CN105126684B - 一种端面叶序排布结构的微混合器 - Google Patents

一种端面叶序排布结构的微混合器 Download PDF

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Abstract

一种端面叶序排布结构的微混合器，是微流体混合领域的一种平面仿生表面结构的微混合器。微混合器由上输入板、混合通道板、下输出板三部分组成，其特点是混合通道板中的圆形混合区域内设有多个微圆柱，以便提高混合效率。微圆柱的排布规律满足生物科学中的叶序理论的H.Vogel模型。由于微圆柱的排布满足H.Vogel模型，使得微圆柱在混合通道中的排布实现几何互补和最大填充，并在微圆柱间形成了液体环绕流动通道，从而提高了混合效率。

Description

一种端面叶序排布结构的微混合器
技术领域
本发明属于微流控分析芯片技术领域，是一种端面叶序排布结构的微混合器。该微混合器的混合方式为被动式混合。
背景技术
微流控分析芯片是作为1990年提出的“微型全分析系统”(μTAS)主要发展方向，其目的是把整个体化验室的功能，包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在可多次使用的微芯片上。微混合器通道的结构是微流控分析芯片研究的重要方向之一,微流控分析芯片在微流体技术、生物医学系统、分析化学等领域扮演了重要角色。
流体混合就是将两种或多种不同的流体掺杂在一起，经搅拌或其他物理过程以形成一种均匀混合物的过程。从物理本质来看，混合是两种过程共同作用的结果:一是不同流体之间的扩散作用，即使在静止的区域内，流体之间也会由于固有的分子扩散作用而发生混合现象，这种扩散作用可以使待混合流体之间的浓度差逐渐缩小；另一种作用则是施加于待混合流体上的对流作用，它使待混合流体被分割、变形，并在整个混合域内重新分布，使得待混合流体之间相互混杂，这种作用可使不同流体间界面面积增加。
即使在微尺度条件下，单纯依赖扩散作用亦是无法达到完全混合的。分子扩散始终存在，但在流体单元变得足够小之前，其比表面积的大小不足以使扩散速率成为促进混合的最主要因素。扩散作用是由于分子的布朗运动产生的，驱动流体分子从浓度高处向浓度低处扩散由于微混合器的特征尺寸小,微混合器内流体的雷诺数Re一般小于100,几乎始终处于层流状态,难以快速、有效地混合。对微混合器结构做特定设计及设置阻碍块是实现微通道内流体迅速均匀混合的简便有效方法。
目前，为了能使液体混合更加快速和均匀。研究人员主要通过两种方式来提高被动式微混合器的混合效率。一是通过对被动式微混合器通道做特定的设计，二是通过在被动式微混合器通道内设置阻碍物的设计。
总而言之，无论是什么方式都是通过增强待混合流体上的对流作用，使待混合流体被分割、变形，并在整个混合域内重新分布，使得待混合流体之间相互混杂，进而增加不同流体间界面面积，促进不同的液体混合。
发明内容
本发明的目的是提供一种端面叶序排布结构的微混合器，用于微流控分析芯片中的被动式混合，进一步减小微流控分析芯片的体积、提高微流控分析芯片的分析效率。
一种端面叶序排布结构的微混合器，包括上输入板、混合通道板和下输出板。
混合通道板中部开设有混合区域，多个微圆柱设置在混合区域端面上，混合区域的腔体深度与多个微圆柱高度相等。
混合区域的边缘开设有多个排液微孔。
上输入板开设有被混合液体输入孔。
下输出板开设有液体收集腔，液体收集腔下方为开设在下输出板上的混合后液体输出孔。
上输入板和混合通道板固定连接，混合通道板和下输出板固定连接。
本发明是对微混合器内设置的多个微圆柱(或称阻碍块)进行有序化排布，微圆柱在微混合器混合区域内的排布规律满足籽粒在葵花盘表面分布规律，即揭示生物叶序排布的H.Vogel数学模型，其表达如下：φ＝n*θ，n＝0,1,2，...nmax。
其中，ρ为第n个籽粒在极坐标系下的极坐标半径，φ为第n个籽粒在极坐标系中的极坐标角度。n为籽粒的排布序数。θ为第n个籽粒与第n+1个籽粒之间的极坐标夹角，且θ＝137.508°，即为满足黄金分割角。c为籽粒在极坐标系中的极坐标半径方向上的分布常数,c单位为mm。这种排布结构是自然界生物为适应环境进化选择的结果，它使籽粒在几何空间上实现了最大填充和位置的互补，并且籽粒排布形成了一族顺时针的籽粒叶列线螺旋和一族逆时针的籽粒叶列线螺旋。
在设计端面叶序排布结构的微混合器时，如果把每个微圆柱看成一个籽粒，那么微圆柱在混合通道板上混合区域端面的排布位置就可以按照H.Vogel模型的描述进行排布，即φ＝n*θ，n＝0,1,2，...nmax。其中，ρ为第n个微圆柱排布位置的极坐标半径，φ为第n个微圆柱的极坐标系中排布位置的极坐标角度。n为微圆柱的排布序数。θ为第n个微圆柱与第n+1个微圆柱之间的极坐标夹角，且θ＝137.508°，即为满足黄金分割角。c为微圆柱在极坐标系中排布位置的极坐标半径方向上的分布常数,c可以毫米(mm)为单位选取。
其优点在于：
由于微混合器的混合区域内的微圆柱在几何位置上实现了黄金分割律排布，达到最大填充和位置互补，并在微圆柱间形成了顺时针和逆时针叶列线螺旋沟通道，使被混合的液体能够交互扩散流动，从而提高了混合效率。
附图说明
图1是葵花籽粒叶序结构排布图。
图1中的1是籽粒，2是顺时针籽粒叶列线螺旋，3是逆时针籽粒叶列线螺旋。
图2是葵花种子籽粒的叶序结构排布的H.Vogel数学模型图。
图2中的4是种子籽粒点，5是逆时针籽粒点叶列线螺旋，6是顺时针籽粒点叶列线螺旋，7是第n个籽粒点，8是第n+1个籽粒点，9是第n+2个籽粒点，10是顺时针籽粒点间的叶列线螺旋沟，11是逆时针籽粒点间的叶列线螺旋沟。
图3是混合通道板的主视图。
图3中的12是具有微圆柱叶序排布的圆形混合区域，13是微圆柱，14是排液微孔，15是顺时针叶列线螺旋沟，16是逆时针叶列线螺旋沟。
图4是图3中的A-A剖视图。
图5是图4中的B部放大图。
图6是端面叶序排布结构的微混合器的结构图。
图6中的17是微型混合器的上输入板，18是混合通道板，19是下输出板，20是圆形的被混合液体输入孔，21是下输出板的圆形的混合后液体输出孔，22下输出板的圆形的液体收集腔。
图7是第一种分布常数c对微圆柱排布状态的影响图。c＝0.8mm。
图8是第二种分布常数c对微圆柱排布状态的影响图。c＝0.9mm。
图9是第三种分布常数c对微圆柱排布状态的影响图。c＝1.0mm。
图10是第四种分布常数c对微圆柱排布状态的影响图。c＝1.2mm。
图11是第五种分布常数c对微圆柱排布状态的影响图。c＝1.4mm。
具体实施方式
一种端面叶序排布结构的微混合器，包括上输入板17、混合通道板18和下输出板19。
混合通道板18中部开设有混合区域12，多个微圆柱13一体设置在混合区域12端面上，混合区域12的腔体深度与多个微圆柱13高度相等。
多个微圆柱13上表面和上输入板17下表面相接触。
混合区域12的边缘开设有多个排液微孔14。
上输入板17开设有被混合液体输入孔20。
下输出板19开设有液体收集腔22，液体收集腔22下方为开设在下输出板19上的混合后液体输出孔21。
上输入板17和混合通道板18固定连接，混合通道板18和下输出板19固定连接。
1)首先根据微混合器使用功能要求确定出图3中混合区域12的直径和深度，混合区域12腔体深度与微圆柱13高度相等。
2)再根据图1和图2中的葵花籽粒的叶序结构排布规律和H.Vogel模型，以图3中的混合区域12的中心为排布中心，排布微圆柱13，并利用CAD软件设计微圆柱13在图3中的叶序排布图案，并且给出相应的排液微孔14。微圆柱13的直径d控制Ф0.5mm～Ф1.5mm范围内，微圆柱13的高度h在0.07mm～0.1mm范围内。
3)利用CAD软件分别设计出图6中的上输入板17和下输出板19，并给出圆形的被混合液体输入孔20、下输出板19的圆形的混合后液体输出孔21和下输出板19的圆形的液体收集腔22。
排液微孔14将混合后的液体输送到下输出板19的液体收集腔22中，从混合后液体输出孔21排出。
所述的排液微孔14均布在圆形混合区域12的最大半径圆周处。
4)通过改变H.Vogel模型中的分布常数c，得到不同分布常数下的微圆柱13的排布形式。通过控制c值的大小从而将微圆柱13总的截面面积混合区域12端面面积的比率控制在30％～70％范围内。通过图7(a)、8(b)、9(c)、10(d)、11(e)中不同分布常数c下微圆柱13的分布情况可知，分布常数c影响微圆柱13排布的疏密程度。c值越大，微圆柱13排布的越稀疏。c的取值范围为0.2mm～1.5mm。
5)图6中的微混合器的上输入板17、混合通道板18和下输出板19通过位置对中后，通过静电键合或粘接组装的方式形成相应的微混合器4。
例如上述实施过程中，根据被混合液体对象选取被混合液体输入孔20的直径可取Ф1mm，混合后液体输出孔21的直径可取Ф1mm，液体收集腔22的直径可取Ф5mm，液体收集腔22的深度可取0.2mm，圆形的排液微孔14的直径可取Ф0.2mm。根据被混合液体对象选取混合区域12腔体深度0.1mm，混合区域12直径为Ф5mm，则微圆柱13高度h为0.1mm。微圆柱13的直径d选为Ф0.8mm，选分布常数c为0.5mm，则保证所有微圆柱(13)的横截面面积之和与混合区域(12)的端面面积比率控制在64％。

Claims (5)

1.一种端面叶序排布结构的微混合器，用于微流控分析芯片中的被动式混合，包括上输入板(17)、混合通道板(18)和下输出板(19)；其特征在于：
混合通道板(18)中部开设有混合区域(12)，多个微圆柱(13)设置在混合区域(12)端面上；
混合区域(12)的边缘开设有多个排液微孔(14)；
上输入板(17)开设有被混合液体输入孔(20)；
下输出板(19)开设有液体收集腔(22)，液体收集腔(22)下方为开设在下输出板(19)上的混合后液体输出孔(21)；
上输入板(17)和混合通道板(18)固定连接，混合通道板(18)和下输出板(19)固定连接；
混合通道板（18）的混合区域（12）内的微圆柱（13）排布符合生物学的叶序排布理论的H.Vogel模型，即φ=n*θ，n=0,1,2，...nmax；其中，ρ为第n个微圆柱（13）排布位置的极坐标半径，φ为第n个微圆柱（13）的极坐标系中排布位置的极坐标角度；n为微圆柱（13）的排布序数；θ为第n个微圆柱（13）与第n+1个微圆柱（13）之间的极坐标夹角，且θ=137.508°，即为满足黄金分割角；c为微圆柱（13）在极坐标系中的极坐标半径方向上的分布常数,c单位为mm，通过上述排布，使得微混合器的混合区域内的微圆柱在几何位置上达到最大填充和位置互补；
所述的微圆柱（13）的直径d控制在Ф0.5mm～Ф1.5mm范围内，微圆柱（13）的高度h在0.07mm～0.1mm范围内；
所述的分布常数c在0.2mm～1.5mm范围内选取，保证所有微圆柱（13）的横截面面积之和与混合区域（12）的端面面积比率控制在30%～70%范围内。
2.根据权利要求1所述的一种端面叶序排布结构的微混合器，其特征在于：所述的微圆柱（13）是垂直排布在混合通道板（18）上，混合区域(12)的腔体深度与多个微圆柱(13)高度相等。
3.根据权利要求1所述的一种端面叶序排布结构的微混合器，其特征在于：被混合液体输入孔（20）、混合区域（12）、液体收集腔（22）和混合后液体输出孔（21）均为圆形。
4.根据权利要求3所述的一种端面叶序排布结构的微混合器，其特征在于：被混合液体输入孔（20）的中心与多个微圆柱（13）叶序排布中心重合；混合后液体输出孔（21）位于液体收集腔（22）中心；液体收集腔（22）的圆形直径与混合区域（12）的圆形直径相等。
5.根据权利要求4所述的一种端面叶序排布结构的微混合器，其特征在于：所述的排液微孔（14）均布在圆形混合区域（12）的最大半径圆周处。
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