CN110913967A - 流动分配器 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于将流体流从较小的流体流分配到较宽的流体流的分配器(100)。其包括流体输入部(110)和多个流体输出部(120)，以及在流体输入部(110)和多个流体输出部(120)之间的通道结构。该通道结构包括交替分叉通道子结构(132)和公共通道子结构(134)，其中，各子结构设置成使得从分叉通道子结构(132)离开不同通道的流体在随后的公共通道子结构(134)中混合，并且由此分叉通道子结构(132)的各流体通道设置成使得这些流体通道在其边缘处不接触随后的公共通道子结构(134)。

Description

流动分配器
技术领域
本发明涉及流体领域。更具体地说，本发明涉及一种用于将流体流从具有较小流体塞的流动分配到具有较宽的流体塞的流动的流动分配器，以及包括这种分配器的对应的微流体装置、色谱系统和化学反应器。
背景技术
设计新颖的微流体流动分配器以使从窄连接通道或管到宽的分离或反应通道的过渡以及相反的过渡具有最小的色散，这仍然是感兴趣的主题。
可能是最标志性的微流体分配器是由雷尼尔集团(Regnier Group)在微制造的CEC和LC柱上提出的、通常被称为分叉(BF)分配器。其特征在于，它将每个通道连续地分成2个子通道，产生具有相等长度的2n个分配通道，其中n是连续分割的数目。尽管所使用的分配器设计成使得在每个分叉高度处速度保持相同(需要在最初的几个分离阶段中使用相当宽的分配器通道)，但是数值研究表明，如果分配器通道在所有分叉高度处保持相等的宽度，则获得的色散要小得多。图1(a)示出了在所有分叉高度处通道保持相等宽度的这种分叉分配器的示例。
另一类型的分配器经由发散部段来使流动散布，该发散部段是中空的或填充有微结构(柱形物)。与开放的发散部段的情况相比，柱形物的存在可以将色散损失降低至少50％。如果柱形物沿径向方向伸展，以促进径向色散，则可以获得另一主要的改进。在图1(b)中示出这样的径向连接的(RI)分配器的一种示例。它与分叉型分配器明显地区别在于：在分叉型分配器中，分配器中的流动路径一旦分叉就永不再接触。
考虑图1a中示出的类型的BF分配器，即具有恒定通道宽度的BF分配器，该BF分配器是无可改变地需要最小的体积来执行分配任务的分配器类型。鉴于色散通常强烈地受系统的体积的支配，则这赋予了BF分配器重要的优点。BF分配器的另一个明显优点是，所有的流动路径具有相同的轨迹长度，而RI分配器明显具有不同的流动路径长度(通过中心比通过侧边短)。
然而，分叉型分配器的一个重要的缺点是，它对局部阻塞非常敏感。如果分配器中的一个通道部段阻塞，则从其分叉出的所有后续通道都将受到影响，因为它们仅从被阻塞的"母"部段接收液体。这是径向互连型分配器可被认为是有利的，因为它们可利用它们的径向混合以及在所有高度处不同液体流之间存在完全接触的事实来克服这样的局部阻塞。因此，近来对不同流动分配器的阻塞特性进行关注的研究使用了计算流体动力学(CFD)。得出的结论是：如果不存在阻塞，则BF分配器由于其最小体积而比RI分配器表现得更好，而只有当通道中发生显著的阻塞(超过50％)时，才能期望RI分配器强于BF分配器。然而，该研究是通过考虑具有非常宽的通道的系统来进行的，在该系统中，分配可能受各单独的部段中的分配所支配。
发明内容
本发明的各实施例的目的是提出一种用于将流体流动从较小的流体塞分配到较宽的流体塞的分配器，其中实现了良好的色散性能和良好的抗阻塞性。
上述目的通过根据本发明的各实施例的装置和系统来实现。
本发明涉及一种用于将流体流动从较小流体塞分配到较宽流体塞的分配器，所述分配器包括：流体输入部和多个流体输出部，以及位于流体输入部与多个流体输出部之间的通道结构，通道结构包括交替分叉通道子结构和公共通道子结构，其中，所述子结构被设置成，使得从分叉通道子结构离开不同通道的流体在随后的公共通道子结构中混合，并且分叉通道子结构的各流体通道由此被设置成，使得这些流体通道在其边缘处不接触随后的公共通道子结构。
分配器可以是微流体分配器。
本发明的实施例的优点在于，根据本发明的实施例的分配器中的色散具有与分叉分配器类似的宽度依赖性，但是与分叉分配器相比，更不易于出现由阻塞导致的负面影响。因此，根据本发明的实施例的分配器结合了由分叉分配器提供的有利的色散特性，并且该色散特性与在径向互连分配器中实现的从阻塞中恢复的恢复特性相结合。
该流动分配器可称为混合模式或MM分配器。本发明的实施例的优点在于，在没有阻塞的情况下，混合模式分配器仅产生比分叉分配器多一点的色散，但是色散远少于径向互连的分配器。本发明的实施例的优点在于，混合模式分配器遵循类似于分叉分配器的宽度依赖性的宽度依赖性。本发明的实施例的优点在于，分配器允许将流动分配在宽的床上，例如以毫米或厘米的量级。本发明实施例的优点在于，在宽的床上适当分配的可能性与流动速率无关。
混合模式分配器包括经历了一系列分叉的流动路径，其中，接触区域设置在每个分离阶段之后，其中，不同的平行流动路径再次直接流体接触。
此外，根据本发明的实施例的流动分配器相对于分叉分配器显示出有利的性能，因为它更不易于发生阻塞效应。
本发明的实施例的优点在于，混合模式分配器提供处理局部阻塞事件的能力，并且在不存在阻塞的情况下提供良好的色散特性。
公共通道子结构可设置成使得其长度轴线基本上垂直于结构的净顺流，并且公共通道子结构的所述边缘与长度轴线的端点对应。长度轴线和净顺流之间的角度可以替代地不同于基本垂上直，但是有利地，该角度随后变化成使得不同流动路径的净长度相等。
接触区域可填充有流动分配器元件，例如平坦矩形流动分配器元件，其被设计成使得通过分配器的所有平行的流动路径路径具有相同的长度。
至少一个公共通道子结构可包括这样的公共通道，其填充有彼此间隔开地布置的多个柱形件元件。
本发明的实施例的优点在于，包括柱形件元件的公共通道子结构导致具有更多流体再分配可能性的接触区域，从而导致更好的从阻塞事件中恢复的效果。
至少一个公共通道中、即接触区域中的多个柱形件元件可以是排列成偶数行的柱形件元件，其中，每第n行的不同的柱形件元件间空间的中心线的径向位置与前面的分叉通道的出口相匹配，而每第n-1行的不同的柱形件元件间空间的中心线的径向位置与下一行中的柱形件的中心线匹配。行数可以定义为n＝2、4、6、…。
每个公共通道子结构可填充有彼此间隔开地布置的多个柱形件元件。
在每个公共通道中，柱形件元件可以是排列成偶数n行的，其中，每第n行的不同的柱形件元件间空间的中心线的径向位置与前面的分叉通道的出口匹配，而每第n-1行的不同的柱形件元件间空间的中心线的径向位置与下一行中的柱形件的中心线匹配。
更靠近入口的公共通道子结构中柱形件元件的行数可以高于更邻近出口的公共通道子结构中的柱形件元件的行数。
柱形件结构可以具有矩形、菱形或椭圆形形状。
在公共通道子结构的公共通道中可以不存在柱形件结构。
流体输出部的数量可以是2m，其中m是自然数。
本发明也涉及包括如上所述的分配器的微流体结构。
该微流体结构可以是用于色谱系统的色散结构。
本发明还涉及包括如上所述的微流体结构的色谱系统。
本发明也涉及包括如上所述的流动分配器或如上所述的微流体结构的化学反应器。
在所附独立权利要求和从属权利要求中阐述了本发明的特定和优选方面。来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征以及与适当的其它从属权利要求的特征结合，而不是仅如在权利要求中明确阐述的。
参考下文描述的(一个或多个)实施例，本发明的这些和其它方面将变得明了并且得以阐释。
附图说明
图1示出了如从现有技术中已知的分叉(BF)分配器几何形状(a)和径向互连(RI)分配器几何形状(b)，以及根据本发明的实施例的混合模式分配器。在图(e)中，示出了分配器入口的放大视图以及栅格的尺寸和形状。虚线红框包含形成物质注射盒的100个网格单元。
图2示出了在不存在阻塞的情况下，刚好在洗脱时刻之前的空间物质分配，其针对(a)分叉(BF)、(b)径向互连(RI)、和(c)混合模式I(MMI)、以及(d)混合模式II(MMII)的分配器，后两种分配器是根据本发明的一种实施例。由于对称线穿过每个分配器的中心，所以仅示出了每个分配器的一半。
图3说明了在图2所示的情况下，在没有阻塞的情况下，在监测线(参见图1a-图d的线和箭头)处记录的物质带的时间响应。该响应定义为物质的质量分数在监测线上的线积分。
图4示出了在用箭头表示的框中70％的阻塞(参见图1a-d)对刚好在洗脱时刻之前的物质带的影响，其针对(a)分叉(BF)、(b)径向互连(RI)、(c)混合模式I(MMI)、(d)混合模式II(MMII)的分配器，后两种分配器是根据本发明的一种实施例。由于对称线穿过每个分配器的中心，所以仅示出了每个分配器的一半。虚线的椭圆标示了进入已阻塞的通道的物质，红色曲线箭头标示出BF分配器中的物质从未阻塞的区域到已阻塞的区域的泄漏。
图5示出了对于图4所示的情况(70％阻塞)在监视线处记录的物质带的时间响应。该响应定义为物质的质量分数在监测线上的线积分。箭头示出了对于根据本发明的一种实施例的MMI分配器出现的额外峰值，该额外的峰值是由进入已阻塞的通道并且因此在之后离开分配器的物质引起的。
图6示出了在没有阻塞的情况下，在监测线处记录的、根据对于RI(正方形)、MMI(三角形)和BF(菱形)分配器(宽度＝500μm，16个出口)的所施加的流动速率的物质带的体积方差σv 2。MMI分配器由此是根据本发明的一种实施例的。
图7示出了在没有阻塞的情况下，在监测线处记录的根据最终分配器宽度(或出口数量)的物质带的体积方差σv 2(正方形：RI；三角形：MMI；菱形：BF)以及幂律拟合(线)。对于每个分配器宽度，将所施加的流动速率调节为在随后的床中保持相同的线速度(0.25毫米/秒)。MMI分配器由此是根据本发明的一种实施例的。
图8示出了对于500μm宽(16个出口)的RI(正方形)、MMI(三角形)和BF-分配器(菱形)，在监测线处记录的、根据图1所示的红框中的阻塞程度的物质带的体积方差σv 2。流速＝1.32微升/分钟(对应于在随后的床中0.25毫米/秒的线速度)。MMI分配器由此是根据本发明的一种实施例的。
图9示出根据本发明的一种实施例的分配器。附图仅是示意性的而非限制性的。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可能被夸大并且未按比例绘制。
权利要求中的任何附图标记不应解释为限制范围。
在不同的附图中，相同的附图标记表示相同或类似的元件。
具体实施方式
将参考特定实施例并参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此而是仅由权利要求限制。所描述的附图仅是示意性的而非限制性的。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可能被夸大并且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于实施本发明的实际减少量。
此外，说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等用于区分相似的元件，而不一定用于在时间上、空间上、排序中或以任何其它方式来描述顺序。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文描述的本发明的实施例能够以不同于本文中描述或说明的其它顺序操作。
此外，说明书和权利要求中的术语“顶部”、“底部”等是用于描述目的，而不一定用于描述相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且本文描述的本发明的实施例能以不同于本文描述或说明的其它定向操作。
应当注意，权利要求中使用的术语“包括”不应解释为限于其后列出的装置；其不排除其它元件或步骤。因此，应当将其解释为指定所述的特征、整体、步骤或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤或部件或它们的组合。因此，表述“设备包括装置A和B”的范围不应限制为设备仅由部件A和B组成。它意味着对于本发明，设备的相关的部件仅是A和B。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“一实施例”的参照意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”不一定都但有可能是参照相同的实施例。此外，如对来自本公开的领域的一个普通技术人显而易见的是，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。
类似地，应当理解，在本发明的示例性实施例的说明中，为了使本公开文本流畅并且有助于理解本发明各方面周虹的一个或多个方面，有时可在单个实施例、附图或说明中将本发明的各特征组合在一起。然而，该公开的方法不应解释为反映了以下意图：所要求保护的发明需要比每个权利要求中明确记载的更多的特征。相反，如所附的权利要求书反映的，本发明的各方面在于少于单个前述公开实施例的所有特征。因此，在详细说明之后的权利要求书在此明确包含到该详细说明中，其中，每个权利要求自身作为本发明的单独的实施例。
此外，虽然本文描述的一些实施例包括一些特征但不包括被包括在其它实施例中的其它特征，但是如本领域技术人员将理解的，不同的实施例的特征的组合意味着是在本发明的范围内的，并且形成不同的实施例。例如，在以下权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例可以以任意组合使用。
在本文提供的说明中，阐述了许多具体细节。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其它情况下，公知的方法、结构和技术没有详细示出，以免模糊对本说明书的理解。
在本发明的实施例中提到“分叉分配器”的情况下，指的是该分配器中的流动路径一旦分叉就不再彼此接触的分配器。在本发明的实施例中，提到“分叉”是指将通道分成多个子通道。
在本发明的实施例中，提到“径向互连分配器”是指在每次分离之后，所有通道通过止于公共通道中而再次彼此接触。
在第一方面，本发明涉及一种用于将流体流从较小的流体塞分配到较宽的流体塞的分配器。这种分配器可用于任何合适的应用场合，例如色谱应用场合，但是各实施例并不限于此。分配器包括流体输入部和多个流体输出部，以及在流体输入部和多个流体输出部之间的通道结构。通道结构包括交替分叉通道子结构和公共通道子结构，其中，各所述子结构设置成使得从分叉通道子结构离开不同通道的流体在随后的公共通道子结构中混合。此外，分叉通道子结构的流体通道设置成使得这些流体通道在其边缘处不接触随后的公共通道子结构。换句话说，分叉通道的流体通道止于公共通道子结构中，使得在该通道的出口处从通道中流出的流体可在公共通道中沿两个方向流动。公共通道子结构可以认为是被设置成使得其长度轴线垂直于结构的净顺流，并且使得公共通道子结构的边缘与公共通道子结构端点沿着长度轴线而相对应。
根据本发明的各实施例的分配器可以称为混合模式分配器。至少一个公共通道子结构可包括填充有彼此间隔开地布置的多个柱形件元件的公共通道。这种柱形件元件可以是用于微流体通道中的任何合适的柱形件元件，例如矩形柱形件元件，但也可以是圆形柱形件元件、六边形柱形件元件、菱形柱形件元件、椭圆形柱形件元件等。在一些实施例中，所有的公共通道子结构可填充有柱形件元件。对于所有公共通道子结构，所使用的柱形件元件的分布和柱形件元件的类型可以是相同或者可以不同的。分配器可以由分配器常用的材料制成。此外，所使用的通道和柱形件元件的尺寸可以是对于分配器已知的。
在其中在公共通道中使用柱形件元件的特定实施例中，至少一个公共通道中的多个柱形件元件可以是以偶数行对准的柱形件元件，其中，在每第n行处的不同的柱形件元件间空间的中心线的径向位置与前面的分叉通道的出口匹配，而在每第n-1行处的不同的柱形件元件间空间的中心线的径向位置与下一行中的柱形件的中心线匹配。在每第n行的不同的柱形件元件间空间的中心线的径向位置与前面的分叉通道的出口匹配，而在每第n-1行的不同的柱形件元件间空间的中心线的径向位置与下一行中的柱形件的中心线匹配。
在一些实施例中，更靠近入口的公共通道子结构中的柱形件元件的行数大于更邻近出口的公共通道子结构中的柱形件元件的行数。作为说明，本发明的实施例不限于此，图9中示出了示例性分配器100，分配器100包括(输入部)流体输入部110、多个流体输出部120、在流体输入部110和多个流体输出部120之间的通道结构130。根据本发明的实施例的通道结构130包括交替分叉通道子结构132和公共通道子结构134，其中，各所述子结构132、134设置成使得从分叉通道子结构132离开不同通道的流体在随后的公共通道子结构134中混合，并且由此分叉通道子结构132的流体通道设置成使得这些流体通道在其边缘处不接触随后的公共通道子结构134。
在一个方面中，本发明还涉及一种包括如上所述的分配器的微流体结构。微流体结构还可包括另一通道部段，诸如举例来说分离的通道部段。在一些实施例中，也可使用与第一分配器类似或不同的第二分配器，以再次减小流体塞的宽度。在第一方面中描述的分配器的特征和优点也适用于作为整体的微流体结构。根据该方面的微流体结构的一个示例是用于色谱系统的分离结构。
在另一方面中，本发明还涉及一种包括如上所述的微流体结构的色谱系统。更一般地，本发明还涉及包括这种微流体结构的化学反应器。
作为说明，本发明的实施例不限于此，通过将色散特性与分叉分配器和径向互连分配器的代表进行比较，讨论了本发明的实施例的特定示例的混合模式分配器的优点的定量评估。使用计算流体动力学(CFD)在数值上进行了该评估。除非另外提及，否则所有分配器具有相同的入口和相同数量的出口端口，并且经受相同的流动速率，即，用于微制造LC柱的典型的流动速率。为了允许在合理的时间内调查研究大量的条件和几何形状，所有的仿真都以2D进行，忽略了实际上存在的从顶壁和底壁可以预期的附加的色散。包括该效应将增加额外的变量，并且会消耗约10到100倍的计算时间(取决于所选择的通道的纵横比)。在文献中还已经证明的是，附加的3D色散可认为是独立的附加项，尤其是当通道具有高纵横比时，即当通道比起更宽而言明显地是更深的时，这无论如何是由以最小分配器体积(保持通道的深度恒定)为目标的设计所产生的条件。由于来自顶壁和底壁所贡献的附加的色散可以预期为与在分配器中所花费的时间成比例，并且由于这从BF分配器超过MM分配器而增长到RI分配器，因此可以推断这种效应的增加将仅增强目前所观察到的差异。
图1a-图1d分别示出了不同的分配器几何形状，即BF分配器、MMI分配器、MMII分配器和RI分配器。在每个分配器中用箭头指示的线描绘了用于检测离开分配器的物质塞的物质监视线。每个分配器在最外部通道中、在4出口水平处还设有多孔区域(参见图1a-d中用箭头指示的框)。该区域具有可调的可渗透性，允许容易地改变局部流动阻力，以仿真分配器中的不同程度的阻塞，而不必进行不同的绘图。出于对称的原因，仅仿真了一半的几何形状(进一步参见例如图2)。
图1e示出了每个分配器的入口的放大视图，以及所采用的计算栅格(网格)尺寸和形状的示例。虚线框界定了作为注射盒的一部分的单元(共100个单元)。用1％物质作为仿真的起始条件来填补该注射盒中的单元。在每个分配器的出口处(以及对于RI分配器是在整个几何形状上)，平坦矩形分配器元件(在此用作径向伸长的金刚石的替代物)为30μm宽和2.5μm厚。对于BF分配器和MM分配器，在前一个分离步骤中的平坦矩形分配器元件的长度(当沿着流体流动方向时)取为等于分离步骤之后的元件长度的两倍加上一个分配器流通通道的宽度。对于每个分配器，这些通道在整个几何形状上为2.5μm宽。分配器都被送入5cm长的床中，其填充有与在分配器出口处所用的相同的平坦的矩形元件(参见图1a-图1d中用箭头指示的直线之后的柱形件行)。
仿真中使用的流体是液态水。流动速率被选择为使得在分配器之后的反应通道中实现大约0.25毫米/秒的线速度(对于微芯片色谱的实际相关的线速度)。在仿真期间所追踪的物质也是水。在水中的水混合物被赋予1.003厘泊(cP)的粘度和10-9米2/秒的自扩散率。
在讨论结果之前，首先讨论用于仿真的数值方法。所有仿真都是用从比利时瓦夫尔(Wavre,Belgium)的安世比荷卢(Ansys Benelux)购得的
Figure BDA0002265953680000101
工作平台(
Figure BDA0002265953680000102
Workbench)16.2版进行的。在该软件平台内，所有的流场用
Figure BDA0002265953680000103
设计建模器(
Figure BDA0002265953680000104
Workbench Design Modeler)绘制并用
Figure BDA0002265953680000105
网格划分(
Figure BDA0002265953680000106
Meshing)进行网格划分。所有仿真都用
Figure BDA0002265953680000107
辅伦特(
Figure BDA0002265953680000108
Fluent)进行。
网格尺寸选择为使得最短的流场包含10个网格单元。网格由四边形单元组成。为了检查网格独立性，使用包含原始尺寸的一半的网格，产生了四倍的网格计数。对于500μm宽的BF分配器，用这种更精细的网格记录的板高度差比原始的网格仅小3.5％。因此，得出的结论是至少对于本研究原始网格产生足够的精度。
所使用的求解器满足以下条件。首先，使用分离的基于压力的稳态求解器来求解纳维尔-斯托克(Navier-Stokes)方程，来计算速度场。对于空间离散，使用基于最小二乘单元的方法来计算浓度梯度、压力-速度耦合的耦合方案、压力的二阶内插方案和动量的二阶逆风方案。对于平坦矩形柱状件的侧边和侧壁，边界条件设定为壁，入口平面置于固定的质量流动速率，并且将出口平面设定为出流。多孔区域设定为内部。
随后，用1％的物质填补注射盒的100个网格单元。然后，使用具有一阶隐式时间离散和二阶逆风方案(upwind scheme)的用于空间离散的瞬态求解器来求解对流扩散方程，产生迁移通过流场的物质带的瞬态浓度场。使用步长为1.10-6s大小的10000步固定时间步进方法。
所有仿真在戴尔(Dell)Power Edge R210 Rack服务器上进行，每台服务器配备有英特尔(Intel)至强(Xeon)x3460处理器(时钟速度2.8GHz，4核)和16Gb、1333MHz ram存储器，在Windows服务器版2008R(64位)上运行。在上述几何形状中稳态速度场的仿真花费约1小时，而瞬态物质浓度场仿真花费约24小时。
对于每次模拟，通过“监测”线(参见图1a-图1d中的红线)的物质质量分数是作为时间的函数来进行记录。从所得的峰值，使用该峰值的数学矩来计算基于时间的方差(σt 2)和平均洗脱时间
Figure BDA0002265953680000111
Figure BDA0002265953680000112
Figure BDA0002265953680000113
其中，c(t)是根据时间的物质的质量分数。从这些值可以用以下方程计算体积方差(σv2)：
Figure BDA0002265953680000114
使用σv 2(其包含F的信息)而不是σt 2作为峰宽的量度消除了流动速率对所观察的(基于时间的)峰宽的影响。
初始比较
在第一组仿真中，目标是确定所考虑的四个分配器类型中的哪一种在没有阻塞的情况下具有最佳性能。图2示出了对于所考虑的4种分配器类型中的每一种在洗脱时刻的物质带的加框图像。除了由与最大浓度对应的虚线包围的暗的部分之外，暗的部分通常示出了最小浓度。较淡的部分对应于中间浓度。图3示出了在监控线上记录的对应的时间响应(峰)。
Figure BDA0002265953680000121
表1
表1示出了各峰的
Figure BDA0002265953680000122
和σv 2的数值，以及入口和监测线之间的压降。正如从其流通通道的均匀长度及其低体积所预期的，BF分配器产生最窄的峰(σv 2＝0.013纳升2(nL2))并且最快地洗脱。另一方面，离开RI分配器的峰最宽，具有最长的平均洗脱时间，并且显示强烈的峰拖尾。这明显对应于其较大的体积，也反映在RI峰的σv 2，其为0.165纳升2，比BF峰高10倍以上。两个混合模式分配器产生具有中等平均洗脱时间和宽度的峰，但是没有RI分配器的拖尾。与体积差相一致地，MMI分配器具有比起MMII分配器更大的停留(残留)时间并且产生更多的色散(对于MMI，σv 2＝0.026纳升2，而对于MMII，σv 2＝0.017纳升2)。图2中另一个重要观察是BF型分配器以及MM型分配器产生沿径向方向完全均匀的物质带(反映了所有可能的流通路径具有相同长度的事实)，而RI分配器明显产生翘曲的带。后者显然是由中心区域和外部区域之间的流动路径长度差异引起的。显然，这种差异不能通过RI分配器的设计所允许的强径向混合来克服。
表1还显示了分配器上的压降。这里，RI分配器是更有利的，因为流动在许多流动路径上非常迅速地分开，使得局部速度(其在入口处明显是最高的)迅速下降。在BF分配器中情况并非如此，在BF分配器中，最高的流动速率(第一分叉之后的F/2，第2分支之后的F/4，...)在最长的距离(＝流通通道的长度)上保持。因此，BF分配器需要较大的压降。由于存在产生额外压降的接触区域，两个MM型分配器甚至具有更大的压降。
如果MM分配器的额外压降会是一个问题，则可获得这样的设计，其中，流通通道在入口附近最宽，并且朝向出口变得较窄。通道宽度的最佳变化将取决于额外色散和压降之间的折衷。
下一组仿真主要旨在确定两种新分配器(MMI或MMII)中的哪一种在存在阻塞的情况下表现最好。对于这些测量，图1a-d中所示的红色框中的多孔区域被调整以反映4出口高度(图1)处最外部的通道70％阻塞的情况(＝通道横截面面积的70％在2.5μm的长度上是封闭的)。
Figure BDA0002265953680000131
表2
图4和5分别示出了在从分配器洗脱的时刻的带和相应的峰，表2示出了每个峰的
Figure BDA0002265953680000132
和σv 2的数值。在图4中，除了由与最大浓度对应的虚线包围的暗的部分之外，暗的部分通常示出了最小浓度。较淡的部分对应于中间浓度。如可注意到的，与图2a-图3a中的非阻塞的情况相比，BF分配器的峰变得相当宽(σv 2＝0.45纳升2)，并显示出极端的拖尾和不对称性。其原因是BF分配器没有绕过阻塞的流动路径，并且因此不能校正误差。部分注入的物质甚至明显地卡在拥塞部附近的区域中(参见所添加的虚线椭圆)。这也解释了为什么平均洗脱时间变得比在非阻塞的情况下更长。
另一方面，阻塞对于RI分布器的峰形几乎没有任何影响。峰宽(σv 2＝0.271纳升2)、平均洗脱时间和对称性都与没有阻塞的情况下获得的结果几乎相同。这证实了RI型分配器处理局部阻塞事件的优异能力，这是由于其强径向混合和流体可采取的用于避开阻塞区域的许多不同的流动路径。
再次，MM分配器示出了中间特性。然而，MMII分配器表现接近于BF分配器的不利的特性(σv 2增加到了0.532纳升2)，而MMI分配器表现更好(σv 2＝0.223纳升2)。这里，同样可以在分配器的几何形状中找到解释。MMII分配器中的接触区域最小程度地小，并且减少到单个流通通道，使流体仅具有有限的可能性来补偿误差。在MMI分配器中，每个接触区域中存在三个这样的通道层，给予流体更多时间来在分配器的整个宽度上重新分配。为了进一步理解这一点，对离开图4中的MMI分配器和MMII分配器的带进行比较是有益的。而离开MMI分配器中的分配器的带基本上填充通道的整个宽度(反映该分配器克服阻塞而向分配器的最右侧部分馈送的分支的阻塞部的能力)，MMII分配器中的频带显然还不能在离开分配器时到达分配器的最右侧部分。
由于在理想情况下(无阻塞)BF分配器胜过MMII分配器，而在可能阻塞时由MMI分配器胜过MMII分配器，因此决定从所有进一步的计算中省略这种设计。
对于仍在考虑中的三个分配器(BF、RI和MMI)，检流动速率对离开分配器的带的体积方差σv 2的影响。这些仿真在没有阻塞的情况下进行，以获得最简单且直接的深入了解。将五种不同的流动速率施加到每个分配器：1.32微升/分(μL/min)(对应于在分配器之后的反应通道中色谱法的最佳线速度0.25毫米/秒)、1.98微升/分，2.64微升/分、3.96微升/分、和5.28微升/分。这些计算的结果在图6中示出，并且证实了图2-图3和表1的观察结果(MM介于BF和RI之间，但比起RI更靠近BF)。
还惊人地观察到，对于所有三个分配器，σv 2值几乎与所施加的流动速率无关。试图解释这一点，我们考虑在单个微流体通道中的色散的分析表达。无可否认，后者可能仅是对于分配器中的流通通道的非常粗略的表示，但是解析表达式的可用性至少允许理解一些色散动力学。在完全展开并且色散主导的层流条件下行进通过直管的带的体积变化由下式给出：
Figure BDA0002265953680000141
其中α是取决于管的几何形状的常数(对于在两个平行板之间形成的通道，α＝1/105)，并且β＝15πDm/F。
使用等式(1)来根据F计算σv 2，其中d管＝2.5μm，Dm＝1.10-9米2/秒，且L为自入口至任一出口点的流动路径长度(RI＝26.5μm、BF＝25.125μm、MMI＝56.125μm)，显示出流通通道中的色散尚未完全发展(即σv 2/L是尚未恒定的)。换言之，流动速率如此之高，以至于等式(1)中方括号之间的因子仍然以几乎反比的方式随F变化，因此近似地补偿方括号之前的线性F依赖性。这就解释了图6中近似恒定的σv 2值，它仅在L明显大于或F明显小于方括号之间的因子时才收敛为一。以此方式，第一因子的线性F依赖性保持为唯一的流动速率效应，且会实现σv 2与F之间的线性关系。
由于流动速率显然对σv 2没有显著影响，因此所有随后的仿真都是在流速为1.32微升/分下进行的，因为这对应于实际相关的线速度。
为了评估最终分配器宽度如何影响来自先前部分(无阻塞情况)的结论，再次在无阻塞的情况下对于不同通道宽度测量σv 2。通过向分配器添加或消除层和通过增加或减少出口的数量来实现通道宽度的变化，换言之，床中的流通通道和平坦矩形的柱形件的尺寸和分配器中最后一排的柱形件保持相同。注意到，尽管RI分配器可具有任意数量的输出口，但是MMI分配器和BF分配器仅可具有2n个出口，其中，n是整数。此外，当考虑少于8个出口时，MMI分配器与BF分配器之间不存在差异。因此，对于MMI分配器和BF分配器研究了3种情况：250μm(8个出口)、500μm(16个出口)和1000μm(32个出口)宽的最终通道，而对于RI-分配器，研究了相同的3种情况，以及另外两种附加的情况：375μm(12个出口)和750μm(24个出口)。流动速率与最终的分配器宽度成比例，因为假定每个分配器以与分配器相等的宽度进料到反应或分离床中，并且希望对于所有考虑的通道宽度保持床中的线速度相同。这些仿真的结果显示在图7(数据点)以及对应的拟合的幂律曲线中。
在没有阻塞的情况下，BF分配器在每种情况下具有最低的σv 2，RI分配器具有最高的，并且MMI产生的方差大于BF分配器，但是远小于由RI分配器产生的方差。后者在最大分配器宽度处变得越来越突出，因为由RI分配器产生的σv 2值显示出比MMI分配器和BF分配器随分配器宽度成比例地更大的增加。这通过功率方程来量化，该功率方程可通过每个分配器类型的数据点来拟合。如从图7中的拟合可以注意到的，与MMI分配器和BF分配器的指数(分别为2.3和2.1)相比，RI分配器以显著更高的指数(3.8)随分配器宽度增长。粗略地说，这种特性可以理解如下。为了增加宽度，RI分配器不仅增加宽度，而且增加长度(给定其总体三角形形状)。因此，其体积根据宽度2增加。此外，考虑到任何流动系统在第一近似中的方差与其体积的平方成比例，理解了观察到的以宽度4的增加。对于MMI分配器和BF分配器，体积基本上在宽度上而不在长度上增长，基本上给出了体积～宽度，并且因此σv 2～宽度2，这实际上是由观察到的幂律依赖性而近似的。
MMI分配器和BF分配器具有随接近2次幂而增加的方差(σv 2～宽度2)的事实是非常有益的，因为在床中的色散本身在恒定线速度的条件下也可预期为根据宽度2变化。这意味着，当试图使用更宽的通道时，分配器对总色散的相对贡献将保持相同。显然，这是非常有益的特性。RI分配器的近4次幂依赖性(相关性)意味着完全不同的特性，因为分配器对总色散的相对贡献(随宽度4增加)将最终始终超过床的贡献(随宽度2增加)。
最后，通过考虑在图1a-d(红框)中所示的多孔区域中阻塞程度百分比的阶跃变化，更仔细地研究了不同分配器类型(BF、RI和MMI)对阻塞的敏感性。在所有仿真中，流动速率保持恒定处于1.32微升/分。
如图8中可见的，在阻塞为0％时，RI分配器的体积方差σv 2(0.165微升2)比BF分配器或MMI分配器的体积方差高约10倍(σv 2＝0.165微升2相对于σv 2＝0.013微升2到0.02微升2)。然而，当阻塞程度增加时，RI分配器的σv 2值仅相对缓慢地从0.165微升2上升到0.295微升2。这与BF分配器形成鲜明对比，如章节3.1中已经阐述的，BF分配器在0％阻塞时产生最低的方差(σv 2＝0.013微升2)，但当增加阻塞量时显示出σv 2非常陡的上升，在90％阻塞时达到最大的1.16微升2。
在0％堵塞时由MMI分配器产生的方差几乎是BF分配器的0.026微升2方差的两倍，但该值不如BF分配器随阻塞程度上升得陡。因此，在约15％阻塞时，MMI分配器的σv 2降至BF分配器的σv 2以下。在这一点位之后，MMI分配器保持为三个分配器中最低的，直至75％阻塞，在75％阻塞时，它在降回到在80％堵塞时的0.031微升2之前短暂地升高到RI分配器之上。
在80％阻塞时由MMI产生的方差的意外下降可以解释如下。考虑到进入阻塞的通道(参见图4中的虚线椭圆)的少量物质，重要的是意识到该少量物质仅非常缓慢地离开该通道，因为在阻塞通道中速度由于阻塞而比其它在通道中速度低得多。结果，在其到达检测器(或者在我们的情况下为红色监视线)时，其被稀释在检测极限以下(＜最大峰值的0.1％)。换言之，当阻塞程度超过75％时，图5中的MMI信号的第二峰(由小箭头指示)下降到检测极限以下。
在BF分配器中发生类似的效应(参见阻塞通道中的物质仅非常缓慢地离开)，但是由于离开BF分配器的带的不对称性而被掩盖(图4)。事实上，流经未阻塞的通道的部分物质在完全流出分配器之前泄漏到阻塞(部)下方的通道中(图4中的红色箭头)，因为那里的总压力较低，这导致严重的拖尾峰(图5)和因此产生的σv 2高值。
显然，当阻塞发生在一个不同的位置上时，或者当存在多个阻塞点时，或者当分配器宽度不同时，图8中观察到的超越曲线的型式可以不同。然而，大体结论可以预期保持相同，即BF分配器在零或非常低的堵塞百分比下将是优越的，而阻塞一旦变得显著，则MM概念就变得有利，因为其接触区域允许在每个分叉之后的流动的重新分布。这些接触区域中的流动分配器的排数(n)应基于阻塞的可能性来选择。当认为该概率靠近入口较大时，似乎直接提出在入口附近具有较高的n而在出口附近具有较低的n的接触区。

Claims (14)

1.一种用于将流体流动从较小流体塞分配到较宽流体塞的分配器(100)，所述分配器(100)包括流体输入部(110)和多个流体输出部(120)，以及包括位于所述流体输入部(110)与所述多个流体输出部(120)之间的通道结构(130)，所述通道结构(130)包括交替分叉通道子结构(132)和公共通道子结构(134)，其中，各所述子结构(132、134)设置成使得从所述分叉通道子结构(132)离开不同通道的流体在随后的所述公共通道子结构(134)中混合，并且由此所述分叉通道子结构(132)的各流体通道设置成使得这些流体通道在其边缘处不接触随后的所述公共通道子结构(134)。
2.如权利要求1所述的分配器(100)，其特征在于，所述公共通道子结构(134)设置成使得其长度轴线基本上垂直于该结构的净顺流，并且所述公共通道子结构(134)的所述边缘与所述长度轴线的端点对应。
3.如前述权利要求中任一项所述的分配器(100)，其特征在于，至少一个所述公共通道子结构(134)包括填充有彼此间隔开地布置的多个柱形件元件的公共通道。
4.如权利要求3所述的分配器(100)，其特征在于，在至少一个所述公共通道中的所述多个柱形件元件是排列成偶数行的柱形件元件，其中，在每第n行的不同的柱形件元件间空间的中心线的径向位置与前面的分叉通道的出口匹配，而在每第n-1行的不同的柱形件元件间空间的中心线的径向位置与下一行中的柱形件的中心线匹配。
5.如权利要求3至4中任一项所述的分配器(100)，其特征在于，每个所述公共通道子结构(132)填充有彼此间隔开地布置的多个柱形件元件。
6.如权利要求5所述的分配器(100)，其特征在于，对于每个所述公共通道，所述柱形件元件是排列成偶数n行的，其中，在每第n行的不同的柱形件元件间空间的中心线的径向位置与前面的分叉通道的出口匹配，而在每第n-1行的不同的柱形件元件间空间的中心线的径向位置与下一行中的柱形件的中心线匹配。
7.如权利要求6所述的分配器(100)，其特征在于，更靠近入口(110)的所述公共通道子结构(134)中的柱形件元件的行数大于更邻近出口(120)的所述公共通道子结构(134)中的柱形件元件的行数。
8.如权利要求3至7中任一项所述的分配器(100)，其特征在于，柱形件结构具有矩形、菱形或椭圆形的形状。
9.如权利要求1或2中任一项所述的分配器(100)，其特征在于，在所述公共通道子结构(134)的公共通道中不存在柱形件结构。
10.如前述权利要求中任一项所述的分配器(100)，其特征在于，所述流体输出部的个数是2m，其中m是自然数。
11.一种微流体结构，包括如权利要求1至10中任一项所述的分配器(100)。
12.如权利要求11所述的微流体结构，其特征在于，所述微流体结构是用于色谱系统的分离结构。
13.一种色谱系统，包括如权利要求11至12中任一项所述的微流体结构。
14.一种化学反应器，包括如权利要求1至10中任一项所述的流动分配器(100)或如权利要求11至12中任一项所述的微流体结构。
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