CN105478045A - 一种柱状叶序排布展开结构的微混合器 - Google Patents

Abstract

一种柱状叶序排布展开结构的微混合器，包括上输入板、混合通道板和多个微圆柱，上输入板和混合通道板将多个微圆柱盖合在其内，其特征在于，微圆柱在混合通道内的排布规律符合满足生物学中叶序排布理论的Van？Iterson模型排布。由于微圆柱的排布满足Van？Iterson模型排布，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，当被混合的两种液体流过通道时，从而提高了液体的混合效率。

Description

一种柱状叶序排布展开结构的微混合器

技术领域

本发明涉及一种混合器，具体为一种柱状叶序排布展开结构的微混合器。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，是提供一种柱状叶序排布展开结构的微混合器。

采用的技术方案是：

一种柱状叶序排布展开结构的微混合器，包括上输入板、混合通道板和多个微圆柱，其特征在于：所述的上输入板盖设在混合通道板上方，上输入板的下端面周边与混合通道板的上端面周边之间通过环形密封部固定连接，使上输入板与混合通道板之间形成内腔，所述的内腔分为左、中、右三部分，具体为左部的排液腔，中部的混合腔和右部的入液腔，所述的混合腔中排布有多个微圆柱，多个微圆柱的上端均与上输入板的下端面固定连接，多个微圆柱的下端均与混合通道板的上端面固定连接，入液腔上方的上输入板开设有圆形被混合液体输入孔，排液腔上方的上输入板开设有混合后液体输出孔。

所述的微混合器的微圆柱排布符合生物学的叶序排布理论的VanIterson模型的平面展开形式，其在XOZ坐标系下的展开形式为：

z＝c*n，n＝0，1，2，…，n_max；即在XOZ坐标系下，n是微圆柱的排布序数，R为VanIterson模型中母体圆柱的半径，且R是一个常数值；c是在XOZ坐标系下微圆柱z轴方向上的分布常数，单位为mm；x和z分别为第n个微圆柱在XOZ坐标系上的位置坐标；θ为被展开母体圆柱上第n个微圆柱与第n+1个微圆柱之间在极坐标面上的极坐标夹角，且θ＝137.508°为满足黄金分割角；m为控制第n个微圆柱在XOZ坐标系下x轴方向上位置的序数。

所述的微圆柱设计是圆柱形，微圆柱的直径d控制Φ0.5mm～Φ1.5mm范围内，微圆柱的高度h在0.05mm～0.2mm范围内。

分布常数c可在0.035mm～0.075mm范围内选取，保证所有微圆柱的横截面面积之和与微混合器混合区域的面积比率应控制在35％～70％范围内。

所述的微圆柱是垂直排布在微混合器的混合通道板上。

发明的原理

本发明是基于生物学的叶序理论的VanIterson模型的平面展开形式设计出柱状叶序排布展开结构的微混合器，是一种用于微流控分析芯片中的被动式微混合器。

生物科学中叶序理论的VanIterson模型是揭示生物种子或籽粒在圆柱表面排列规律的一个数学模型，它沿着其母体圆柱进行平面展开后，仍然符合生物种子或籽粒的叶序排布的基本规律，其在XOZ坐标系下的展开形式为：

z＝c*n，n＝0，1，2，…，n_max；即在XOZ坐标系下，n是籽粒的排布序数，R为VanIterson模型中母体圆柱的半径，且R是一个常数值；c是在XOZ坐标系下籽粒z轴方向上的分布常数，单位为mm；x和z分别为第n个籽粒在XOZ坐标系上的位置坐标；θ为被展开母体圆柱上第n个籽粒与第n+1个籽粒之间在极坐标面上的极坐标夹角，且θ＝137.508°为满足黄金分割角；m为控制第n个籽粒在XOZ坐标系下x轴方向上位置的序数。

圆柱状叶序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。当圆柱状叶序排布展开到平面结构以后，柱状叶序排布的特征仍然被保留下来。

在设计柱状叶序排布展开结构的微混合器时，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表面的排布就可以生物学的叶序排布理论的VanIterson模型的平面展开形式排布，其在XOZ坐标系下的展开形式为：

z＝c*n，n＝0，1，2，…，n_max；即在XOZ坐标系下，n是微圆柱的排布序数，R为VanIterson模型中母体圆柱的半径，且R是一个常数值；c是在XOZ坐标系下微圆柱z轴方向上的分布常数，单位为mm；x和z分别为第n个微圆柱在XOZ坐标系上的位置坐标；θ为被展开母体圆柱上第n个微圆柱与第n+1个微圆柱之间在极坐标面上的极坐标夹角，且θ＝137.508°为满足黄金分割角；m为控制第n个微圆柱在XOZ坐标系下x轴方向上位置的序数。

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是菠萝和冷杉果叶序结构排布图。

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，4是果实母体。

图2是菠萝和冷杉果籽粒的叶序结构排布VanIterson模型在XOZ坐标系下的展开形式图。

图2中的5是籽粒点，6是顺时针籽粒点叶列线螺旋，7是逆时针籽粒点叶列线螺旋，8是第n个籽粒点，9是第n+1个籽粒点，10是第n+2个籽粒点，11是顺时针籽粒点间的叶列线螺旋沟，12是逆时针籽粒点间的叶列线螺旋沟。

图3是混合通道板。

图3中的13是具有微圆柱叶序排布的混合区域，14是微圆柱，15是排液腔，16入液腔，17是顺时针叶列线螺旋沟，18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是柱状叶序排布展开结构的微混合器的结构图。

图7是图6中的A-A剖视图。

图7中的19是微型混合器的上输入板，20是混合通道板，21是圆形的被混合液体输入孔，22是圆形的混合后液体输出孔。

图8是第一种分布常数c对微圆柱排布状态的影响图。

图9是第二种分布常数c对微圆柱排布状态的影响图。

图10是第三种分布常数c对微圆柱排布状态的影响图。

图11是第四种分布常数c对微圆柱排布状态的影响图。

具体实施方式

1)首先根据微混合器使用功能要求确定出图3中混合通道板20上的混合区域13的宽度、长度和腔体深度，且腔体深度与微圆柱高度相等。

2)根据图1和图2中的VanIterson模型在XOZ坐标系下的展开形式图，以图3中的混合区域13的一个角作为微圆柱排布在XOZ坐标系下排布坐标原点，设计微圆柱14在图3中的叶序排布图案。并且给出相应的排液腔15和入液腔16。微圆柱的直径d控制Φ0.5mm～Φ1.5mm范围内，微圆柱的高度h在0.05mm～0.2mm范围内。

3)分别设计出图4中的上输入板19，并给出圆形的被混合液体输入孔21和圆形的混合后液体输出孔22。

4)通过改变VanIterson模型中的分布常数c，得到不用分布常数下的微圆柱的排布形式。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13端面面积的比率控制在35％～70％范围内。通过图8、9、10、11中不同分布常数c下微圆柱的分布情况可知，分布常数c影响微圆柱排布的疏密程度；c值越大，微圆柱排布的越稀疏。c的取值范围为0.035mm～0.075mm。

5)图4中的微型散热器的上输入板19和混合通道板20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，按照上述实施过程设计某两种液体的微混合器，选择混合区域13的宽度、长度和腔体深度分别为3mm、6mm和0.1mm，确定使用被产开母体圆柱半径R＝1mm，微圆柱14的高度h＝0.1mm。选取微圆柱14的直径d＝Φ0.5mm，分布系数c＝0.05mm，则所有微圆柱的横截面面积之和与微混合器混合区域的面积比率应控制在62.5％。

Claims (4)

1.一种柱状叶序排布展开结构的微混合器，包括上输入板、混合通道板和多个微圆柱，其特征在于：所述的上输入板盖设在混合通道板上方，上输入板的下端面周边与混合通道板的上端面周边之间通过环形密封部固定连接，使上输入板与混合通道板之间形成内腔，所述的内腔分为左、中、右三部分，具体为左部的排液腔，中部的混合腔和右部的入液腔，所述的混合腔中排布有多个微圆柱，多个微圆柱的上端均与上输入板的下端面固定连接，多个微圆柱的下端均与混合通道板的上端面固定连接，入液腔上方的上输入板开设有圆形被混合液体输入孔，排液腔上方的上输入板开设有混合后液体输出孔。

所述的微混合器的微圆柱排布符合生物学的叶序排布理论的VanIterson模型的平面展开形式，其在XOZ坐标系下的展开形式为：

n＝0,1,2，...,n_max；即在XOZ坐标系下，n是微圆柱的排布序数，R为VanIterson模型中母体圆柱的半径，且R是一个常数值；c是在XOZ坐标系下微圆柱z轴方向上的分布常数，单位为mm；x和z分别为第n个微圆柱在XOZ坐标系上的位置坐标；θ为被展开母体圆柱上第n个微圆柱与第n+1个微圆柱之间在极坐标面上的极坐标夹角，且θ＝137.508°为满足黄金分割角；m为控制第n个微圆柱在XOZ坐标系下x轴方向上位置的序数。

2.根据权利要求1所述的一种柱状叶序排布展开结构的微混合器，其特征在于：所述的微圆柱设计是圆柱形，微圆柱的直径d控制Ф0.5mm～Ф1.5mm范围内，微圆柱的高度h在0.05mm～0.2mm范围内。

3.根据权利要求1所述的一种柱状叶序排布展开结构的微混合器，其特征在于：所述的分布常数c可在0.035mm～0.075mm范围内选取，保证所有微圆柱的横截面面积之和与微混合器混合区域的面积比率应控制在35％～70％范围内。

4.根据权利要求1所述的一种柱状叶序排布展开结构的微混合器，其特征在于：所述的微圆柱是垂直排布在微混合器的混合通道板上。