CN111644215A - 一种液态金属微流控混合装置 - Google Patents
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Abstract
一种液态金属微流控混合装置，属于微流控技术领域。所有微流控薄膜层叠放设置，每相邻两个微流控薄膜层之间设置微电极装置层或微磁极装置层，微流控薄膜层上设有混合液体出口、微混合腔、螺旋形轨道，液体样本入口及至少两个微流道；螺旋形轨道设置在微混合腔内，微流道与微混合腔连通，其中一个微流道上设有混合液体出口，余下的微流道上设有液体样本入口，每个螺旋形轨道内均设有液态金属，位于上面的微流控薄膜层的混合液体出口和与其相邻的位于下面的微流控薄膜层的一个液体样本入口连接；本发明利用液态金属在预设的螺旋形轨道内的循环运动，实现液体样本的快速混合。本发明用于液态金属微流控混合。
Description
技术领域
本发明属于微流控技术领域，具体涉及一种液态金属微流控混合装置。
背景技术
液体混合是生物医学领域经常需要完成的物理过程，混合效率和混合效果与采用的混合方法直接相关。随着微流控芯片实验室的发展，利用微流控技术实现微尺度(通常<1mm)下微量液体混合有着越来越广泛的需求和应用。目前，微尺度下液体样本混合方式主要分为两大类：主动混合方式和被动混合方式。被动混合方式中，由于微尺度下液体流动速度慢(主要表现为层流)，因此导致混合效率低，而改进的被动混合装置，通常具有复杂的结构设计。主动混合方式是在一定的微尺度范围内，借助外力来实现液体样本的混合，目前常用的主动混合方式主要有搅拌式、磁珠式、电渗驱动式等，但这些混合方式存在一些缺点：采用的外部元部件容易与待混合液体产生化学反应，造成液体污染；所采用的运动部件形状固定，运动过程中容易产生混合死区，降低混合效果，且运动轨迹的可控性较差；系统所需电源电压高，体积较大，不便于微流控系统的集成和推广应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前微流控混合装置易污染、易形成死区、可控性差、耗能高以及不便于集成等问题，提供了一种液态金属微流控混合装置。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种液态金属微流控混合装置，包括至少两个微流控薄膜层、以及至少一个微电极装置层或至少一个微磁极装置层，所有所述微流控薄膜层平铺且上下叠放设置，每相邻两个微流控薄膜层之间设置一个微电极装置层或一个微磁极装置层，每个微流控薄膜层上表面均设有混合液体出口、微混合腔、螺旋形轨道，至少一个液体样本入口及至少两个微流道；所述螺旋形轨道设置在微混合腔内，每个微流控薄膜层的所有所述微流道均与该微流控薄膜层的微混合腔连通，其中一个微流道上沿竖向设有所述混合液体出口，余下的微流道上沿竖向设有所述液体样本入口，每个微流控薄膜层的螺旋形轨道内均设有液态金属，所述液态金属沿所在螺旋形轨道运动，位于上面的微流控薄膜层的混合液体出口和与其相邻的位于下面的微流控薄膜层的一个液体样本入口连接；
所有所述微电极装置层内电极的正极与所有螺旋形轨道的中心垂直对齐，所有微电极装置层内电极的负极与所有螺旋形轨道入口垂直对齐；或者，所有所述微磁极装置层的内置电磁铁的两个磁极的其中一个磁极与所有螺旋形轨道的中心垂直对齐，所有微磁极装置层的内置电磁铁的另一个磁极与所有螺旋形轨道的入口垂直对齐。
本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明所提供的液态金属微流控混合装置，利用液态金属在预设的螺旋形轨道内的循环运动，实现液体样本的快速混合。液态金属特性稳定，不易与待混合液体样本发生化学反应，造成样本污染，且即使温度导致液态金属相态改变，也无影响；液态金属不受轨道形状和尺寸的限制，其形状可随轨道形状和尺寸的变化而变化，运动中不容易产生混合死区，可以有效提高混合效果；改变电场或磁场的强度和极性，可以改变液态金属的运动速度和运动轨迹，系统可控性高；驱动液态金属运动的电场电压为直流电压，且最低仅需3～5V，耗能低，体积小，便于与其它微流控系统的集成；且螺旋形轨道可以根据混合需求更改形状并快速成型，成本低，制作快捷方便。
附图说明
图1为实施例1中的一种液态金属微流控混合装置的轴测图；
图2为实施例1中的一种液态金属微流控混合装置的左视图；
图3为实施例1中的第一微流控薄膜层的俯视图；
图4为实施例1中的第二微流控薄膜层的俯视图。
上述附图中涉及到的部件名称及标号如下：
第一微流控薄膜层1、第一液体样本入口1-1、第一液态金属1-2、第一混合液体出口1-3、第一微流道1-4、第一微混合腔1-5、第一螺旋形轨道1-6、微电极装置层2、第二微流控薄膜层3、第二液体样本入口3-1、第二液态金属3-2、第二混合液体出口3-3、第二微流道3-4、第二微混合腔3-5、第二螺旋形轨道3-6。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式披露了一种液态金属微流控混合装置，包括至少两个微流控薄膜层、以及至少一个微电极装置层2或至少一个微磁极装置层，所有所述微流控薄膜层平铺且上下叠放设置，每相邻两个微流控薄膜层之间设置一个微电极装置层2或一个微磁极装置层，每个微流控薄膜层上表面均设有混合液体出口、微混合腔、螺旋形轨道，至少一个液体样本入口及至少两个微流道；所述螺旋形轨道设置在微混合腔内，每个微流控薄膜层的所有所述微流道均与该微流控薄膜层的微混合腔连通，其中一个微流道上沿竖向设有所述混合液体出口，余下的微流道上沿竖向设有所述液体样本入口，每个微流控薄膜层的螺旋形轨道内均设有液态金属，所述液态金属沿所在螺旋形轨道运动，位于上面的微流控薄膜层的混合液体出口和与其相邻的位于下面的微流控薄膜层的一个液体样本入口连接；
所有所述微电极装置层2内电极的正极与所有螺旋形轨道的中心垂直对齐，所有微电极装置层2内电极的负极与所有螺旋形轨道入口垂直对齐；或者，所有所述微磁极装置层的内置电磁铁的两个磁极的其中一个磁极与所有螺旋形轨道的中心垂直对齐，所有微磁极装置层的内置电磁铁的另一个磁极与所有螺旋形轨道的入口垂直对齐(液态金属在磁场或电场力的作用下，沿着轨道运动，带动液体样本的流动；改变磁场或电场的极性，液态金属则沿螺旋形轨道反方向运动，实现液体样本的快速混合)。
进一步的是：所有所述微混合腔高度均相同，所有所述螺旋形轨道深度均相同，并与微混合腔高度相一致。
进一步的是，所有所述螺旋形轨道的宽度相等或不等。
进一步的是，所有所述螺旋形轨道的螺旋形状为椭圆螺旋形状、矩形螺旋形状或三角螺旋形状。
进一步的是，所述液态金属的材料为低熔点单质金属或金属合金，所述液态金属的材料为低熔点单质金属或金属合金，所述单质金属为液态汞、液态金属镓，所述金属合金为镓铝合金、镓铋合金、镓锡合金、镓铟合金，所述液态金属为上述单质金属中的一种或是两种的组合，或者是上述金属合金中的一种或是几种的组合。
进一步的是，所述液态金属的相态为固态或固液临界相态。
进一步的是，所有所述微流控薄膜层的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃和高分子树脂中的一种或其中几种的组合。
进一步的是，所述液态金属形状为条状或球状。
进一步的是，所述微流控薄膜层的个数为三个或三个以上(最多为5个微流控薄膜层)以实现更多液体样本的分级混合，每相邻两个微流控薄膜层间均设有微电极装置层2。
实施例1：
如图1-4所示，本实施例披露了一种液态金属微流控混合装置，包括第一微流控薄膜层1、第二微流控薄膜层3及微电极装置层2，所述第一微流控薄膜层1及第二微流控薄膜层3平铺且上下叠放设置，第一微流控薄膜层1与第二微流控薄膜层3之间设置一个微电极装置层2，第一微流控薄膜层1上表面设有第一混合液体出口1-3、第一微混合腔1-5、第一螺旋形轨道1-6、两个第一液体样本入口1-1及三个第一微流道1-4；所述第一螺旋形轨道1-6设置在第一微混合腔1-5内，所述三个第一微流道1-4均与第一微混合腔1-5连通，其中一个第一微流道1-4上沿竖向设有所述第一混合液体出口1-3，余下的两个第一微流道1-4上沿竖向各设有一个第一液体样本入口1-1，第一微流控薄膜层1的第一螺旋形轨道1-6内设有第一液态金属1-2，所述第一液态金属1-2沿第一螺旋形轨道1-6运动；
所述第二微流控薄膜层3上表面设有第二混合液体出口3-3、第二微混合腔3-5、第二螺旋形轨道3-6、两个第二液体样本入口3-1及三个第二微流道3-4；所述第二螺旋形轨道3-6设置在第二微混合腔3-5内，所述三个第二微流道3-4均与第二微混合腔3-5连通，其中一个第二微流道3-4上沿竖向设有所述第二混合液体出口3-3，余下的两个第二微流道3-4上沿竖向各设有一个第二液体样本入口3-1，第二微流控薄膜层3的第二螺旋形轨道3-6内设有第二液态金属3-2，所述第二液态金属3-2沿第二螺旋形轨道3-6运动，第一混合液体出口1-3与其中一个第二液体样本入口3-1垂直连接(便于多种液体样本的分级混合)；
所述微电极装置层2内电极的正极与第一螺旋形轨道1-6和第二螺旋形轨道3-6的中心垂直对齐，微电极装置层2内电极的负极与第一螺旋形轨道1-6及第二螺旋形轨道3-6入口垂直对齐；
所述第一微混合腔1-5与第二微混合腔3-5高度均相同，所述第一螺旋形轨道1-6与第二螺旋形轨道3-6深度均相同，并均与第一微混合腔1-5和第二微混合腔3-5高度相一致；
第一螺旋形轨道1-6的宽度相等或不等，第二螺旋形轨道3-6的宽度相等或不等；
第一螺旋形轨道1-6与第二螺旋形轨道3-6的宽度相等或不等(液态金属形状不受螺旋形轨道形状的限制，在流动过程中不会产生死角)；
第一螺旋形轨道1-6和第二螺旋形轨道3-6的螺旋形状均为椭圆螺旋形状、矩形螺旋形状或三角螺旋形状。
所述第一液态金属1-2和第二液态金属3-2的材料均为低熔点单质金属或金属合金，所述单质金属为液态汞、液态金属镓，所述金属合金为镓铝合金、镓铋合金、镓锡合金、镓铟合金，第一液态金属为上述单质金属中的一种或是两种的组合，或者是上述金属合金中的一种或是几种的组合，第二液态金属为上述单质金属中的一种或是两种的组合，或者是上述金属合金中的一种或是几种的组合；
第一液态金属1-2和第二液态金属3-2的相态均为固态或固液临界相态；第一液态金属1-2和第二液态金属3-2形状均为条状或球状；
第一微流控薄膜层1和第二微流控薄膜层3的材料均为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃和高分子树脂中的一种或其中几种的组合；
实施例1的工作原理是：将待混合的两种液体样本分别通过第一微流控薄膜层1的两个第一液体样本入口1-1进入第一微混合腔1-5内，第一微混合腔1-5腔内的第一液态金属1-2在电场的作用下沿着第一螺旋形轨道1-6运动，由于牛顿内摩擦力的作用，带动附近流场内液体样本的流动和混合。改变电场的极性，第一液态金属1-2则沿着第一螺旋形轨道1-6反方向运动，带动液体样本反向流动和混合，从而提高样本的混合效率。第一微流控薄膜层1内液体混合完毕后，通过第一混合液体出口1-3及第二液体样本入口3-1流入第二微流控薄膜层3的第二微混合腔3-5内，继续完成与其它液体样本的混合。通过改变电场的强度和极性，可以有效控制第二液态金属3-2的运动速度和液体的混合效果。
Claims (9)
1.一种液态金属微流控混合装置，其特征在于：包括至少两个微流控薄膜层、以及至少一个微电极装置层(2)或至少一个微磁极装置层，所有所述微流控薄膜层平铺且上下叠放设置，每相邻两个微流控薄膜层之间设置一个微电极装置层(2)或一个微磁极装置层，每个微流控薄膜层上表面均设有混合液体出口、微混合腔、螺旋形轨道，至少一个液体样本入口及至少两个微流道；所述螺旋形轨道设置在微混合腔内，每个微流控薄膜层的所有所述微流道均与该微流控薄膜层的微混合腔连通，其中一个微流道上沿竖向设有所述混合液体出口，余下的微流道上沿竖向设有所述液体样本入口，每个微流控薄膜层的螺旋形轨道内均设有液态金属，所述液态金属沿所在螺旋形轨道运动，位于上面的微流控薄膜层的混合液体出口和与其相邻的位于下面的微流控薄膜层的一个液体样本入口连接；
所有所述微电极装置层(2)内电极的正极与所有螺旋形轨道的中心垂直对齐，所有微电极装置层(2)内电极的负极与所有螺旋形轨道入口垂直对齐；或者，所有所述微磁极装置层的内置电磁铁的两个磁极的其中一个磁极与所有螺旋形轨道的中心垂直对齐，所有微磁极装置层的内置电磁铁的另一个磁极与所有螺旋形轨道的入口垂直对齐。
2.根据权利要求1所述的一种液态金属微流控混合装置，其特征在于：所有所述微混合腔高度均相同，所有所述螺旋形轨道深度均相同，并与微混合腔高度相一致。
3.根据权利要求1或2所述的一种液态金属微流控混合装置，其特征在于：所有所述螺旋形轨道的宽度相等或不等。
4.根据权利要求1所述的一种液态金属微流控混合装置，其特征在于：所有所述螺旋形轨道的螺旋形状为椭圆螺旋形状、矩形螺旋形状或三角螺旋形状。
5.根据权利要求1所述的一种液态金属微流控混合装置，所述液态金属的材料为低熔点单质金属或金属合金，所述单质金属为液态汞、液态金属镓，所述金属合金为镓铝合金、镓铋合金、镓锡合金、镓铟合金，所述液态金属为上述单质金属中的一种或是两种的组合，或者是上述金属合金中的一种或是几种的组合。
6.根据权利要求1所述的一种液态金属微流控混合装置，其特征在于：所述液态金属的相态为固态或固液临界相态。
7.根据权利要求1所述的一种液态金属微流控混合装置，其特征在于：所有所述微流控薄膜层的材料为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃和高分子树脂中的一种或其中几种的组合。
8.根据权利要求1所述的一种液态金属微流控混合装置，其特征在于：所述液态金属形状为条状或球状。
9.根据权利要求1所述的一种液态金属微流控混合装置，其特征在于：所述微流控薄膜层的个数为三个或三个以上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |