CN110052297B - 用于流体混匀的微流控芯片和多组分流体混匀方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于流体混匀的微流控芯片，其包括：第一通道，其能够供流体通过，第一通道沿流体通过微流控芯片的方向延伸，在第一通道中设置有分流柱，流体经过分流柱能够使流体分流，第一通道设置有出液口和回流口，出液口位于第一通道的与流体通过微流控芯片的方向垂直的方向上的边缘位置，回流口位于与出液口隔开的中间位置；第二通道，其连接于第一通道，使出液口和回流口连通，流经第一通道的边缘位置的流体能够经由出液口进入第二通道，并且经由第二通道由回流口再次导入第一通道。通过采用上述技术方案，第一通道的边缘位置的层流流体能够经出液口进入第二通道，并通过回流口返回第一通道和中间部位的支流汇聚，使流体混合均匀。

Description

用于流体混匀的微流控芯片和多组分流体混匀方法

技术领域

本发明属于生物医疗技术领域，特别涉及一种用于流体混匀的微流控芯片和多组分流体混匀方法。

背景技术

微流控指的是使用微管道(尺寸为数十到数百微米)处理或操纵微小流体(体积为纳升到阿升)的系统所涉及的科学和技术，是一门涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科。因为其具有微型化、集成化等特征，微流控装置通常被称为微流控芯片。利用微流控技术可以构建多种微通道网络来模拟微血管系统，或者是组织、器官结构，因此微流控技术在组织工程、肿瘤研究等方面有着重要的应用。

因为微管道的尺寸小，液体在微管道中的行为与宏观尺度通道中不同，这些流体行为是微流控的重要特征和标志，主要表现在其流动呈现层流特性。层流与湍流相对应，是指流体的层状流动，其流线与管壁相互平行。在粘性力远远大于惯性力，或雷诺数小于3000时，层流就会出现。当几相不同颜色的流体从不同的入口进入同一个微通道时，即使它们互溶，也会形成层次分明的多相平行流动。

因为微流控芯片操作的液体是微量的，在微流控芯片中培养的细胞也是微量的，那么如果多组分的液体混合不均匀的话，在高通量药物测试等试验中结果就会产生巨大的偏差，大大降低试验的可重复性和均一性。在微流控芯片中，多组分液体的混匀对实验有着重要的影响。

如图1所示，有一种现有技术的用于液体混合的微流控方法，将多种液体收集在一起，然后逐渐分流为多个支流，最后通过将支流逐渐汇合的方式进行混合。

这种方法虽然简单可靠，但也存在不足之处：理论上，分流的支流越多混合就会越均匀，但是由于在微流控芯片中液体的流动大多是层流状态的，分流后最边缘的支流很难和其他种类的支流混合。

如图2所示，另一种现有技术中的用于液体混合的微流控芯片具有储液池200，通过入液口100将多种液体引流到储液池200，多种液体在储液池200里进行混合后再根据实际需要从多个出口300引出。

这种微流控芯片因为尺寸较小(微米至毫米级)，很难安装主动搅匀设备(例如电机驱动的搅拌桨等)，由于在微流控芯片中液体的流动大多的层流状态，相互之间融合较为困难，所以难以混合不同的液体或者会产生混合不均匀的情况。

发明内容

基于上述现有技术的缺陷，本发明旨在提出一种用于流体混匀的微流控芯片，解决现有技术中流体混合不均匀的问题。本发明还提出一种多组分流体混匀方法。

本发明第一方面提出一种用于流体混匀的微流控芯片，其包括：

第一通道，所述第一通道能够供流体通过，所述第一通道沿所述流体通过所述微流控芯片的方向延伸，在所述第一通道中设置有分流柱，所述流体经过所述分流柱能够使所述流体分流，所述第一通道设置有出液口和回流口，所述出液口位于第一通道的与所述流体通过所述微流控芯片的方向垂直的方向上的边缘位置，所述回流口位于与所述出液口隔开的中间位置；

第二通道，所述第二通道连接于所述第一通道，使所述出液口和所述回流口连通，流经所述第一通道的边缘位置的流体能够经由所述出液口进入所述第二通道，并且经由所述第二通道由所述回流口再次导入所述第一通道。

优选地，两个以上所述出液口和至少一个所述回流口对应为一组，所述流体经由两个以上所述出液口进入所述第二通道中，并在所述第二通道混合，沿所述流体通过所述微流控芯片的方向设置有多组所述出液口和相对应的所述回流口，所述回流口位于对应的所述出液口的下游侧。

优选地，在所述流体通过所述微流控芯片的方向上，所述第一通道依次分为初始段、中间段和末尾段，所述分流柱位于所述中间段，在与所述流体通过所述微流控芯片的方向垂直的方向上，所述初始段的宽度和所述末尾段的宽度均小于所述中间段的宽度。

优选地，所述初始段设置有进入通道和第一混合部，所述进入通道能够将流体导入所述第一混合部，在所述第一混合部设置有能够被所述流体碰撞的阻挡部；

更优选地，

多个所述阻挡部在与所述流体通过所述微流控芯片的方向垂直的方向上间隔开，多个阻挡部在所述流体通过所述微流控芯片的方向上部分地重叠，使得所述第一混合部中流体与阻挡部垂直碰撞。

优选地，在所述流体通过所述微流控芯片的方向上，所述中间段依次分为分散段、混匀段、汇总段，

在所述流体通过所述微流控芯片的方向上，所述分散段的所述分流柱的数量逐渐增多；所述混匀段的所述分流柱的数量有规律地交替增减变化；所述汇总段的所述分流柱的数量逐渐减少。

优选地，在所述混匀段设置有连接部，所述连接部设置于所述出液口的下游侧，所述连接部将出液口旁的分流柱连接到所述第一通道的侧壁部，从而阻断通过所述分流柱分流后流向所述侧壁部的流体。

优选地，所述分流柱为棱柱，所述分流柱侧面的一个棱边朝向所述流体通过所述微流控芯片的方向上的上游。

优选地，所述用于流体混匀的微流控芯片包括顶板、中间板和底板，所述第一通道由所述顶板和所述中间板包围形成，所述第二通道由所述中间板和所述底板包围形成。

优选地，所述第一通道和所述第二通道通过蚀刻工艺形成。

本发明第二方面提出一种流体混合方法，所述流体为层流流体，所述流体混合方法包括：

将所述流体分流为多条支流；以及

使所述多条支流中的相邻的支流混合，以及使所述多条支流中的位于流体的总流动方向的两侧边缘位置的支流通过第二通道被导流到第一通道中间位置而和中间的支流混合。

优选地，所述流体混匀方法使用上述技术方案中任一项所述的用于流体混匀的微流控芯片并且包括：使靠近所述边缘位置的支流在混合后与位于所述中间位置的所述支流混合。

通过采用上述技术方案，第一通道的边缘位置的层流流体能够经出液口进入第二通道，并通过回流口返回第一通道使流体汇聚混合在一起并混合均匀。这样能够防止第一通道的边缘位置的层流流体一直处于边缘位置，无法流经分流柱进行的分流混匀。

附图说明

图1示出了一种现有技术的微流控方法的原理图。

图2示出了另一种现有技术的微流控芯片的结构示意图。

图3示出了根据本发明的实施方式的用于流体混匀的微流控芯片的爆炸结构图。

图4示出了根据本发明的实施方式的用于流体混匀的微流控芯片的中间板的结构示意图。

图5示出了根据本发明的实施方式的用于流体混匀的微流控芯片的底板的结构示意图。

附图标记说明

100入液口 200储液池 300出口

S1初始段 S2中间段 S21分散段 S22混匀段 S23汇总段 S3末尾段

1顶板

2中间板 20第一通道 21进入通道 22第一混合部 23阻挡部 24第二混合部 25分流柱 26出液口 27回流口 28连接部

3底板 30第二通道 31导流槽 32定位柱

A流体通过微流控芯片的方向 B与流体通过微流控芯片的方向垂直的方向 T厚度方向。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。

如图3至图5所示，本发明提出一种用于流体混匀的微流控芯片。该用于流体混匀的微流控芯片包括顶板1、中间板2和底板3，顶板1和底板3位于中间板2的厚度方向T的两侧，顶板1位于中间板2的厚度方向T的上方，底板3位于中间板2的厚度方向T的下方。在该实施方式中，顶板1、中间板2和底板3可以为长宽相同的矩形板，但厚度可以不相同，这三个板完全重合地层叠在一起，流体通过微流控芯片的方向A(有时简称为流体方向A或者流体的总流动方向)可以是矩形的长度方向。

如图3所示，中间板2的表面形成有沟槽，顶板1覆盖住这些沟槽，使形成于中间板2的沟槽封闭形成为第一通道20。可以理解，顶板1和中间板2是密封连接的，具体地，顶板1和中间板2可以通过等离子键合工艺密封连接，使得流经通道的流体不会从顶板1和中间板2之间的缝隙处泄漏。第一通道20可以通过蚀刻工艺形成。

在流体通过微流控芯片的方向A上，可以将第一通道20分为初始段S1、中间段S2和末尾段S3，流体在通过第一通道20时依次流经初始段S1、中间段S2和末尾段S3。

(初始段S1)

如图3和图4所示，第一通道20的初始段S1具有进入通道21和第一混合部22，进入通道21和第一混合部22可以由开设于中间板2的表面的凹槽和顶板1封闭形成。进入通道21用于向第一混合部22输送流体，进入通道21沿流体方向A分为始端和末端，进入通道21的始端连通到中间板2的边缘，进入通道21的末端连通到第一混合部22。进入通道21可以设置有多条，虽然图中仅示出了3条进入通道21，但进入通道21的数量可以有更多条或更少条。

通过进入通道21输送到第一混合部22的流体可以在第一混合部22形成湍流，实现流体的混合并将混合后的流体从第一混合部22排出到中间段S2。具体地，在第一混合部22的流体路径上设置有多个阻挡部23，通过流体与这些阻挡部23碰撞，可以使流经第一混合部22的流体形成湍流并且进行混合。如图4所示，阻挡部23可以为板状，其板面可以大致朝向通道21的末端，从进入通道21流出的流体可以通过碰撞板面而形成湍流并且进行混合。

进一步地，多个阻挡部23在与流体通过微流控芯片的方向垂直的方向B上间隔开，多个阻挡部23在流体通过微流控芯片的方向A上部分地重叠。在与流体通过微流控芯片的方向垂直的方向B上的中间部分的阻挡部23和两侧部分的阻挡部23，在流体方向A上错开。中间部分的阻挡部23使液体流向两侧部分，两侧部分的阻挡部23使液体流向中间部分。

(中间段S2)

如图3和图4所示，第一通道20的中间段S2具有第二混合部24，第二混合部24可以由开设于中间板2的表面的凹槽和顶板1封闭形成。第二混合部24连通到第一混合部22，从而接收来自于第一混合部22的流体。在第二混合部24的流体路径上设置有多个分流柱25，可以通过分流柱25将流体分流。

可以理解，流动的流体在碰到分流柱25时可以被分流为两股支流，若分流柱25位于流体路径的中间位置，那么可以将流体均匀的分开，使被分流的两股支流的流量大致是相同的。

分流柱25可以为多棱柱，例如六棱柱。优选地，六棱柱为正六棱柱。进一步地，分流柱25侧面的一个棱边朝向流体方向A的上游，从而通过棱边对流体进行分流，可以将流体均匀的分开，使两股支流的流量大致是相同的。虽然，在本实施方式中仅示出了分流柱25为正六棱柱的实施方式，然而分流柱还可以是四棱柱、五棱柱、圆柱等。

如图4所示，沿流体方向A，中间段S2分为分散段S21、混匀段S22和汇总段S23，流体在通过第二混合部24时依次流经分散段S21、混匀段S22和汇总段S23。

沿流体方向A，分散段S21的分流柱25的数量逐渐增多；混匀段S22的分流柱25的数量有规律地交替增减变化；汇总段S23的分流柱25的数量逐渐减少。在分散段S21，流体逐级分成多条支流；在混匀段S22，支流经过多次混合再分流而使流体混匀；在汇总段S23，混合的流体汇合在一起。

如图4所示，在本实施方式中，第二混合部24的分流柱25沿流体方向A分为多级，第一级有一个分流柱25，第二级有两个分流柱25，第三级有三个分流柱25，第四级有两个分流柱25，第五级有三个分流柱25……第八级有两个分流柱25，第九级有一个分流柱25。其中，第一级和第二级是分散段S21，第三级至第八级是混匀段S22，第九级是汇总段S23。在分散段S21和汇总段S23之间的均为混匀段S22。在本实施例中，第三级至第八级为混匀段S22，流体在经过混匀段S22过程中进行了三次混合。本发明还可以根据实际情况使混匀段S22设置更多级的分流柱25，进行更多次的混合，例如可以是混合5至10次，相应的混匀段S22可以具有10至20级分流柱25。

第二混合部24的形状与分流柱25构成的阵列的形状相似，例如，第二混合部24从流体方向A的中间部分向两端部分渐缩，两端部分沿与流体通过微流控芯片的方向A垂直的方向B(以下有时简称与流体方向A垂直的方向B，即图4中左右方向)的尺寸逐渐收窄。

在混匀段S22，靠近与流体方向A垂直的方向B上的边缘位置设置有连接部28，连接部28将分流柱25连接到第一通道20(混合部24)的侧壁部，从而阻断通过分流柱25分流后流向侧壁部的流体。在该实施方式中，第三级的分流柱25、第五级的分流柱25和第八级的分流柱25通过连接部28连接到第一通道20(混合部24)的侧壁部。可以理解，连接部28设置于间隔级的分流柱25，也就是说，相邻的两极分流柱25不会都设置有连接部28。连接部28既可以间隔一级分流柱25也可以间隔多级分流柱25，例如第三级的分流柱25和第五级的分流柱25间隔了一级分流柱，第五级的分流柱25和第八级的分流柱25间隔了多级(两极)分流柱。

第一通道20的混匀段S22设置有出液口26和回流口27，出液口26和回流口27都贯穿中间板2。出液口26位于与流体方向A垂直的方向B(图4中左右方向)上的边缘位置，回流口27位于与流体方向A垂直的方向B(图4中左右方向)上的中间位置。出液口26和回流口27可以是成组设置的，例如一个或多个出液口26对应一个回流口27。在本实施例中，两个出液口26对应一个回流口27。

具体地，出液口26设置于对应的连接部28的上游侧，被连接部28阻挡的流体可以通过出液口26进入第二通道30。回流口27可以位于同一组的出液口26的下游侧并且位于同一组的两个出液口26的与流体方向A垂直的方向B(图4中左右方向)上的中间位置。。

(末尾段S3)

第一通道20的末尾段S3和汇总段S23连通，末尾段S3延伸到中间板2的边缘部分，可以将混合后的流体排出微流控芯片。

如图5所示，底板3设置有导流槽31，导流槽31是开设于底板3表面的凹槽，导流槽31对应于第一通道20的中间段S2，特别是混匀段S22。中间板2覆盖住导流槽31，使形成于底板3的导流槽31封闭形成为第二通道30。可以理解，中间板2和底板3是密封连接的，使得流经导流槽31的流体不会从中间板2和底板3之间的缝隙处泄漏。导流槽31(第二通道30)可以通过蚀刻工艺形成。

第二通道30连接于第一通道20，使出液口26和回流口27连通，流经第一通道20的边缘位置的流体能够经由出液口26和第二通道30导入第一通道20的回流口27。流经第一通道20的边缘位置的流体可以导流到回流口，从而可以使流体更均匀的混合。

导流槽31可以为大致V字形，两端位置对应两个出液口26，中间位置对应一个回流口27。可以理解，导流槽31还可以为U字形。

如图5所示，第二通道30设置有并排的多条导流槽31，多条导流槽31对应多组出液口26和回流口27。虽然图中仅示出了3条导流槽31，但第二通道30可以设置有更多条导流槽31。第二通道30也可以是其他形状，只要使出液口26和回流口27连通即可。

第二混合部24的流体从出液口26流向第二通道30，通过第二通道30引导至回流口27，从回流口27再返回第二混合部24。也就是说，流经中间板2的流体从出液口26流向底板3，通过第二通道30引导至回流口27，从回流口27再返回第一通道20。

可以理解，上述第一通道20和第二通道30的尺寸为数十到数百微米，其处理或操纵微小流体体积为几纳升到几阿升。

底板3设置有例如为定位柱32的定位部，通过定位柱32与中间板2配合使中间板2和底板3定位，使出液口26和回流口27与导流槽31对齐。中间板和底板贴合，并且通过两个定位柱32来定位，可以使中间板2和底板3完全定位。可以理解，中间板2设置有用于容纳定位柱32的定位槽。

可以理解，通过微流控芯片的流体可以由例如泵的动力设备来驱动流动。

本发明还提出一种多组分流体混匀方法，该方法使用本发明的用于流体混匀的微流控芯片完成。多种不同的液体从进入通道21进入第一混合部22，多种液体在经过第一混合部22时碰撞阻挡部23从而形成湍流，而使多种液体进行初步地混合。初步混合的液体进入第二混合部24，液体首先在分散段S21逐级分流形成多条支流，多条支流在混匀段S22经过多次分流和汇合继续进行混合。其中，在混匀段S22中靠近与流体方向A垂直的方向B上的边缘部分的支流通过出液口26进入第二通道30，并在第二通道30中进行混合后导入到位于与流体方向A垂直的方向B上的中间部分的回流口27，与位于与流体方向A垂直的方向B上的中间部分的支流进行混合。进行多次分流和汇合的混合过程后，液体进入汇总段S23将混合后的多条支流进行汇集，并排出微流控芯片。

Claims (12)

1.一种用于流体混匀的微流控芯片，其特征在于，其包括：

第一通道(20)，所述第一通道(20)能够供流体通过，所述第一通道(20)沿所述流体通过所述微流控芯片的方向(A)延伸，在所述第一通道(20)中设置有分流柱(25)，所述流体经过所述分流柱(25)能够使所述流体分流，所述第一通道(20)设置有出液口(26)和回流口(27)，所述出液口(26)位于第一通道(20)的与所述流体通过所述微流控芯片的方向(A)垂直的方向(B)上的边缘位置，所述回流口(27)位于与所述出液口(26)隔开的中间位置；

第二通道(30)，所述第二通道(30)连接于所述第一通道(20)，使所述出液口(26)和所述回流口(27)连通，流经所述第一通道(20)的边缘位置的流体能够经由所述出液口(26)进入所述第二通道(30)，并且经由所述第二通道(30)由所述回流口(27)再次导入所述第一通道(20)。

2.根据权利要求1所述的用于流体混匀的微流控芯片，其特征在于，两个以上所述出液口(26)和至少一个所述回流口(27)对应为一组，所述流体经由两个以上所述出液口(26)进入所述第二通道(30)中，并在所述第二通道(30)混合，沿所述流体通过所述微流控芯片的方向(A)设置有多组所述出液口(26)和相对应的所述回流口(27)，所述回流口(27)位于对应的所述出液口(26)的下游侧。

3.根据权利要求1所述的用于流体混匀的微流控芯片，其特征在于，在所述流体通过所述微流控芯片的方向(A)上，所述第一通道(20)依次分为初始段(S1)、中间段(S2)和末尾段(S3)，所述分流柱(25)位于所述中间段(S2)，在与所述流体通过所述微流控芯片的方向(A)垂直的方向(B)上，所述初始段(S1)的宽度和所述末尾段(S3)的宽度均小于所述中间段(S2)的宽度。

4.根据权利要求3所述的用于流体混匀的微流控芯片，其特征在于，所述初始段(S1)设置有进入通道(21)和第一混合部(22)，所述进入通道(21)能够将流体导入所述第一混合部(22)，在所述第一混合部(22)设置有能够被所述流体碰撞的阻挡部(23)。

5.根据权利要求4所述的用于流体混匀的微流控芯片，其特征在于，多个所述阻挡部(23)在与所述流体通过所述微流控芯片的方向(A)垂直的方向(B)上间隔开，多个阻挡部(23)在所述流体通过所述微流控芯片的方向(A)上部分地重叠，使得所述第一混合部(22)中流体与挡板垂直碰撞。

6.根据权利要求3所述的用于流体混匀的微流控芯片，其特征在于，在所述流体通过所述微流控芯片的方向(A)上，所述中间段(S2)依次分为分散段(S21)、混匀段(S22)、汇总段(S23)，

在所述流体通过所述微流控芯片的方向(A)上，所述分散段(S21)的所述分流柱(25)的数量逐渐增多；所述混匀段(S22)的所述分流柱(25)的数量有规律地交替增减变化；所述汇总段(S23)的所述分流柱(25)的数量逐渐减少。

7.根据权利要求6所述的用于流体混匀的微流控芯片，其特征在于，在所述混匀段(S22)设置有连接部(28)，所述连接部(28)设置于所述出液口(26)的下游侧，所述连接部(28)将出液口(26)旁的分流柱(25)连接到所述第一通道(20)的侧壁部，从而阻断通过所述分流柱(25)分流后流向所述侧壁部的流体。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的用于流体混匀的微流控芯片，其特征在于，所述分流柱(25)为棱柱，所述分流柱(25)侧面的一个棱边朝向所述流体通过所述微流控芯片的方向(A)上的上游。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的用于流体混匀的微流控芯片，其特征在于，所述用于流体混匀的微流控芯片包括顶板(1)、中间板(2)和底板(3)，所述第一通道(20)由所述顶板(1)和所述中间板(2)包围形成，所述第二通道(30)由所述中间板(2)和所述底板(3)包围形成。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的用于流体混匀的微流控芯片，其特征在于，所述第一通道(20)和所述第二通道(30)通过蚀刻工艺形成。

11.一种多组分流体混匀方法，其特征在于，所述多组分流体混匀方法使用权利要求1至10中任一项所述的用于流体混匀的微流控芯片，所述流体为层流流体，所述多组分流体混匀方法包括：

将所述流体分流为多条支流；以及

使所述多条支流中的相邻的支流混合，以及使所述多条支流中的位于流体的总流动方向(A)的两侧边缘位置的支流通过第二通道(30)被导流到第一通道(20)中间位置而和中间的支流混合。

12.根据权利要求11所述的多组分流体混匀方法，其特征在于，所述多组分流体混匀方法包括：使靠近所述边缘位置的支流在混合后与位于所述中间位置的所述支流混合。

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