CN109173766A - 一种用于超高效液相色谱分析仪中的高性能微混合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于超高效液相色谱分析仪中的高性能微混合器，属于高端生化分析与微全分析系统中流体微混合及其相关领域。该微混合器包括两个入口通道、一个混合腔、十二个上下交错分布的挡板和一个出口通道；挡板的存在增强了溶剂流动的对流效应，易形成旋涡区，另外交错分布的挡板使混合溶剂在混合腔内呈方波型路径流动，在拐角处也易形成旋涡，旋涡的存在可以打破溶剂流动的层流状态并且延长混合溶剂在混合腔内的扩散路径，显著增强了微混合器的混合性能，进一步提升了超高效液相色谱分析仪的精度。

Description

一种用于超高效液相色谱分析仪中的高性能微混合器
技术领域
本发明涉及一种超高效液相色谱分析仪中的微混合器，具有较高的混合性能。本发明属于高端生化分析与微全分析系统中流体微混合领域。
背景技术
超高效液相色谱分析法(UPLC)是解决药物分析、生化分析、血液检测和环境检测等问题的重要手段，对于提高药物治疗能力、增强疾病分析能力具有重要推动作用，所以超高效液相色谱仪被迅速应用于食品安全、环境、制药、科研等领域中。尽管超高效液相色谱仪发展迅速，但其中的高精度试剂输送系统由于缺乏匹配供应方和完整的供应链方案，其流量精度、准确度、压力脉动和系统延迟体积难以达到要求，制约了UPLC的发展。高精度试剂输送系统主要功能是实现不同试剂混合并驱动其在色谱柱内流动，微混合器是其主要部件。
微混合器是基于微流控技术，利用微量体积流体进行混合的重要前处理装置，其作用是使两种流体或多种流体进行充分接触和有效混合。使用微混合器不仅可以极大地减少珍贵试剂的消耗量，还能够大大地加快分析检测效率，具有较高的准确度和安全性，为高端生化检测分析技术的普及创造了极好的条件。所以UPLC中所使用的微混合器是影响其检测准确度的关键部件，均匀、稳定且灵敏度高的微混合器是高精度色谱分析结果的基础。
目前UPLC中所用的微混合器混合腔室为直径4mm，长度5mm的圆柱。为增加其混合性能，通常填充直径200μm的氧化锆珠。氧化锆珠是以微米级及亚纳米级氧化锆与氧化钇为原料制成的，是用来对要求“零污染”及高粘度、高硬度物料的超细研磨及分散的一种研磨珠。混合试剂通过氧化锆珠之间的间隙时减小了其扩散路径，使分子间渗透更快，并且射流效应增强，打破了层流状态促进混合，从而提升了混合性能。
但是上述UPLC微混合器目前存在以下缺点：一、混合试剂在混合腔室内停留时间过长，没有固定的流动路径，无法实现溶剂先进先出，混合性能不稳定；二、虽然氧化锆珠硬度很大，但也存在碎裂的可能，一旦碎裂则可能堵塞混合腔，造成腔内压力增大，高流量下有爆炸风险；三、氧化锆珠加工困难，成本偏高。
针对以上UPLC微混合器的不足，本发明主要创新了一种应用于超高效液相色谱分析仪中的微混合器，在弥补了以上缺点的同时还提高了微混合器的混合性能，满足目前药物分析和环境检测的需要。
发明内容
本发明主要针对目前UPLC中微混合器混合性能不稳定，成本较高的不足，提供了一种结构简单，混合效率高，性能稳定的新型的UPLC微混合器，该微混合器可以应用于现有的超高效液相色谱分析仪中，提高药物分析和环境监测的精度。
本发明采用的技术方案为一种用于超高效液相色谱分析仪中的高性能微混合器，将现有混合腔室中的氧化锆珠替换为间隔放置的四分之三圆形挡板，使微混合器混合腔(3)中的试剂呈方波型路径进行流动。该微混合器由两个微混合器入口，一个微混合器出口(5)，微混合器混合腔(3)和多个微混合器挡板(4)组成，其中微混合器挡板(4)为四分之三圆形挡板，多个四分之三圆形挡板等间距交替排布在微混合器混合腔(3)中。
两直径为0.3mm的微混合器入口一(1)和微混合器入口二(2)与微混合器混合腔(3)法向呈30°夹角连接于微混合器混合腔的一侧，末段间距为2mm。微混合器混合腔(3)是直径4mm，长度5mm的圆柱，是溶剂进行充分混合的主要区域。在微混合器混合腔(3)中每相邻0.2mm添加了十二块微混合器挡板(4)，十二块微混合器挡板(4)上下交错布置，挡板形状如图4所示，微混合器挡板(4)为四分之三圆形挡板，在4mm直径圆切除四分之一制得，微混合器挡板(4)的长边距圆心1mm，微混合器挡板(4)的厚度为0.2mm。在微混合器混合腔另一侧中心位置垂直连接直径为0.3mm的微混合器出口(5)。
两种不同溶剂分别从微混合器入口一(1)和微混合器入口二(2)流入微混合器混合腔(3)，在设有微混合器挡板(4)的微混合器混合腔(3)中以方波型的路径进行流动，在微混合器混合腔(3)中流动的过程就是两种不同溶剂进行混合的过程，最终混合后的溶剂从另一侧的微混合器出口(5)流出，完成两种不同溶剂的混合。
针对微混合器结构，在Fluent软件中进行数值模拟，选取工况条件为两混合溶剂都为水，入口雷诺数Re范围为0.1≤Re≤60。混合强度折线图如图5所示，数值模拟结果表明混合器结构在Re＜1时混合强度随Re增加急剧上升，在Re≥1范围时混合强度均大于90％，且基本保持不变。
为研究两种不同溶剂的混合机理，提取了Re＝0.1、1、10条件下YZ平面混合溶液质量分数分布图与速度矢量图，如图6所示。从溶液质量分数分布图中可以看出在Re＝0.1时混合强度较差，Re＝1和10时基本实现了完全混合，并且当Re＝10时在混合器前几个单元中就实现了完全混合。从速度矢量图中可以看出在Re＝0.1时就有旋涡产生，此时混合除了依靠分子扩散之外还依靠对流扩散，这与平面方波型微混合器混合机理有所不同。当Re较小时对流效应很弱形成的旋涡十分规则且对称分布，随着Re变大对流效应增强，形成的旋涡分布较为随机，在前几个单元涡的数量增多。对流效应能够打破流体的分层状态，增加流体之间接触面积，使两溶液充分混合，对流效应越强混合越充分。
另外，对于该混合器模型还提取了在Re＝100和Re＝200条件下的混合强度，分别为97.51％和92.03％，均大于90％。在高压条件下，随着Re进一步增大，混合溶剂密度和粘度都有所降低，从而使扩散系数增大，传质效率增强，混合强度会进一步提高。本发明的微混合器结构完全满足超高效液相色谱分析仪精度的要求。
本发明采用上述技术方案后具有下列优点：
1.间隔分布的挡板相当于混合腔中的障碍物，障碍物的存在增强了溶剂流动的对流效应，易形成旋涡区，打破溶剂流动的层流状态。另外，方波型的流动路径也使溶剂在拐角处易形成旋涡，旋涡的存在大大延长了溶剂混合过程中的流动路径，使分子扩散时间延长，达到两溶剂在混合腔中充分混合的目的。
2.由于挡板的存在，溶剂在混合腔中有固定的流动路径，实现了溶剂的先进先出，提升了溶剂混合的稳定性。
3.相较于目前的氧化锆珠UPLC微混合器，本发明的微混合器不存在氧化锆珠破碎的风险，大大延长了微混合器的工作寿命。
4.本发明经数值模拟验证，在宽入口流量范围内混合强度均满足要求，该结构能有效提高不同组分溶剂的混合效率，实现微尺度下流体的高效混合，在狭小空间中实现较好的混合效果，可以对目前UPLC微混合器结构改进提供指导。
附图说明
图1为UPLC微混合器三维结构示意图。
图2为UPLC微混合器正视图。
图3为UPLC微混合器俯视图。
图4为UPLC微混合器挡板形状示意图。
图5为UPLC微混合器混合强度随Re变化折线图。
图6为UPLC微混合器YZ平面混合溶液质量分数分布图与速度矢量图。
图中：1.微混合器入口一，2.微混合器入口二，3.微混合器混合腔，4.微混合器挡板，5.微混合器出口。
具体实施方式
由于本发明是基于微尺度下的混合器，对加工方式的要求较高，并且本发明需要经常在高压的环境下工作，传统的微混合器制作工艺不能满足本发明的要求，综合以上考虑，本发明的一种用于超高效液相色谱分析仪中的高性能微混合器选取激光金属粉末烧结3D打印的增材制造技术进行加工制造。
两种不同溶剂分别从两入口通道等速流入混合腔室，在混合腔室中以方波型路径流动的同时完成混合，最终混合后的溶剂从右侧的出口通道流出，完成混合。
两溶剂在混合腔室中依靠分子扩散和对流效应从而实现充分混合。间隔挡板的存在使溶剂在混合器内拉伸和折叠，破坏流体的分层流动，强化各流层之间的掺混，增大了不同溶剂间接触的概率，同时在混合腔内产生了旋涡区，使混合腔内溶剂的流动状态发生改变，延长了溶剂在混合腔内扩散路径，对流效应增强，进而提升了混合性能。提升了超高效液相色谱分析仪的精度，满足大多数生化反应的需求。

Claims (5)

1.一种用于超高效液相色谱分析仪中的高性能微混合器，其特征在于：该微混合器由两个微混合器入口，一个微混合器出口(5)，微混合器混合腔(3)和多个微混合器挡板(4)组成；
两直径为0.3mm的微混合器入口一(1)和微混合器入口二(2)与微混合器混合腔(3)法向呈30°夹角连接于微混合器混合腔的一侧，末段间距为2mm；微混合器混合腔(3)是直径4mm，长度5mm的圆柱，是溶剂进行充分混合的主要区域；在微混合器混合腔(3)中每相邻0.2mm添加了十二块微混合器挡板(4)，十二块微混合器挡板(4)上下交错布置。
2.根据权利要求1所述的一种用于超高效液相色谱分析仪中的高性能微混合器，其特征在于：微混合器挡板(4)为四分之三圆形挡板，在4mm直径圆切除四分之一制得，微混合器挡板(4)的长边距圆心1mm，微混合器挡板(4)的厚度为0.2mm；在微混合器混合腔另一侧中心位置垂直连接直径为0.3mm的微混合器出口(5)。
3.根据权利要求1所述的一种用于超高效液相色谱分析仪中的高性能微混合器，其特征在于：两种不同溶剂分别从微混合器入口一(1)和微混合器入口二(2)流入微混合器混合腔(3)，在设有微混合器挡板(4)的微混合器混合腔(3)中以方波型的路径进行流动，在微混合器混合腔(3)中流动的过程就是两种不同溶剂进行混合的过程，最终混合后的溶剂从另一侧的微混合器出口(5)流出，完成两种不同溶剂的混合。
4.根据权利要求1所述的一种用于超高效液相色谱分析仪中的高性能微混合器，其特征在于：针对微混合器结构，在Fluent软件中进行数值模拟，选取工况条件为两混合溶剂都为水，入口雷诺数Re范围为0.1≤Re≤60；混合强度折线数值模拟结果表明微混合器混合腔(3)在Re＜1时混合强度随Re增加急剧上升，在Re≥1范围时混合强度均大于90％，且保持不变。
5.根据权利要求1所述的一种用于超高效液相色谱分析仪中的高性能微混合器，其特征在于：该微混合器选取激光金属粉末烧结3D打印的增材制造技术进行加工制造。
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