CN105771763B - 射流破坏高浓度梯度微流混合芯片 - Google Patents

射流破坏高浓度梯度微流混合芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种射流破坏高浓度梯度微流混合芯片，包括相互连通的中央通道、侧通道和混合通道，以及与混合通道一体成型或连通的出口通道；所述混合通道中设置有多行周期性排列的弧边三角形结构，以使流体发生分裂、复合及混沌对流；所述弧边三角形结构的两条弧边为两个等直径的相切圆的圆弧部，另一边为两个等直径的相切圆的切线。本发明的结构破坏了射流，使得被稀释物质浓度大幅度降低，并且被稀释物质均匀分布在通道内，无需跟踪射流，大大降低了检测难度，提高了实验可靠性。同时，本发明制作工艺简单，仅需一次平面光刻就可形成混合区结构，无需多次曝光、对准工艺，简化了制作流程。

Description

射流破坏高浓度梯度微流混合芯片
技术领域
本发明涉及一种微流混合芯片，尤其是一种射流破坏高浓度梯度微流混合芯片。
背景技术
近年来，芯片实验室(Lab-on-a-chip)已经在生物、化学、医学等领域获得广泛的研究和应用，微流混合器是其中重要组成部分，在要求快速反应的过程中必须用到微流混合器。
目前大部分双流体微流混合芯片都是将其中一种流体浓度降低为50％，对于有些应用场合，如蛋白质折叠研究，要求快速大幅度降低变性剂浓度以触发折叠反应是远远不够的。基于射流的微流混合器是可以实现大幅度降低其中一种流体浓度的，但是该类型混合器还存在无法探测低灵敏度探针和试验可靠性较低的问题。
发明内容
发明目的：提供一种射流破坏高浓度梯度微流混合芯片，以解决现有技术存在的上述问题。
技术方案：一种射流破坏高浓度梯度微流混合芯片，包括相互连通的中央通道、侧通道和混合通道，以及与混合通道一体成型或连通的出口通道；所述混合通道中设置有多行周期性排列的弧边三角形结构，以使流体发生分裂、复合及混沌对流；所述弧边三角形结构的两条弧边为两个等直径的相切圆的圆弧部，另一边为两个等直径的相切圆的切线。
在进一步的实施例中，在混合通道中，弧边三角形结构形成错落排列的奇数行和偶数行。位于奇数行中的弧边三角形结构和位于偶数行中的弧边三角形结构的尺寸不相同。所述混合通道的宽度为300微米，在奇数行中的弧边三角形结构宽度为100微米，间隔为50微米；在偶数行中且与混合通道边缘接触的弧边三角形结构的宽度为150微米，与混合通道边缘非接触的弧边三角形结构的宽度为100微米，间隔为42.5微米。
一种射流破坏高浓度梯度微流混合芯片，包括混合区，所述混合区中设置有周期性排列的弧边三角形结构，使流体发生分裂和复合，并产生混沌对流，从而加速混合。
有益效果：使用本发明提供的微流控混合芯片结构，混合区短至2～3mm即可实现被稀释物浓度降至10％以下，即混合时间可短至2ms左右，满足大幅度浓度变化触发生化、生物物理反应动力学研究的需求；本发明提供的微流混合芯片结构破坏了射流，，使得被稀释物质浓度大幅度降低，并且被稀释物质均匀分布在通道内，出混合区后整个观察通道内被研究物质均匀混合，无需跟踪射流，大大降低了检测难度，提高了实验可靠性；本发明制作工艺简单，仅需一次平面光刻就可形成混合区结构，无需多次曝光、对准工艺，简化了制作流程。
附图说明
图1为射流破坏高浓度梯度微流混合芯片结构示意图。
图2为射流破坏高浓度梯度微流混合芯片工作示意图。
图3为本发明中混合区结构示意图。
图4为本发明中弧边三角形结构示意图。
图5为混合区内流线分布图。
图6为射流破坏高浓度梯度微流混合芯片内被稀释液浓度分布(雷诺数＝90)。
具体实施方式
为解决现有技术存在的上述问题，申请人进行了深入地研究，认为现有技术存在以下缺点：
一、射流型微流混合器件尺寸十分小，一般通道宽度10um左右，形成的射流仅100nm，造成检测区域十分微小，检测要求高，对于低灵敏度的探针，如吸收、拉曼等几乎无法探测。
二、射流轨迹由实验状态决定，且宽度极窄，一旦实验状态发生不可预测的改变，射流将偏离预定轨迹，导致难以检测，实验可靠性低。
为此，申请人提出了如下技术方案。
如图1所示，本发明的射流破坏高浓度梯度微流混合芯片主要由中央通道1、侧通道2、混合区3和观察通道(出口通道)4组成。
其中混合区3由弧边三角形结构11按一定布局周期排列而成，具体地，它由两个等大的相切圆与它们的公切线围成的类似于等腰三角形的图形。但是，需要特别注意的是，与普通的直边等腰三角形不同，本发明弧边三角形结构的两个底角无限趋近于零，因此可以诱导流体在此处可以形成最大的XY速度分量比；该弧边三角形将等腰三角形的边变成了圆弧，具有更小的面积，故通道具有更大的混合空间，这是在任何现有技术中都没有提及的内容。
该射流破坏高浓度梯度微流混合芯片的工作过程如图2所示，中央通道通入被稀释液5，侧通道通入稀释液6，三股流体相遇之后，被稀释液受到来自两侧的稀释液的压力形成射流7。射流进入混合区后，被按一定布局设置的弧边三角形结构诱导，发生分裂-复合，射流被迅速破坏，并形成如图5所示的漩涡，从而产生混沌对流，更有效地加速混合，在混合区内实现快速高浓度梯度变化。出混合区后，射流不复存在，两种溶液在观察通道4内已均匀混合，且被稀释液浓度降至10％以下，如附图6所示。
如图3所示，本实施例的一个周期结构8由四行弧边三角形结构组成，奇数行与偶数行错落排列，并使其分别与左右边界接触形成缺口状。所需周期数、弧边三角形尺寸与间距由流速、器件尺寸和所需达到的稀释效果决定。
本实施例中一个周期内的尺寸参数如下：通道宽度300um，奇数行的弧边三角形宽100um，间隔50um，偶数行与通道边缘接触的弧边三角形结构宽150um，另一弧边三角形100um，间隔42.5um，各行弧边三角形之间间隔37.5um。该实例能够使流体在通道内左右大幅度流动从而产生大量的涡流，进而将被稀释剂形成的射流迅速的破坏并均匀分布在通道内。对于雷诺数大于50及小于1的情况，该实例能够在5个周期数内完成射流破坏。当雷诺数大于1小于50时，可适当的增加1-3个周期数亦可达到同样效果。而如果采用直边三角形，并且采用传统轴对称分布，要达到同样的技术效果则需要64行左右的三角形结构，因此本发明的结构具有意想不到的技术效果。
总之，申请人经研究后认为：在混合区设置一些障碍物，可诱导流体按其几何形状流动，分裂-复合，从而实现混合。其中XY速度分量比是个重要的影响因素，XY速度分量比越大，则混合效率越高。本发明中设置的弧边三角形结构，由于其两个底角无限趋近于零，因此能够提供最大的XY速度分量比，有效地提高了混合效率。此外，通过对弧边三角形结构进行合理布局，使得流体在混合区域内产生剧烈的漩涡，从而形成混沌对流，更有效地加速混合，在混合区内实现快速高浓度梯度变化。
简单地说，在本发明中，自三个入口通道汇集处始按一定布局设置弧边三角形结构，形成混合区，使流体发生分裂-复合及混沌对流，最大程度提高混合效率。经过混合区后，被稀释液浓度降为初始浓度的10％以下，实现快速高浓度梯度变化。混合区后为观察区，可检测样品在被稀释物浓度突然降低后的性质变化。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种射流破坏高浓度梯度微流混合芯片，其特征在于，包括相互连通的中央通道、侧通道和混合通道，以及与混合通道一体成型或连通的出口通道；所述混合通道中设置有多行周期性排列的弧边三角形结构，以使流体发生分裂、复合及混沌对流；所述弧边三角形结构的两条弧边为两个等直径的相切圆的圆弧部，另一边为两个等直径的相切圆的切线。
2.如权利要求1所述的射流破坏高浓度梯度微流混合芯片，其特征在于，在混合通道中，弧边三角形结构形成错落排列的奇数行和偶数行。
3.如权利要求2所述的射流破坏高浓度梯度微流混合芯片，其特征在于，位于奇数行中的弧边三角形结构和位于偶数行中的弧边三角形结构的尺寸不相同。
4.如权利要求3所述的射流破坏高浓度梯度微流混合芯片，其特征在于，所述混合通道的宽度为300微米，在奇数行中的弧边三角形结构宽度为100微米，间隔为50微米；在偶数行中且与混合通道边缘接触的弧边三角形结构的宽度为150微米，与混合通道边缘非接触的弧边三角形结构的宽度为100微米，间隔为42.5微米。
5.一种射流破坏高浓度梯度微流混合芯片，其特征在于，包括混合区，所述混合区中设置有周期性排列的弧边三角形结构，使流体发生分裂和复合，并产生混沌对流，从而加速混合；所述弧边三角形结构的两条弧边为两个等直径的相切圆的圆弧部，另一边为两个等直径的相切圆的切线。
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