CN110975775A - 一种基于迪恩流效应的高通量三维微流体混合装置及其混合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于迪恩流效应的高通量三维微流体混合装置，包括多相接头，多相接头上端设置流体入口，多相接头下端连接特氟龙管，且特氟龙管呈螺旋型，进一步地，可将特氟龙管缠绕于固定棒上进行固定。本发明还提供一种基于迪恩流效应的高通量三维微流体混合装置形成混合液体的方法，包括使用泵体将所需混合的不同流体分别注入多相接头的入口，流体在多相接头下端汇合后，通过特氟龙管形成迪恩流效应，并进行收集。本装置与间歇式反应器相比，混合过程是在管道中完成的，因此可以避免溶剂蒸发产生的热不平衡；特氟龙管材料可以承受高温，强酸，强碱，可适用于多种溶剂，并且可以将其放入恒温槽中以控制温度，材料选择和制造工艺更加简便。

Description

一种基于迪恩流效应的高通量三维微流体混合装置及其混合 方法

技术领域

本发明属于微流控技术领域，更具体地，涉及一种基于迪恩流效应的高通量三维微流体混合装置及其混合方法。

背景技术

微反应器是一种用来混合在狭窄通道中流动的小体积流体的装置。其目的是在微流控系统中使用微混合器进行生化分析、药物递送以及生物过程(如细胞活化、酶反应和蛋白质折叠)核酸的序列化或合成，而这些分析通常需要从混合反应物开始。

微流控芯片作为一种小型化，集成化的分析及检测装置(微反应器)，其功能主要是与反应有关的物质来实现的。其介质之间的有效接触和充分混合是实现微流体装置功能的重要条件。由于微尺度流体的雷诺数很小，所以微通道中的流体大部分处于层流状态，在层流机制下，混合的液体分层且使其有效混合的困难很大。在宏观液体混合领域，湍流是促进液体充分混合的重要手段，但是微流体装置的规模特性极大地限制了传统混合技术在微流体混合领域的应用。因此，随着微流控芯片技术的飞速发展及其巨大的发展潜力，微尺度下的流体的混合问题将成为微流控系统需要长期关注的一类问题。

混合物是由两种或多种物质混合而成的物质。混合物没有固定的化学式，无固定组成和性质，组成混合物的各种成分之间没有发生化学反应，它们将保持着原来的性质。在微尺度条件下，由于流体介质扩散而引起的物质迁移是由沿浓度梯度方向的随机分子运动引起的，非常缓慢。为了加速流体之间的混合，通常在微通道中来设置微结构来扰乱流体的运动，通过改变流体的流动方向，来干扰流体原来的流动轨迹，促进介质之间的混合。在这种情况下，参考Dean流动效应，来实现高效混合的新装置，在这种装置中，微通道曲率的增加导致了两个与主流方向垂直的反向旋转的流动漩涡，被称为“迪恩流”，它在液体上引入了额外的阻力。可以对流动条件进行配置，使Dean流对主流进行再循环，直到它们稳定地处于平衡位置。这些平衡位置是在作用于通道壁的力与作用于内壁的力相平衡的情况下形成的。结果表明，在由流速决定的侧向位移相等的情况下，液体可以集中在通道截面的顶部或底部的两个位置之一。

迪恩数是流体力学中的一个无量纲组，它出现在弯曲管道和通道中的流动研究中。它以英国科学家WR迪恩(WR Dean)的名字命名，他是第一个提出在层流状态下流体通过弯曲管道运动的理论解。

De是无量纲的Dean数，r是曲率半径，Re是通过速度ν，流体运动粘度v和横截面长度l计算的雷诺数，d是以p为润湿周长的通道的水力直径和s为截面积计算的水利直径。

Yuan Nie以及其他人演示了一种利用具有增强混合性能的微流体螺旋通道合成多功能亚微米空心二氧化硅球的简便和超快的方法，该方法是由于离心作用而产生的横向迪恩流穿过通道而引入的。

Jun Yang以及其他人提出了一种由垂直方向重叠的两层螺旋通道组成的三维微混合器。基于迪恩效应原理，这种结构有利于迪恩涡的产生、增强和维持，能有效地扰动层流流体。

在用于复杂化学合成的各种微型化学系统中，混合是非常重要和必要的。例如，在化学合成实验中，第一步总是需要混合不同的化学物质，有些实验还需要快速加热和均匀混合。但是传统的间歇式反应器有一些明显的缺点，例如(1)反应器中反应物和温度的分布不均匀；(2)混合不充分；(3)不同批次之间所得产物的理化特性存在差异，(4)固有的不连续性；(5)扩大规模的难度。为了克服这些缺点，在纳米颗粒的合成中使用了微型反应混合器，以提供对反应温度和停留时间的精确控制，从而使纳米颗粒具有窄的粒度分布。同时，微反应器也有缺点：(1)制造中使用的微细加工技术价格昂贵；(2)所用的某些材料使其焊接复杂并实现气密密封；(3)从微观到宏观的联系通常不是很简单；(4)在精加工的微型反应器中进行改造在经济上不可行，可能会发生堵塞和结垢。

在微流体通道中的流体混合，经常使用Dean流动效应。例如在PDMS上的微通道，一般使用软光刻技术获得。对于玻璃芯片上的微通道，可以通过三个玻片的组装来制造具有优化结构的模型微混合器。两个螺旋形通道分别在两个玻璃载片的表面上蚀刻，一个小孔穿过另一块薄玻璃被蚀刻。然后将所得的三个带图案的载玻片在立体显微镜下精确对准，并与环氧胶粘剂粘结在一起。但其制造过程复杂，流体通量小，而且容易堵塞等缺点，限制了其应用及使用效果。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种基于迪恩流效应的高通量三维微流体混合装置。

本发明的另一目的在于提供上述基于迪恩流效应的高通量三维微流体混合装置的液体混合方法。

本发明提供了一种简单易行的使用Dean流动效应的三维装置，且操作简单，这种方法加工过程简单(几分钟即可完成)，无需使用其他仪器协助。与现有的玻璃芯片和PDMS芯片相比，原料价廉易得，装置操作简便，对需要进行混合的液体无太多限制，易于实现控温，应用性强。

为实现该技术目的，本发明的方案是：

一种基于迪恩流效应的高通量三维微流体混合装置，包括多相接头，多相接头上端设置流体入口，多相接头下端连接特氟龙管，特氟龙管螺旋形。

本发明提及的多相接头的定义为：使得不同相液体分别进入该混合装置的通道，例如，可以是两相或三相接头，依据实际需要将接头实现并联即可。

优选地，特氟龙管缠绕于固定棒上。

优选地，特氟龙管的内径为0.5～2毫米。

优选地，特氟龙管的内径为0.5～1.5毫米。

尤其地，本发明提及的特氟龙管的管道采用特氟龙材料制成，管道内壁光滑。

优选地，固定棒为耐高温材料制成。

本发明采用特氟龙管缠绕固定棒(例如固定棒可以是玻璃棒)，来引入Dean流动，从而完成两相之间的快速混合，对于这种方法，制作工艺简单而且材料易得。且特氟龙管内部为光滑通道，易于流体流动，不易堵塞。

目前的微流控芯片主要采用的是玻璃芯片和PDMS芯片，玻璃芯片成本高，工艺复杂；与玻璃蚀刻得到的三维芯片来实现超快且完全混合的效果相比，PDMS的成本更低和制造工艺更方便，但PDMS芯片的材料受限，它不能承受强酸，强碱，因此并不适用于众多化学物质。另外，对于某些需要加热的实验，PDMS芯片不易加热。因此我们使用特氟龙管来制作三维微流体混合器。既能承受强酸，强碱，也能承受高温。

优选地，特氟龙管的直径为0.5-1.5毫米。基于本发明装置制备合成相应的纳米材料时，由于产生迪恩流效应的注射泵流速需要控制在一定范围，玻璃棒的直径和流速进行适当的配合，才能较好的混合效果，例如，特氟龙管直径太大，流速会降低，反应产生的纳米颗粒不能及时排出，发生堵塞的可能性大；而特氟龙管的直径太小，流体在管道内压力高，流体难以排出，也会影响混合效果。

本发明同时提供所述基于迪恩流效应的高通量三维微流体混合装置形成混合液体的方法，包括使用泵体将所需混合的流体注入多相接头的入口，流体在多相接头下端汇合后，通过控制流体流速和管道大小，使得混合流体通过特氟龙管缠绕形态的管道产生迪恩流效应，并进行收集。

优选地，可将高通量三维微流体混合装置置于温度控制装置中。

更优选地，温度控制装置为水浴锅。

本发明可使用注射泵控制两相的流速，以利用Dean效应获得完全混合。此外，对于该装置所需的材料尺寸，均根据所选用的针管尺寸来确定，流速可控制在几百微升每分钟的速度，根据具体情况具体选择，不做严格限定。

实际上，对于某些化学合成实验，需要一定的时间来生长和形成，因此管道的长度取决于反应所需的停留时间。应当注意的是，在微反应器中，溶剂的蒸发被阻止或完全被抑制。但是，在间歇反应器中，溶剂会蒸发，尤其是在较高的反应温度下。在这种情况下，溶剂蒸发会在溶剂表面附近产生两种类型的局部不均匀性：一方面，由于蒸发而导致表面附近反应物的浓度增加。另一方面，蒸发冷却将导致表面附近温度的局部降低。但是在我们的制备的设备中，因为管子缠绕在玻璃棒上，所以加热面积大且内径很小。因此可以实现即时均匀稳定的加热效果。

优选地，可将高通量三维微流体混合装置置于温度控制装置中。有些需要保持温度的实验，我们可以将3D芯片(基于迪恩流效应的高通量三维微流体混合装置)放入恒温槽中。如图3所示，从模拟中可以看到，一次圆环通道后即可完成完全搅拌。当流体在弯曲通道中流动时，该立体结构用于诱发Dean涡旋。在螺旋通道的中心位置，重要的是保持和增强旋涡的循环状态。可利用该三维芯片混合不同的相流来实现可控的纳米颗粒合成效果，例如控制流速和停留时间，实现可控的调节实验效果。

目前的微流控领域中，流体流速在每分钟20μL以下，基于本发明提供的装置和方法可以达到超出400μL，能够实现更快更好的进行混合，突破了流速的限制。

综上，本发明提供的装置和方法有以下优点：

1、与间歇式反应器相比，混合过程是在管道中完成的，且是连续的，一方面可以避免溶剂蒸发产生的热不平衡，另一方面可以实现连续生产。2、PDMS芯片的材料受限，只能用于某些特定的溶剂，但我们的装置可以承受高温，强酸，强碱，可适用于多种溶剂，并且可以将其放入恒温槽中以控制温度。3、与玻璃芯片的制造相比，我们的三维混合器的材料和制造工艺更加简便。4、该混合器中流体混合管道由光滑的通道构成，不会被残留的样品污染，非常适合于平行分析。

附图说明

图1为Dean流动效应中在弯曲管道中形成的漩涡示意图；

图2为本发明实施例提供的连续生产过程的装置图；

图3为两种不同浓度的流体在螺旋通道中混合流动:通过模拟，预测了两种流体在入口附近的清晰界面，并在一次运行后实现了完全混合；

图4为三维芯片的加工流程图；

图5为本发明实施例提供的混合过程的流程图；

图6为本发明提供的基于迪恩流效应的高通量三维微流体混合装置制备得到的SiO₂纳米小球的SEM图。

具体实施方式

以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

如图2和图4所示，通过注射泵注入不同流体至Y型接头，流速同样可由注射泵控制。所需的材料尺寸，均根据所选用的针管尺寸来确定，根据具体情况具体选择，不做严格限定。然后经过螺旋的特氟龙管进行混合，根据需要可以进行温度处理(例如水浴锅，可进行恒温或加温的温度控制装置)，处理完成后进行液体的收集。

如图5所示，提供了基于本发明的迪恩流效应的高通量三维微流体混合装置的使用方法。

如图3所示，显示了两种不同浓度的流体在螺旋通道中混合流动。由于无法在显微镜中看到不同流体在特氟龙管中的混合效应，所以我们在此采用Comsol5.3a模拟软件来通过模拟的方法对混合过程进行表征。在模拟过程中，使模拟过程尽可能的贴近于实验。本实施例采用0.8mm内径的特氟龙管缠绕于6mm的玻璃棒上，然后通入酒精溶液来实现模拟过程。

在模拟过程中，我们在管道入口处设置step函数，使通入两个浓度完全不同的流体，之后通过观察流体的混合效果，在图3中，我们可以看出流体在一圈混合后即可达到完全混合的目的，而在此实验中，我们采用400μl/min的流速，故在0.8mm内径中的流速为0.0132m/s，而流动环绕直径为6mm的玻璃棒一圈的时间为1.43秒，也即1.43s即可实现流体混合均匀。

即通过模拟，预测了两种流体在入口附近的清晰界面，并在一次运行后实现了完全混合，验证了其可行性。

图6为本发明提供的基于迪恩流效应的高通量三维微流体混合装置在30mins停留时间下的SiO₂纳米小球的SEM图，由此实验来达到佐证该装置实际可行。

具体的该实验过程中：

相1：2ml正硅酸乙酯+32ml乙醇混合；

相2：10ml氨水(浓度为25％)+20ml乙醇混合；

特氟龙管的内径：0.8mm。

通过超声清洗器超声10mins，使溶液分别混合均匀，之后使用注射泵分别以200μl/min的流速汇合，并通入该3D装置，通过迪恩流效应在一整圈旋转之后达到完全混合的效果，可通过延长管子长度来达到更佳的停留时间，使二氧化硅小球得到完全的生长，从而得到均匀的二氧化硅小球。

在该实验中，使用本专利所提供的装置，可以达到2s以内实现混合完全，且由于使用特氟龙管，依靠其耐高温，耐酸碱的特性，从而极大扩大了实验中所应用的体系范围，例如，混合种类不受限制。

此外，由于特氟龙管的内径仅为0.8mm，所以可以瞬间实现加热，且受热均匀，极大的减少了使用烧瓶进行加热反应生成二氧化硅小球的时间。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于迪恩流效应的高通量三维微流体混合装置，包括多相接头，多相接头上端设置流体入口，其特征在于，多相接头下端连接特氟龙管，特氟龙管螺旋形。

2.根据权利要求1所述基于迪恩流效应的高通量三维微流体混合装置，其特征在于，特氟龙管缠绕于固定棒上。

3.根据权利要求1所述基于迪恩流效应的高通量三维微流体混合装置，其特征在于，特氟龙管的内径为0.5～2毫米。

4.根据权利要求3所述基于迪恩流效应的高通量三维微流体混合装置，其特征在于，特氟龙管的内径为0.5～1.5毫米。

5.根据权利要求2所述基于迪恩流效应的高通量三维微流体混合装置，其特征在于，固定棒为耐高温材料制成。

6.根据权利要求5所述基于迪恩流效应的高通量三维微流体混合装置，其特征在于，固定棒的直径为5～10毫米。

7.一种权利要求1所述基于迪恩流效应的高通量三维微流体混合装置形成混合液体的方法，其特征在于，包括使用泵体将所需混合的流体注入多相接头的入口，流体在多相接头下端汇合后，通过控制流体流速和管道大小，使得混合流体通过特氟龙管缠绕形态的管道产生迪恩流效应，并进行收集。

8.根据权利要求7所述基于迪恩流效应的高通量三维微流体混合装置形成混合液体的方法，其特征在于，可将高通量三维微流体混合装置置于温度控制装置中。

9.根据权利要求8所述基于迪恩流效应的高通量三维微流体混合装置形成混合液体的方法，其特征在于，温度控制装置为水浴锅。

Images