CN106422924B

CN106422924B - 一种方波被动式微混合器

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Publication number: CN106422924B
Application number: CN201610853836.5A
Authority: CN
Inventors: 刘正春; 石环环; 董波; 聂凯旋
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2016-09-27
Filing date: 2016-09-27
Publication date: 2022-05-17
Anticipated expiration: 2036-09-27
Also published as: CN106422924A

Abstract

本发明公开了一种方波被动式微混合器，包括至少两个进液口、与所述进液口连通的入口通道、出口通道、用于连通所述入口通道和出口通道的至少一个混合单元；所述混合单元包括多个竖直设置的垂直通道，相邻两个垂直通道之间通过水平通道连通，使得混合单元内部整体连通；当所述混合单元数量为两个或两个以上时，第一个混合单元的入口与所述入口通道连通，第一个混合单元的出口为第二个混合单元的入口，以此类推，最后一个混合单元的出口与所述出口通道连通。本发明利用优化的方波通道与通道上半椭圆形的沟槽设计，结合两者的优势，在混合器结构引导介质在混合单元中产生混沌对流，显著地提高了低雷诺数液体的混合效率。

Description

一种方波被动式微混合器

技术领域

本发明涉及微流控芯片领域，特别是涉及一种具有椭圆形沟槽的方波被动式微混合器。

背景技术

微流体分析设备由于其具有设备紧凑，分析速度快，成本低等优点，已经成为对现有大型分析设备在分析检测领域的良好补充。密闭的微通道和腔体能够有效地隔离人与试剂的接触，保障人身安全以及避免了试剂的污染；反应速度加快，分析能力提高，强于宏观的人工操作；试剂消耗量为微升级别，甚至更低；能够以低成本大量生产，推广使用。其中微尺度下的微量液体混合在微全分析系统（μ-TAS）或芯片实验室中已经成为重要的微流体操作，微混合器也成为了微全分析系统中重要的前处理单元。采用微型器件实现液体的快速混合，有利于在芯片实现样本的快速处理和高通量分析。相较于宏观混合器，微混合器具有显著的优势，能够将试剂量的消耗降低到微米甚至更低的级别，混合速度和效率极大的提高，微型的体积易于集成在微全分析系统中。

目前文献报道的微混合器设计分为主动微混合器和被动微混合器。主动微混合器主要依赖外界动力（如超声，磁，机械搅拌等）实现对微通道内流体的扰动以达到混合效果，设计相对较为复杂，制作难度大。被动微混合器主要遵循拉伸和折叠流体通道以增大流体之间的接触面积，以促进扩散；通过优化微通道的设计，例如挡板或障碍，实现液体的分流或者增加通道中液体的混沌对流，以促进混合效率。由于被动微混合器无需任何外界动力，加工难度小，易于集成，所以二维平面微混合器目前仍是当前研究的热点。

由于在微观尺度下，流体雷诺数低，液体之间的混合主要依赖扩散，微混合器的实现手段大多是尽可能地将混合通道设计的复杂，拉伸和折叠流体，以增加液体之间的接触面积，促进扩散。然而，过于复杂的结构会增加加工工艺难度，以及增加通道中死体积的产生，影响芯片的制作成本以及使用寿命。所以，在微混合器通道的设计时，需要在尽可能的提高对流体的扰动的同时避免复杂的通道设计。

早在1989年，Jones等人就提出在扭曲的管道中层流流体能够产生混沌对流（Scott W Jones, O.M.T., Hassan Aref, Chaotic advection by laminar flow in a twisted pipe. J . Fluid Mech, 1989. 209），这种混沌对流能够促进液体的混合。基于此理念，最简单的微混合器模型就是锯齿型、S型和方波型混合通道。Hossain等人（Shakhawat Hossain, M.A.A., Kwang-Yong Kim, Evaluation of the mixing performance of three passive micromixers. Chemical Engineering Journal, 2009.150）对比了这三种微混合器的性能，结果显示方波混合器较其他两种混合器在混合效率上略有优势。Chen等人（Chen, X.Y., et al., Numerical and experimental investigation on micromixers with serpentine microchannels. InternationalJournal of Heat and Mass Transfer, 2016. 98: p. 131-140）采用数值模拟的方法也对几种蛇形通道的微混合器进行对比，也得出方波具有优势的结论。Ansari等人（Ansari,M.A., et al., Non-aligned bilayer square-wave bend microchannel for mixing.Journal of Mechanical Science and Technology, 2013. 27(12): p. 3851-3859）采用复杂的三维非对齐的双层方波混合器改进了原始的方波混合器设计，混合效率有所提升，但设计复杂。

上述文献都表明，方波的混合效率随着雷诺数的增加而增加，然而，在低雷诺数下的混合效率低，而大多数基于微流控芯片的生物化学流体都是低雷诺数流体，限制了方波混合器在低雷诺数下混合领域的应用。因此，有必要研制一种新型的方波混合器，提高其在低雷诺数时的混合效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种方波被动式微混合器。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种方波被动式微混合器，包括至少一个进液口、与所述进液口连通的入口通道、出口通道、用于连通所述入口通道和出口通道的至少一个混合单元；所述混合单元包括多个竖直设置的垂直通道，相邻两个垂直通道之间通过水平通道连通，使得混合单元内部整体连通；当所述混合单元数量为两个或两个以上时，第一个混合单元的入口与所述入口通道连通，第一个混合单元的出口为第二个混合单元的入口，以此类推，最后一个混合单元的出口与所述出口通道连通。

优选地，所述垂直通道和水平通道上均设有用于增加液体接触面积以及形成涡流促进液体混合的凸起。

所述垂直通道左右两侧、水平通道上下两侧均设有所述凸起，且所述垂直通道左右两侧的凸起交错布置，所述水平通道上下两侧的凸起交错布置，增加液体接触面积，促进液体混合。

所述凸起横截面为半椭圆形，进一步增加液体接触面积，促进混合。

所述椭圆凸起的长轴与短轴比例为1.25~1.85，进一步提高整体混合效率。

所述水平通道宽度与垂直通道宽度比为1~2.5，在提升了混合效率的同时，减小压力。

所述混合单元通道刻蚀的深度为50~200微米之间，保证混合单元的刻蚀工艺简单。

进液口数量为两个，分别设置在所述入口通道的两侧，且均与所述入口通道连通。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明在较宽雷诺数范围内增加了液体混合效率，尤其是能够克服传统方波混合器在低雷诺数下（Re=0.5~100）混合效率低的问题；无需加入任何外部装置，采用平面微混合器通道设计，无任何垂直方向上的复杂三维结构设计，加工简易，成本低廉，易于集成，适合于规模化生产应用，易于其在微流控分析系统中的集成；采用优化的方波结构，横纵通道之比在1.5~2.5范围内，在提高混合效率情况下，未造成入口与出口之间高压力降；椭圆形的沟槽设计，基于仿生学的原理（Wang,H.Y., et al., Spindle-shaped microfluidic chamber with uniform perfusion flows[J]. Microfluidics and Nanofluidics. 2013, 15: p. 839-845），其流线型通道能够在提高混和效率的同时，有效地避免液体残留，易清洗，实现微混合器的重复使用；避免了采用挡板等增加压力降的设计，相较于无沟槽设计的方波混合器，压力降随着雷诺数的增大有所降低，采用简单的半椭圆沟槽设计增强了混合的效果。

附图说明

图1为本发明微流体混合器的平面示意图；

图2为本发明微流体混合器的三维结构示意图；

图3（a）～图3（e）为方波混合单元在不同水平通道宽度/垂直通道宽度（w1/w2）比值下的混合性能；图3（f）为为方波混合单元在不同水平通道宽度/垂直通道宽度（w1/w2）比值下的混合性能对比；

图4（a）为不同微通道沟槽微通道的流线图；

图4（b）为非对称椭圆形沟槽微通道在不同雷诺数下的流线图；

图5（a）为本发明微流体混合器混合性能与混合单元周期数的关系的质量分数云图；

图5（b）为本发明微流体混合器混合性能与混合单元周期数的关系数值图；

图6（a）为本发明微流体混合器与普通方波混合器的混合效率对比；

图6（b）为本发明微流体混合器与普通方波混合器的压力降对比；

图7（a）本发明混合器通道X轴方向不同截面位置示意图；

图7（b）为本发明微流体混合器与普通方波混合器在混合通道的不同截面上的混合性能对比；

图8为本发明微流体混合器在有机溶剂与生物试剂条件下的混合性能对比；

图9（a）为本发明微流体混合器在不同刻蚀深度下的混合效率变化情况；

图9（b）为本发明微流体混合器在不同刻蚀深度下的压力降变化情况；

图10为本发明微流体混合器微通道上不同尺寸的椭圆凸起对混合效率的影响。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明包括两个进液口5、与所述进液口5连通的入口通道1、出口通道2、用于连通所述入口通道和出口通道的至少一个混合单元；所述混合单元包括多个竖直设置的垂直通道4，相邻两个垂直通道4之间通过水平通道3连通，使得混合单元内部整体连通；当所述混合单元数量为两个或两个以上时，第一个混合单元的入口与所述入口通道连通，第一个混合单元的出口为第二个混合单元的入口，以此类推，最后一个混合单元的出口与所述出口通道连通。

如图1，混合单元中的垂直通道和水平通道形成多个互相连通的U型和倒U型结构，U型和倒U型的直角部分用于快速改变液体流向，产生混沌对流，促进液体混合。

垂直通道4和水平通道3上均设有用于增加液体接触面积以及形成涡流促进液体混合的凸起6。

实施例一：方波通道设计

采用ANSYS Fluent软件对流体进行仿真模拟以测试混合器性能，采用的材料为水，密度为1000kg·m^-3，运动粘度为10^-6m²·s^-1，质量扩散系数为10^-9m²·s^-1。混合器的模型为三维，如图2所示，混合计算模型采用组分输运模型，通过观察混合后出口平面上组分的质量分数判断混合状况。两端的进液速度为0.04m/s，雷诺数为3.2。本实施例对方波混合单元，在不同的水平通道宽度（w1）/垂直通道宽度（w2）比值（0.5、0.8、1、2、4）情况下，测试了方波单元的性能。结果显示，如图3（a-e）所示随着w1/w2的增大，混合效率上升，虽然上升幅度不大，但是由于混合效率与周期数呈正比，所以单个周期混合效率的提高会导致混合器整体效率的显著提升；此外出口与入口之间的压力降也随w1/w2的值的增大而增加（如图3（f）所示），所以综合考虑提升混合效率与得到较小的压力降，本发明提出的w1/w2=1~2.5的通道设计（为了设计尺寸便捷，本实施例采用w1/w2=2），在提升了混合效率的同时，压力降小。

实施例二：优化的半椭圆型沟槽设计

本实施例研究了在方波混合单元通道的基础上增加不同圆形沟槽对流体的影响，在Re=1时，如图4（a）所示，分别对比了无沟槽、半圆形沟槽、3/4圆沟槽、半椭圆沟槽等情况的通道中的流动情况，通过对比上述情况下的质量分数流线图可知无任何沟槽的直线通道液体表现层流状态，混合仅仅依靠扩散；半圆形沟槽中的流线明显增大，因此增加了液体接触面积，促进了混合；3/4圆沟槽中流线较少，产生了涡流，液体接触面积并未增加，对混合促进较少；半椭圆形沟槽具有与半圆形沟槽相当的流线，且产生了涡流；且随着雷诺数的增加，半椭圆形沟槽中流线相对减少，涡流显著增加，且Re=0.1~100时（如图4（b）），都具有明显的二次流和涡流。在对比了对称半椭圆设计和非对称半椭圆设计后，发现本发明提出的非对称半椭圆的混合效率高。

实施例三：一种具有椭圆形沟槽的方波被动式微混合器混合性能与周期的关系

将半椭圆沟槽以非对称形式均匀分布在已优化的方波通道的两侧，如图1所示，液体分别从入口5进入微混合器，层流液体经过方波单元的直角转弯处，产生混沌对流，随后流经方波垂直通道上的凸起，产生由康达效应导致的混沌对流以及涡流，随后再次流经方波单元的直角转弯处，以此类推，在流经几个方波周期后，实现液体的充分混合。进液速度为0.5m/s，对应雷诺数为40。本实施例验证了增强型方波混合器性能与方波周期数的关系，一个周期的定义为垂直通道-水平通道-垂直通道-水平通道，结果表明（如图5（a）和图5（b）所示），混合效率随着周期数的增加而增加，基本呈线性关系，此外，入口与出口之间的压力降也与周期数呈正相关线性关系，在5个周期的情况下，能够达到接近90%的混合效率，使用本发明提出的椭圆形沟槽的方波被动式微混合器，选定混合单元周期数为5，已能够满足混合要求。

实施例四：相同周期数下，对比有无椭圆形沟槽设计条件下的混合器性能

在确定混合器单元设计以及混合器周期数后，本实施例在不同雷诺数下，对比了混合器性能的表现。实验采用计算机流体仿真，入口5所进液体均为水，密度为10³kg/m³，扩散系数为10^-9m²/s，动力粘度为10^-6m²/s，质量分数分别设为0和1。相同周期数下，对比有无椭圆形沟槽设计混合器混合性能。结果如图6（a）所示，具有椭圆形沟槽的方波混合器全面提高了在各个雷诺数下的微混合器的混合效率，克服了方波混合器在低雷诺数下混合效率低的难题，与Cheri等人（Cheri, M.S., et al., Simulation and experimental investigation of planar micromixers with short-mixing-length. ChemicalEngineering Journal, 2013. 234: p. 247-255）2013年在Chemical EngineeringJournal杂志上报道的挡板类型的平面混合器相比，在雷诺数=1~30范围内，本发明混合器混合效率提升显著；如图6（b）所示，本发明具有半椭圆沟槽的方波混合器相较于无沟槽设计的方波混合器，压力降随着雷诺数的增加呈现一定的下降，然而与Cheri等设计的挡板型混合器相比，本发明避免了现有的挡板类型设计的微混合器的压力降过高问题（雷诺数=40时，压力降已高达37500Pascal，而本发明中雷诺数=160时的压力降仅为8880Pascal）。

实施例五：本发明微流体混合器与普通方波混合器在不同截面上的混合情况对比

本实施例验证了本发明方波混合器在不同轴向长度的截面上的混合效率，截面位置如图7（a）所示。如图7（b）所示，其中0.2、0.4、 2、4、 20、 40、 80、160等表示普通方波混合器中流体雷诺数为0.2、0.4、 2、4、 20、 40、 80、160等的混合效率曲线，I-0.2、I-0.4、I-2、I-4、I-20、I-40、I-80、I-160等表示本发明方波混合器的雷诺数为0.2、0.4、 2、4、 20、40、 80、160等的混合效率曲线。结果表明，在不同了雷诺数下，两种混合器的混合效率都随着轴向长度的增加而增加，与普通方波混合器相比，本发明方波混合器混合效率提升的速率更快，在低雷诺数区（2、4、20、40、80）表现最明显。使用本发明设计的带椭圆形沟槽方波混合器可明显提高混合效率。

实施例六：本发明微混合器在有机溶剂与生物试剂条件下的混合性能测试

针对微流体混合器在生物化学领域的应用，本实施例测试了本发明微流体混合器对常见有机溶剂和生物试剂的混合性能。常温下，常用的有机溶剂，如甲醇、乙醇、乙酸、丙酮等在水中的扩散系数数量级为10^-9m²/s，某些生物试剂例如尿素、甘油、甘氨酸在水中的扩散系数数量级也为10^-9m²/s，而如牛血清蛋白、尿素酶、人血清清蛋白、尿素酶、γ-球蛋白（人）等生物试剂在水中的扩散系数数量级为10^-11m²/s。本实施例结果显示，在雷诺数非常低的时候，混合效率随着扩散系数的降低而有所下降，但仍高于85%，随着雷诺数的增大，扩散系数对混合效率几乎没有影响，这是因为，当雷诺数很低时，液体之间的混合完全依赖于扩散，所以此时扩散系数的变化对其有所影响，而当雷诺数增大时，流体具有一些湍流的特点，扩散系数对其影响不大。本实施例证明本发明微流体混合器能够用于大多数的有机溶剂与生物试剂的混合。

实施例七：芯片刻蚀深度对混合器性能的影响

本实施例研究芯片刻蚀深度对混合器性能的影响。在平面设计尺寸保持一致的条件下，分别测试了刻蚀深度在20、50、100、200微米下，混合单元的混合效率与压力降在雷诺数在0.2、2、20、100时变化情况。结果如图9（a）所示，混合性能随着刻蚀深度的增大而增大，混合效率均处于78%以上，所以表明混合单元通道刻蚀深度对混合效率的影响不大，然而从如图9（b）所示的压力降来看，压力降随着刻蚀深度的增加而减小。由于压力降过大（如深度为20微米时，压力降最大为30000帕斯卡以上），会对混合单元的键合工艺带来巨大挑战，所以刻蚀深度的范围应当处于50-200微米之间为宜。

实施例八：混合通道上凸起的几何尺寸对混合效率的影响

本实施例研究了混合通道上凸起的几何尺寸对与混合器性能的影响。如实施例七的结果表明，压力降与刻蚀深度的关系密切，所以本实施例在刻蚀深度固定为50微米，椭圆纵轴（短轴）长度为160微米的情况下，分别测试了椭圆凸起横轴（长轴）长度为300、250、200微米时混合器在雷诺数为0.2、2、20、100的情况下，混合效率的情况。结果如图10所示，随着横轴尺寸的增大，混合效率有微弱的降低，但整体混合效率均处于87%以上，这是由于横轴尺寸过大，导致在凸起中残留的液体量多而引起的混合效率降低，所以混合通道上的椭圆凸起横轴在200-300微米之间为宜，即与纵轴长度之比为1.25~1.85之间为宜。

Claims

1.一种方波被动式微混合器，其特征在于，包括至少两个进液口（5）、与所述进液口连通的入口通道（1）、出口通道（2）、用于连通所述入口通道和出口通道的至少一个混合单元；所述混合单元包括多个竖直设置的垂直通道（4），相邻两个垂直通道（4）之间通过水平通道（3）连通，使得混合单元内部整体连通；所述垂直通道（4）和水平通道（3）连接处形成用于快速改变液体流向、产生混沌对流、促进液体混合的直角部分；当所述混合单元数量为两个以上时，第一个混合单元的入口与所述入口通道连通，第一个混合单元的出口为第二个混合单元的入口，以此类推，最后一个混合单元的出口与所述出口通道（2）连通；所述垂直通道（4）和水平通道（3）上均设有用于增加液体接触面积以及形成涡流促进液体混合的凸起（6）；所述水平通道宽度与垂直通道宽度比为2~2.5；所述垂直通道（4）左右两侧、水平通道（3）上下两侧均设有所述凸起（6），且所述垂直通道（4）左右两侧的凸起交错布置，所述水平通道（3）上下两侧的凸起（6）交错布置；所述凸起（6）横截面为半椭圆形。

2.根据权利要求1所述的方波被动式微混合器，其特征在于，所述半椭圆形凸起的长轴与短轴比例为1.25~1.85。

3.根据权利要求2所述的方波被动式微混合器，其特征在于，所述半椭圆形凸起的长轴与短轴比例为1.85。

4.根据权利要求1所述的方波被动式微混合器，其特征在于，所述水平通道宽度与垂直通道宽度比为2。

5.根据权利要求1所述的方波被动式微混合器，其特征在于，所述混合单元通道刻蚀的深度为50~200微米之间。

6.根据权利要求5所述的方波被动式微混合器，其特征在于，所述混合单元刻蚀的深度为50微米。