CN107233833B - 具有粘度适应性的超快微流混合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有粘度适应性的超快微流混合器，由入口通道、混合通道和观察通道依次连通而成；其中，所述入口通道包括中央通道以及设于中央通道两侧并与其连通的两个侧通道；所述混合通道为圆弧型、或者由多个圆弧型通道联结而成；所述观察通道和所述混合通道一体成型或拼接连通；本发明对流体的粘度有较强的适应性，当流体的粘度发生较大的改变时候(1‑30cp)，仍可以获得90％以上的高混合效率，且混合时间短至数微秒；该混合器制作工艺简单，仅需一次标准平面光刻工艺即可完成整个混合器模具的制作，无需多次曝光、对准等复杂工艺。

Description

具有粘度适应性的超快微流混合器

技术领域

本发明涉及微流控芯片，尤其涉及一种具有粘度适应性的超快微流混合器。

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，在进行快速反应动力学的研究中，必须用到超快微流混合器。

目前大部分超快微流混合器工作时依靠较大的流速提高混合通道的雷诺数以增加混合的效果，而当流体处于雷诺数较低的时候，混合效率会大幅度降低。而生物反应所处的真实环境为粘度较大的细胞环境，粘度的增大伴随着微流混合器内的雷诺数的降低，并会导致微流混合器的混合效率大幅度降低而不满足实验要求。并且较大的流速意味着样品的大量消耗，这对于昂贵的生物样品来说耗费是巨大的。目前市面上的混合高粘度流体的混合器大部分集中在依靠外部能量以促进混合的主动式混合器，但是外部能量往往会对实验样品造成不可逆的影响。而能够混合高粘度流体的被动式混合器只有依靠使用复杂的三维结构和较大的流速以获得较好的混合效果，不依靠三维结构的被动式混合器在获得高效率混合的前提下所获得的混合时间最短在500μs左右。前者对于混合器的制作会带来较大的困难，后者对于许多生物动力学实验来说混合时间过长。

发明内容

发明目的：为解决现有技术不能在高粘度条件下兼备混合速度快与样品消耗量小的问题，本发明提供了一种采用圆弧通道拼接形成混合通道以加速流体混合、提高对流体粘度适应性的超快微流混合器。

技术方案：本发明所述的一种具有粘度适应性的超快微流混合器，由入口通道、混合通道和观察通道依次连通而成；其中，所述入口通道包括中央通道以及设于中央通道两侧并与其连通的两个侧通道；所述混合通道为圆弧型、或者由多个圆弧型通道联结而成；所述观察通道和所述混合通道一体成型或拼接连通。

优选的，所述混合通道由第一圆弧、第二圆弧和第三圆弧三个圆弧首尾联结而成，所述第一圆弧与中央通道的末端连通，其直径大于第二圆弧和第三圆弧的直径之和；所述第二圆弧和第三圆弧拼接成S型通道，该S型通道与第一圆弧的末端连通，且被第一圆弧包围；优选的，采用半圆通道构成所述混合通道。

进一步优选的，所述侧通道与中央通道垂直。

工作原理：本发明由入口通道、混合通道和观察通道(出口通道)三个通道组成，中央通道通入一种样品溶液，两个侧通道通入另一种样品溶液，两种液体之间产生两个接触面，使得液体的接触面积相较于Y型入口通道得到了一倍的提升，进一步增大混合效率；混合通道由多个圆弧型通道组成，流体通过上述圆弧形通道能够在不涉及三维结构的前提下形成强烈的混沌对流；圆弧的联接方式使得流体在弧形通道中最大限度地保持同方向对流旋转以增加混合效率；混合通道优选为由三个半圆圆弧组成，具体为一个直径较大的圆弧和两个直径较小的圆弧，其中大圆弧的直径大于两个小圆弧直径之和，使得涡流旋转方向最大限度地保持一致，从而极大地提高混合效率。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优势：1、本发明对流体的粘度有较强的适应性，当流体的粘度发生较大的改变时候(1-30cp)，仍可以获得90％以上的高混合效率，且混合时间短至数微秒；2、该混合器制作工艺简单，仅需一次标准平面光刻工艺即可完成整个混合器模具的制作，无需多次曝光、对准等复杂工艺。

附图说明

图1为本发明的超快微流混合器的整体结构示意图；

图2(a)-(b)为图1中混合区域的局部放大示意图；

图3为图2(b)的超快微流混合器的工作过程示意图；

图4为图3中通道横截面A处所产生的强烈涡旋示意图；

图5为混合器工作时，雷诺数＝50的通道内稀释剂浓度分布示意图；

图6为不同雷诺数下的混合效率。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种超快微流混合器，由入口通道1、混合通道2和观察通道3依次连通而成，观察通道3亦为出口通道；其中，入口通道1由中央通道101以及设于中央通道101两侧并与其连通的两个侧通道102组成，优选的，两个侧通道102与中央通道101垂直。

实施例1

图2(a)-(b)所示为图1中混合区域的局部放大示意图，本发明的混合通道2采用圆弧形设计；具体的，混合通道2可为一个圆弧形通道，如图2(a)所示，也可以由多个圆弧通道联结构成，圆弧优选为半圆；流体通过弯曲的混合通道时，在横截面上会产生强烈的“二次流”，这种“二次流”会在处于层流状态下的流体中产生强烈的横向运动，而这种横向运动将会大幅度地增加流层之间的运动，从而增强混合的效果，因此混合通道2采用圆弧形设计；为了增强混合效果，混合通道还可以由两个圆弧组成，两个圆弧优选为一个较大、另一个较小，且较小圆弧设于较大圆弧的圆心所在一侧，该组合不仅延续了一个圆弧的混合效果，而且充分利用了较大圆弧的圆弧内部的空间，有利于减小器件尺寸，进而减小死体积，缩短混合时间。

实施例2

圆弧数量的增加，可以增加混合效果，但同时会增加结构的复杂性及加工和使用难度；除此之外，为使流体顺流进入观察通道3，本发明进一步优选采用三个圆弧，构成如图2(b)所示的C-S型混合通道；该C-S型混合通道2在采用上述两个圆弧的基础上，引入第三个圆弧，具体结构如下：由第一圆弧201、第二圆弧202和第三圆弧203顺次连接而成；其中，第一圆弧201，即C型通道，与中央通道101的末端连通，其直径大于第二圆弧202和第三圆弧203的直径之和；第二圆弧202和第三圆弧203拼接成S型通道，该S型通道与第一圆弧201的末端连通，且被第一圆弧201包围，形成C-S型的混合通道2，增设第三圆弧203，继续促进混合的同时，流体可被第三圆弧203与第二圆弧202组成的S型通道顺流引入观察通道3。

采用上述C-S型混合通道的超快微流混合器的工作过程如图3所示，中央通道通入样品溶液4，两个侧通道通入样品溶液5，三股流体相遇之后，样品溶液4受到来自两侧的样品溶液5的压力形成射流而获得两个不同样品溶液之间的接触面。流体进入混合区后，在经过弧形的混合通道2时，弧形通道产生的强烈迪恩涡流能够迅速有效地将不同样品进行混合，而由第一圆弧和第二圆弧形成的特殊通道结构可以让迪恩涡流的旋转方向在通道内最大限度地保持一致从而更有效地促进混合；第三圆弧在进一步混合的基础上将两种样品的混合溶液引入观察通道3。在混合区出口，射流不复存在，两种溶液在观察通道内已成为均匀的混合溶液6，可供各类实验研究；如图4所示为图3中的混合通道2的横截面A处产生的强烈的涡旋的示意图；图5为本优选实施例C-S型超快微流混合器工作时，雷诺数＝50的通道内样品溶液4的浓度分布示意图。

在相同的流速下，混合区的体积越小，即死体积越小，则混合时间越短。在本优选实施例中，综合考虑混合时间、通道内承受的压力和制备工艺条件，器件的结构参数如下：通道的宽度与深度均设为15μm，第一圆弧201的通道外径为120μm，第二圆弧202和第三圆弧203的通道外径为50μm；该尺寸即不会给混合器模具的制作带来较大困难也不容易在实际使用当中造成通道堵塞，其死体积大小约为6.6×10^-14m³。

本发明中，优选实施例C-S型超快微流混合器的混合效率随雷诺数的变化如图6所示，在研究范围内混合效率均大于85％，且当雷诺数高于10，或低于1时，混合效率超过90％，说明本混合器可工作于很宽的雷诺数范围。雷诺数这一特征数代表着流体惯性力与粘性力的比值，对于同一流速下的流体，粘度越大，雷诺数越低。以下的实验将表明在不同的粘度条件下，该混合器均可以实现快速混合，且样品消耗量较小。

稀溶液条件：在一些实验中样品的浓度较低使得样品不会对溶液的一些物理性质(粘度，密度等)产生影响，即样品溶液的粘度与水类似，为1cp。在该粘度下，优选实施C-S型超快微流混合器可工作于很宽的雷诺数范围，能够在极低的样品消耗量(0.25μL/s-8μL/s)下实现混合，混合效率达到90％以上，混合时间几微秒至百微秒，

表1为稀溶液条件下(1cp)优选实施例C-S型超快微流混合器的工作范围(雷诺数)、样品消耗量(流量)、混合时间与混合效率：

表1

中等粘度条件：在一些生物实验当中需要通过对溶液进行增加粘度以反正真实的生物条件。例如正常人的血液粘度为2-10cp。由于粘度越高混合的效果越差，以10cp为例，本优选实施例C-S型超快微流混合器工作于中等大小的雷诺数(10～53)，混合效率极高，样品消耗量仅为几微升，混合时间几微秒至几十微秒，详见表2。

表2为中等粘度条件下(10cp)优选实施例C-S型超快微流混合器的工作范围(雷诺数)、样品消耗量(流量)、混合时间与混合效率：

表2

高粘度条件：在一些特殊的情况下，所需要仿真的溶液环境有着较高的粘度值，例如在细胞增殖过程中的细胞质环境是含有大量的生物大分子的活体环境，一般粘度值会增加至30cp左右。在此条件下，本优选实施例优选实施例C-S型超快微流混合器工作于低雷诺数(3～18)，混合效率85％以上，样品消耗量仅为几微升，混合时间几微秒至几十微秒，详见表3。

表3为高粘度条件下(30cp)优选实施例C-S型超快微流混合器的工作范围(雷诺数)、样品消耗量(流量)、混合时间与混合效率：

表3

综上，本发明的超快微流混合器对流体的粘度有较强的适应性，无论在稀溶液、中等粘度还是在高粘度条件下，均可实现微秒量级的高效混合，且样品消耗量仅为数微升。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表述和阐明了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (1)

1.一种具有粘度适应性的超快微流混合器，其特征在于：由入口通道（1）、混合通道（2）和观察通道（3）依次连通而成；其中，所述入口通道（1）包括中央通道（101）以及设于中央通道（102）两侧并与其连通的两个侧通道（102），所述侧通道（102）与中央通道（101）垂直；所述观察通道（3）和所述混合通道（2）一体成型或拼接连通；所述混合通道（2）由第一圆弧（201）、第二圆弧（202）和第三圆弧（203）三个圆弧首尾联结而成；其中，所述第一圆弧（201）与中央通道（101）的末端连通；所述第二圆弧（202）和第三圆弧（203）拼接成S型通道，该S型通道与第一圆弧（201）的末端连通，且被第一圆弧（201）包围；第一圆弧（201）和第三圆弧（203）的圆心重叠，并且与第二圆弧（202）的圆心在同一条直线上；

所述入口通道（1）、混合通道（2）和观察通道（3）的宽度为15µm，所述圆弧为半圆，且第一圆弧（201）的通道外径为120µm，第二圆弧（202）和第三圆弧（203）的通道外径为50µm。

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