CN106268472B - 一种用于被动微混合器的倒v形多级混合阵列结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于被动式微混合器的倒V形多级混合阵列结构，其应用涉及微全分析系统和微流控芯片中微流体混合及其相关领域。该倒V形多级混合阵列结构是由若干挡板按照V形依次等间距平行排布，且与沟道侧壁间距依次递减的矩形阵列构成。相比之下，加入倒V形多级混合阵列结构的被动微混合器与单纯改变沟道外形的平面被动式微混合器相比，增加了成涡结构、分合流结构以及十字形混合结构，该微混合器明显提高了通道内微流体的混合效率。

Description

一种用于被动微混合器的倒V形多级混合阵列结构
技术领域
本发明属于微流控系统控制技术领域，具体涉及一种用于被动微混合器的倒V形多级混合阵列结构。
背景技术
自20世纪90年代微全分析系统(μTAS，Micro total analysis systems)被提出，作为其重要组成的微流控(microfluidics)芯片是集采样、稀释、混合、反应、检测、分离等于一体的系统，以其小巧、廉价、便携、低试样消耗量、反应速率快、分析精度高等诸多优点，在化学工程、生物检测、便携医疗等领域得到广泛的应用前景。
作为分析、检测功能为主的微流控芯片的重要组件——微混合器在微流控芯片功能实现过程中起到至关重要的作用。如，在生物检测等应用领域，样品与检测液在到达反应室之前能否充分混合直接关系到分析速率以及分析结果的准确性。
由于微流控沟道一般在微米及微纳范围内，该尺度下，雷诺系数基本处于0-1之间，液体处于层流状态，液体主要依靠组分间相互扩散进行混合，导致其混合效率低。为了提高溶液混合效率，科研人员研究制造出多种不同结构类形的微混合器。
目前，常见的微流控混合器可分为主动式微混合器和被动式微混合器。主动式微混合器主要通过施加外力实现溶液的混合，如磁致、电致和超声混合器等；被动式微混合器主要通过变换微通道几何形状来促使流体混合，如T-Y构形微混合器、分流合并式微混合器、混沌式微混合器等，由于被动式微混合器是一种无外部影响的独立混合系统，这样避免了外界因素对混合溶液的影响，并且该类混合器相对于主动式混合器具有结构简单、加工成本低、使用简单。
但是，目前被动混合器仍然存在混合效率低、制备工艺仍然不够简化等问题。因此，设计一种既能提高混合效率、同时制作简单的微混合器具有重大的现实意义。
发明内容
针对被动微混合器混合效率低问题，本发明公开了一种用于平面被动式微混合器的倒V形多级混合阵列结构，通过在微混合器流道中制作倒V形多级矩形阵列，破坏液体流动状态，产生涡流效果和分合流效果，促进流体的混合。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于被动微混合器的倒V形多级混合阵列结构，包括若干挡板，所述若干挡板按照倒V形排列成多级挡板结构，其中第一级为一块挡板，在V形的底部，其它每一级含有两块挡板，位于同一级的两块挡板之间隔开一定距离。
优选地，所述挡板为矩形。
优选地，第一级挡板位于流道的正中间且其长边与流体流动方向垂直，其它各级挡板平行于第一级挡板；同一级的两块挡板关于流道的中间呈镜像对称；同一级的两块挡板间的距离大于上一级的两块挡板间的距离；同一级的两块挡板的远离流道中间的一侧较上一级挡板更靠近流道侧壁。
一种被动式微混合器，在其流道内设有如上所述的用于被动微混合器的倒V形多级混合阵列结构。
进一步地，所述倒V形多级混合阵列结构为单个，或者为串联的多个。
进一步地，根据流道实际走势设置所述倒V形多级混合阵列结构的排布方式及分布位置，保持其结构为倒V形或类似倒V形；所述倒V形多级混合阵列结构位于平直流道中，或者位于弯曲流道的拐弯处。
本发明的工作原理是：进入混合器流道的多组分流体流经各个挡板两侧时，在挡板后面形成两个小涡流，液体改变其原有流动状态，增强各组分之间的混合；同时，溶液流经各级挡板时，均由挡板靠近流道侧壁一侧分开，部分溶液在该级挡板靠近流道中线一侧混合，使得溶液完成第二次混合；接下来溶液在各级挡板靠近流道中线一侧实现第三次混合。
本发明的有益效果如下：
本发明的倒V形多级混合阵列结构，通过在微混合器流道中制作倒V形多级矩形阵列，破坏液体流动状态，产生涡流效果和分合流效果，促进流体的混合；其结构简单、加工容易，能够实现微流控芯片中多种液体之间的快速均匀混合，缩短混合时间，提高混合效率。
本发明设计的倒V形多级混合阵列结构，不仅用于单一微混合器，还可以方便地集成到更为复杂的微流控系统制作过程中；并且，其在微流通道中的排布，可以是单个倒V形，亦可为多个倒V形结构串联使用，以实现在有限的流道长度内增强混合效果的目的。本发明的倒V形多级混合阵列结构可以用于平面被动微混合器，也可以用于立体微流道的平面单元部分。
附图说明
图1是倒V形多级混合阵列结构以及微流体在该结构中的流动方式示意图。
图2是单个用于平直流道的被动式微混合器的倒V形多级混合阵列结构示意图。
图3是单个用于弯曲流道的被动式微混合器的倒V形多级混合阵列结构示意图。
图4是多个用于平直流道被动式微混合器的倒V形多级混合阵列结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。
图1是本发明的倒V形多级混合阵列结构以及微流体在该结构中的流动方式示意图。对该结构具体说明如下：
1.用于被动式微混合器的倒V形多级混合阵列结构由矩形挡板按照倒V形排布在流道内，V形结构的开口方向与流体流动方向相反。本发明中挡板优选采用矩形，其混合效果好，但本发明不受此限制，在其它实施例中也可以采用其它形状的挡板。在构成倒V形的多级挡板结构中，各级挡板间可以等间距排布，也可以不采用等间距的形式。
2.位于V字形底部的挡板称为第一级挡板，由一块位于混合器沟道正中间且其长边与流道中线垂直的矩形挡板构成。
3.倒V形多级混合阵列结构可以位于微混合器的平直流道，也可以位于弯曲流道的拐弯处。位于平直流道时，第二级挡板由两块平行于第一块挡板的矩形挡板构成，二者之间拉开一定距离，且关于流道中间镜像对称，并且远离流道中间的一侧较第一块挡板更靠近流道侧壁。位于弯曲流道时，只要保证两块挡板距离流道中心的间距相等且挡板垂直于流道中线即可。本发明的倒V形多级混合结构可以根据流道实际走势，灵活设计其排布方式及分布位置，只要保持其结构为倒V形或类似倒V形均可。
4.第三级挡板同样由两块平行于第一块挡板的矩形挡板构成，中间间距大于第二级挡板，且两块挡板的远离流道中间一侧较第二级挡板更靠近流道侧壁。
5.之后各挡板依次排布，直至远离中间的侧边与侧壁重合，倒V形多级混合阵列结构排布结束。本发明通过在微混合器流道内制作与入口呈倒V形的矩形阵列挡板，当流体流经倒V形的矩形阵列挡板时会产生涡流、分合流混合和十字形混合效果，破坏液体原流动状态，促进流体的混合。
6.优选地，各级挡板中，第一级挡板最长，但其长度不大于沟道宽度的二分之一，其余各级挡板长度相等且小于第一级挡板；各级挡板距离流道两侧壁的间距由第一级挡板按照等差数列递减，直至与侧壁重合。在其它实施例中，除第一级挡板外，其余各级挡板的长度也可以不等长；各级挡板距离流道两侧壁的间距也可以不按照等差数列递减，只要与侧壁的间距逐渐缩小即可。
7.每块挡板均为一个成涡结构；且除第一级挡板外，各挡板与其两侧的狭缝以及整个倒V形结构构成分合流结构；两级挡板之间的流道以及各级挡板之间的流道构成十字形混合结构。
8.本发明的工作原理是：进入混合器流道的多组分流体流经各个挡板两侧时，在挡板后面形成两个小涡流，液体改变其原有流动状态，增强各组分之间的混合；同时，溶液流经各级挡板时，均由挡板靠近流道侧壁一侧分开，部分溶液在该级挡板靠近流道中线一侧混合，使得溶液完成第二次混合；接下来溶液在各级挡板靠近流道中线一侧实现第三次混合。
本发明的倒V形多级混合阵列结构，其在微流通道中的排布，可以是单个倒V形，亦可为多个倒V形串联使用，以实现在有限的流道长度内增强混合效果的目的。图2中示意了在平直微流道中单个倒V形多级混合阵列结构，流体A和流体B经过该结构后混合成流体AB。图3中示意了在弯曲微流道中单个倒V形多级混合阵列结构，流体A和流体B经过该结构后混合成流体AB。图4中示意了三个(也可以是更多个)倒V形多级混合阵列结构。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种用于被动微混合器的倒V形多级混合阵列结构，其特征在于，包括若干挡板，所述若干挡板按照倒V形排列成多级挡板结构，其中第一级为一块挡板，在V形的底部，其它每一级含有两块挡板，位于同一级的两块挡板之间隔开一定距离。
2.如权利要求1所述的倒V形多级混合阵列结构，其特征在于：所述挡板为矩形。
3.如权利要求1所述的倒V形多级混合阵列结构，其特征在于：所述多级挡板结构中的各级挡板等间距排布。
4.如权利要求1所述的倒V形多级混合阵列结构，其特征在于：第一级挡板位于流道的正中间且其长边与流体流动方向垂直，其它各级挡板平行于第一级挡板。
5.如权利要求4所述的倒V形多级混合阵列结构，其特征在于：同一级的两块挡板关于流道的中间呈镜像对称；同一级的两块挡板间的距离大于上一级的两块挡板间的距离；同一级的两块挡板的远离流道中间的一侧较上一级挡板更靠近流道侧壁。
6.如权利要求5所述的倒V形多级混合阵列结构，其特征在于：各级挡板与流道两侧壁的距离由第一级挡板按照等差数列递减，直至与流道的侧壁重合。
7.如权利要求1所述的倒V形多级混合阵列结构，其特征在于：第一级挡板的长度不大于流道宽度的二分之一，其余各级挡板长度相等且小于第一级挡板的长度。
8.一种被动式微混合器，其特征在于，在其流道内设有权利要求1至7中任一权利要求所述的用于被动微混合器的倒V形多级混合阵列结构。
9.如权利要求8所述的被动式微混合器，其特征在于：所述倒V形多级混合阵列结构为单个，或者为串联的多个。
10.如权利要求8所述的被动式微混合器，其特征在于：根据流道实际走势设置所述倒V形多级混合阵列结构的排布方式及分布位置，保持其结构为倒V形；所述倒V形多级混合阵列结构位于平直流道中，或者位于弯曲流道的拐弯处。
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