CN111974290A - 一种太极形被动式微混合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太极形被动式微混合器，包括盖片和基片。其中，盖片上设有至少两个进液孔和一出液孔；基片正对盖片的一面设有混合流道，混合流道包括至少两条入口通道、一主通道、若干混合单元和一出口通道，进液孔与入口通道数量相同且一一对应，进液孔与入口通道的一端连通，入口通道的另一端与主通道的一端连通，出液孔与出口通道的一端连通，主通道的另一端和出口通道的另一端之间连接一个或串联连接多个混合单元，混合单元包括沿流体流动方向依次连接的长垂直转角通道、圆形空腔、圆弧通道和短垂直转角通道。相比于现有技术，本发明公开的微混合器在保证高混合效率的同时，流体的流动损失也小。

Description

一种太极形被动式微混合器
技术领域
本发明涉及微流控芯片中的微流体混合技术领域，特别是涉及一种太极形被动式微混合器。
背景技术
微流控分析具备试剂消耗少、反应速度快以及易于集成等优点，在生物医药、分析化学、生命科学等领域具有巨大的应用价值和经济效益。反应物之间的充分接触和有效混合是分析的基础，因而微混合器作为微流控芯片重要的前处理器，其混合性能至关重要。目前，根据有无外界能量驱动将微混合器分为主动式和被动式。前者通过对混合系统施加外界扰动而后者利用微通道特殊的结构以控制混合。相较于主动式微混合，被动式微混合不需要复杂的外部设备，操作简单、易于集成、成本低，备受研究人员青睐。被动式微混合器中提高流体混合效率的手段有提高分子扩散水平和增强混沌对流两种，具体实施方式包括利用分离重组结构增强流体接触面积、通过减小微通道宽度缩短组分扩散距离、在流道内设置挡板或阻块以及设计蜿蜒曲折的通道等等。然而，分离重组结构对流体混合程度的增强与通道长度有很大关系，一定流道长度下混合是有限的，而其他方法在增强流体混合程度的同时也造成流体的流动损失增大。
因此，设计开发出高效率且低流动损失的被动式微混合器以实现微流体之间快速、均匀的混合是十分必要的，这对微混合器现实的应用以及微流控系统的发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效率且低流动损失的太极形被动式微混合器，通过特殊的结构在流道内引入涡流以及加强流体之间的碰撞以实现快速、均匀的混合。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明公开了一种太极形被动式微混合器，包括：
盖片，所述盖片上设有至少两个进液孔和一出液孔；
基片，所述基片正对所述盖片的一面设有混合流道，所述混合流道包括至少两条入口通道、一主通道、若干混合单元和一出口通道，所述进液孔与所述入口通道数量相同且一一对应，所述进液孔与所述入口通道的一端连通，所述入口通道的另一端与所述主通道的一端连通，所述出液孔与所述出口通道的一端连通，所述主通道的另一端和所述出口通道的另一端之间连接一个或串联连接多个所述混合单元，所述混合单元包括沿流体流动方向依次连接的长垂直转角通道、圆形空腔、圆弧通道和短垂直转角通道。
优选地，相邻的两个所述混合单元分别位于所述主通道的轴线两侧。
优选地，所述长垂直转角通道和所述短垂直转角通道在转角处均有一段长度为ht的突结结构，50μm≤ht≤300μm。
优选地，所述圆形空腔的两侧壁均为弧形侧壁，半径分别为R1、R2，所述圆形空腔的两个弧形侧壁开口均朝向所述主通道的轴线且圆心角均为180°，R1≥50μm，1≤R2/R1≤10。
优选地，所述圆弧通道具有三个共圆心的侧壁，分别为一个半径为R0的圆形侧壁和两个半径分别为R3、R4的弧形侧壁；200μm≤R0≤500μm，0＜R3－R0≤300μm，0＜R4－R0≤300μm，R3≠R4；所述圆形侧壁的一部分与半径为R3的弧形侧壁围成第一圆弧通道，所述圆形侧壁的另一部分与半径为R4的弧形侧壁围成第二圆弧通道，所述圆弧通道的两个弧形侧壁分别与所述圆形空腔的两个弧形侧壁相连。
优选地，所述圆形空腔的两个侧壁与所述圆弧通道的三个侧壁的圆心均共线，且圆心连线与所述主通道的轴线平行。
优选地，所述入口通道为两个，两个所述入口通道相对于所述主通道的轴线对称分布且与所述主通道垂直，所述入口通道的宽度与所述主通道的宽度相等，均为wm，wm≤500μm。
优选地，所述长垂直转角通道包括第一通道和与所述第一通道垂直连通的长通道，所述短垂直转角通道包括第二通道和与所述第二通道垂直连通的短通道，所述第一通道与所述主通道或相邻的所述混合单元的所述第二通道连通，所述第二通道与所述出口通道或相邻的所述混合单元的所述第一通道连通，所述长通道与同一所述混合单元的所述圆形空腔连通，所述短通道与同一所述混合单元的所述圆弧通道连通，所述第一通道、所述第二通道、所述主通道、所述出口通道共线且宽度相等。
优选地，所述长通道与所述短通道宽度相等，且宽度不大于所述第一通道的宽度。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明主要通过在混合流道内引入涡流以及使流体间产生碰撞以提高混合效率，当待混合流体流入混合单元时，长垂直转角通道中的突结结构会对流入的混合流体产生阻碍，改变流体原本流动方向并使其与后续流入的流体碰撞产生涡流；圆形空腔会导致垂直主流方向的二次流的出现，加强了混沌对流；圆弧通道中由于两通道宽度的差异，混合流体在分离重组结构后会产生不平衡的碰撞；短垂直转角通道中，转角处通道宽度突然扩大导致混合流体会在突结处产生涡流，这些结构的存在大大增强了流体间的混合程度。而且，相较于其他高效率的微混合器，本发明提供的微混合器由于并未引入障碍物等容易造成高流动损失的结构，流动损失较小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例太极形被动式微混合器的整体结构示意图；
图2为基片上混合流道的结构示意图；
图3为混合单元的结构示意图；
图4为本实施例太极形被动式微混合器与其他两种微混合器混合效率与压降的对比图；
附图标记说明：1-进液孔；2-盖片；3-基片；4-出液孔；5-入口通道；6-主通道；7-混合单元；8-出口通道；701-长垂直转角通道；702-圆形空腔；703-圆弧通道；704-短垂直转角通道。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种高效率且低流动损失的太极形被动式微混合器，通过特殊的结构在流道内引入涡流以及加强流体之间的碰撞以实现快速、均匀的混合。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-4所示，本实施例提供一种太极形被动式微混合器，包括盖片2和基片3。
其中，盖片2上设有至少两个进液孔1和一出液孔4；基片3正对盖片2的一面设有混合流道，混合流道包括至少两条入口通道5、一主通道6、若干混合单元7和一出口通道8；进液孔1与入口通道5数量相同且一一对应，进液孔1与入口通道5的一端连通，入口通道5的另一端一端与主通道6的一端连通，出液孔4与出口通道8的一端连通；主通道6的另一端和出口通道8的另一端之间连接一个或串联连接多个混合单元7，混合单元7包括沿流体流动方向依次连接的长垂直转角通道701、圆形空腔702、圆弧通道703和短垂直转角通道704。
该太极形被动式微混合器在使用时，待混合流体经盖片2上的进液孔1流入基片3上的混合流道，混合流道中的混合单元7为主混合区，其中的特殊结构能够诱导涡流以及使流体间产生碰撞，有利于增强待混合流体间的混沌程度，以实现充分混合，在若干混合单元7的作用下，混合均匀的流体最终从出液孔4流出。
需要说明的是，本实施例中，考虑到成本、可加工性以及便于观察流体混合情况，采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为盖片2和基片3的材料，本领域技术人员也可根据实际需要选择其它常用材料；本实施例中，基片3的制作方法为模具成型法，本领域技术人员也可选用直接加工法等其它常用制作方法；本实施例中，盖片2和基片3的封合方法为采用不可逆封装中的热压键合方法以实现封装，本领域技术人员也可根据需要选择可逆封装与不可逆封装中的其它常用封装方法。
本实施例中，长垂直转角通道701和短垂直转角通道704在转角处均有一段长度为ht的突结结构，50μm≤ht≤300μm，优选为ht＝200μm。突结结构会对流入的混合流体产生阻碍，改变流体原本流动方向并使其与后续流入的流体碰撞产生涡流，从而增强流体间的混合程度。
本实施例中，圆形空腔702的两侧壁均为圆弧侧壁，半径分别为R1、R2，由于曲率的存在，待混合流体流经圆形空腔702时垂直主流方向会产生二次流，从而加强混沌对流。圆形空腔702的两个弧形侧壁开口均朝向主通道6的轴线且圆心角均为180°，R1≥50μm，1≤R2/R1≤10，R1、R2的尺寸优选为R1＝300μm，R2＝870μm。
本实施例中，圆弧通道703具有三个共圆心的侧壁，分别为一个半径为R0的圆形侧壁和两个半径分别为R3、R4的弧形侧壁；200μm≤R0≤500μm，0＜R3－R0≤300μm，0＜R4－R0≤300μm，R3≠R4；圆形侧壁的一部分与半径为R3的弧形侧壁围成第一圆弧通道，圆形侧壁的另一部分与半径为R4的弧形侧壁围成第二圆弧通道，圆弧通道703的两个弧形侧壁分别与圆形空腔702的两个弧形侧壁相连。由于第一圆弧通道与第二圆弧通道宽度的差异，两股混合流体在圆弧通道703出口处重组时会产生不平衡的碰撞，有利于提高流体混合效率。
本实施例中，相邻的两个混合单元7分别位于主通道6的轴线两侧，混合单元数目优选为4个。圆形空腔702的两个侧壁与圆弧通道703的三个侧壁的圆心均共线，且圆心连线与主通道6的轴线平行。
本实施例中，入口通道5为两个，用于两股流体的进样。两个入口通道5相对于主通道6的轴线对称分布且与主通道6垂直，入口通道5的宽度与主通道6的宽度相等，均为wm，wm≤500μm，优选为wm＝300μm。
本实施例中，长垂直转角通道701包括第一通道和与第一通道垂直连通的长通道，短垂直转角通道704包括第二通道和与第二通道垂直连通的短通道。第一通道与主通道6或相邻的混合单元7的第二通道连通，第二通道与出口通道8或相邻的混合单元7的第一通道连通。长通道与同一混合单元7的圆形空腔702连通，短通道与同一混合单元7的圆弧通道703连通。第一通道、第二通道、主通道6、出口通道8共线且宽度相等，优选为300μm。长通道与短通道宽度相等，且宽度不大于第一通道的宽度，宽度优选为200μm。
以去离子水和墨水标记的去离子水的混合为例，本实施例提供的太极形被动式微混合器工作时，两进液孔1分别通入流速相同的去离子水和墨水标记的去离子水，两股流体从进液孔1流入入口通道5，再汇入主通道6产生初步的混合，此时流体之间的混合主要依靠分子扩散作用。流体主要混合区为混合单元7，初步混合后的流体从主通道6流入混合单元7中的长垂直转角通道701，转角处的突结结构对流入的流体产生阻挡作用，使之反向与后续流入的流体碰撞，产生一定的扰动；混合流体从长垂直转角通道701进入圆形空腔702时垂直于主流的截面上会产生二次流，加强了混沌对流；接着流体流入圆弧通道703，一方面，分离重组结构有利于增大流体间接触面积，另一方面，由于两圆弧通道宽度的差异性，圆弧通道703出口处流体会产生不平衡的碰撞，流层之间剧烈扰动，提高了流体的混合程度；而且碰撞后的流体从短垂直转角通道704中的短通道流入第二通道时，由于突扩效应突结处会产生旋涡，加强流体间混沌程度。经过若干混合单元7后，两股流体之间的混合程度会得到大大增强，最后混合均匀的流体流入出口通道8，并从出液孔4流出。
图4为本实施例提供的太极形被动式微混合器与专利CN109985544A(一种回流结构被动式微混合器)提供的微混合器以及人字沟槽微混合器(肖明宇.人字形沟槽微混合器的混合机制及应用实验研究[D].哈尔滨工业大学,2018.)在雷诺数Re为1-40时的混合效率与压降。图中，实线为三种微混合器的混合效率，虚线为压降。通过对比三种微混合器的混合效率和压降可以发现，与回流式微混合器、人字沟槽微混合器相比，本实施例提供的微混合器混合性能优异，在保证较高混合效率的同时，流动损失也较小。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种太极形被动式微混合器，其特征在于，包括：
盖片，所述盖片上设有至少两个进液孔和一出液孔；
基片，所述基片正对所述盖片的一面设有混合流道，所述混合流道包括至少两条入口通道、一主通道、若干混合单元和一出口通道，所述进液孔与所述入口通道数量相同且一一对应，所述进液孔与所述入口通道的一端连通，所述入口通道的另一端与所述主通道的一端连通，所述出液孔与所述出口通道的一端连通，所述主通道的另一端和所述出口通道的另一端之间连接一个或串联连接多个所述混合单元，所述混合单元包括沿流体流动方向依次连接的长垂直转角通道、圆形空腔、圆弧通道和短垂直转角通道。
2.根据权利要求1所述的太极形被动式微混合器，其特征在于，相邻的两个所述混合单元分别位于所述主通道的轴线两侧。
3.根据权利要求1所述的太极形被动式微混合器，其特征在于，所述长垂直转角通道和所述短垂直转角通道在转角处均有一段长度为ht的突结结构，50μm≤ht≤300μm。
4.根据权利要求1所述的太极形被动式微混合器，其特征在于，所述圆形空腔的两侧壁均为弧形侧壁，半径分别为R1、R2，所述圆形空腔的两个弧形侧壁开口均朝向所述主通道的轴线且圆心角均为180°，R1≥50μm，1≤R2/R1≤10。
5.根据权利要求4所述的太极形被动式微混合器，其特征在于，所述圆弧通道具有三个共圆心的侧壁，分别为一个半径为R0的圆形侧壁和两个半径分别为R3、R4的弧形侧壁；200μm≤R0≤500μm，0＜R3－R0≤300μm，0＜R4－R0≤300μm，R3≠R4；所述圆形侧壁的一部分与半径为R3的弧形侧壁围成第一圆弧通道，所述圆形侧壁的另一部分与半径为R4的弧形侧壁围成第二圆弧通道，所述圆弧通道的两个弧形侧壁分别与所述圆形空腔的两个弧形侧壁相连。
6.根据权利要求1所述的太极形被动式微混合器，其特征在于，所述圆形空腔的两个侧壁与所述圆弧通道的三个侧壁的圆心均共线，且圆心连线与所述主通道的轴线平行。
7.根据权利要求1所述的太极形被动式微混合器，其特征在于，所述入口通道为两个，两个所述入口通道相对于所述主通道的轴线对称分布且与所述主通道垂直，所述入口通道的宽度与所述主通道的宽度相等，均为wm，wm≤500μm。
8.根据权利要求1所述的太极形被动式微混合器，其特征在于，所述长垂直转角通道包括第一通道和与所述第一通道垂直连通的长通道，所述短垂直转角通道包括第二通道和与所述第二通道垂直连通的短通道，所述第一通道与所述主通道或相邻的所述混合单元的所述第二通道连通，所述第二通道与所述出口通道或相邻的所述混合单元的所述第一通道连通，所述长通道与同一所述混合单元的所述圆形空腔连通，所述短通道与同一所述混合单元的所述圆弧通道连通，所述第一通道、所述第二通道、所述主通道、所述出口通道共线且宽度相等。
9.根据权利要求8所述的太极形被动式微混合器，其特征在于，所述长通道与所述短通道宽度相等，且宽度不大于所述第一通道的宽度。
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