片盖在硅片模具表面，透过圆孔在微流通道模具上喷涂SiO₂溶液，然后将聚二甲基硅氧烷溶液倾倒在硅片上再放在加热板上烘烤，烘烤完毕后，将烤硬的第一片聚二甲基硅氧烷(5)从硅片上撕下来，则通道结构在第一片聚二甲基硅氧烷(5)的表面形成微流通道(8)，该微流通道(8)包括至少两个进流通道(8a)和一个混合通道(8b)，所述进流通道(8a)的左端均设有进流孔(8c)与第一片聚二甲基硅氧烷(5)外部相通，该进流通道(8a)的右端交汇在混合通道(8b)的左端，通过烘烤加热后SiO₂颗粒转贴到混合通道(8b)内壁形成汽化核心(9)，所述混合通道(8b)的右端设有出气孔(8d)与第一片聚二甲基硅氧烷(5)外部相通，所述第一片聚二甲基硅氧烷(5)上还开设出流通道(10)，该出流通道(10)的一端连接到靠近混合通道(8b)靠近的右端；

b、将第一片聚二甲基硅氧烷(5)与平整的第二片聚二甲基硅氧烷(6)贴合在一起，使第一片聚二甲基硅氧烷(5)上的微流通道(8)朝向第二片聚二甲基硅氧烷(6)；

c、将激光器(2)垂直置于第一片聚二甲基硅氧烷(5)一侧，激光器(2)的激光发射端对准汽化核心(9)；

d、从各个进流孔(8c)分别注入需要混合的液体，液体流入到混合通道(8b)中混合；

e、启动激光器(2)，使激光器(2)对汽化核心(9)处加热形成气泡；

f、气泡在混合通道(8b)内阻碍扰乱流体的流动，促使流体横向流动，从而实现强化流体的混合，混合后的液体从混合通道(8b)上连接的出流通道(10)中流出。

2.如权利要求1所述的一种微通道内强化流体混合的方法，其特征是：所述出流通道(10)包括梳形段(10a)和汇流段(10b)，该梳形段(10a)为梳子形状，该梳形段(10a)的一端与混合通道(8b)相连，另一端与汇流段(10b)的一端相连，该汇流段(10b)的另一端设有出流孔(10c)与微流控芯片外部相通。

3.如权利要求1所述的一种微通道内强化流体混合的方法，其特征是：在步骤b和步骤c之间插入步骤b1，在第一片聚二甲基硅氧烷(5)一侧设置高摄(3)和信号采集系统(4)，将高摄(3)对准微流控芯片，该高摄(3)与信号采集系统(4)相连，且该高摄(3)和激光器(2)分别位于微流控芯片两侧。

4.如权利要求1所述的一种微通道内强化流体混合的方法，其特征是：在步骤c中，所述激光器(2)的激光发射端还连接有物镜(11)。