CN112295616A - 一种微液滴混合强化微流控装置 - Google Patents

一种微液滴混合强化微流控装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种微液滴混合强化微流控装置，包括微通道单元和电渗单元，微通道单元由液滴生成微通道、分形分裂微通道、电渗微通道、分形合并微通道及出液口组成，所述液滴生成微通道、分形分裂微通道、电渗微通道、分形合并微通道和出液口依次连接；所述电渗单元设置在所述电渗微通道上。本发明综合分形结构、电渗技术及液滴形变，设计了一种具有分形结构特征的加强液滴内部液体扰动的混合装置，能显著加强液滴内部液体的混合，提高混合效率，减少混合时间，为相关生物化学技术的快速进行提供了支持。

Description

一种微液滴混合强化微流控装置
技术领域
本发明涉及一种混合强化微流控装置，具体涉及的是一种为强化微液滴内多组分混合而设计的具有分形电渗结构特征的微流控装置。
背景技术
近年来，液滴微流控技术在化学、生物和医学等领域促进了微系统的开发，已成为了微尺度液滴操控的首选方法。基于微流控技术制备的微液滴体积小，操纵性强，被广泛用作微反应器，不仅可有效减少药品消耗，还能加速反应，提高实验精度。
微液滴内多组分充分混合是微反应器功能高效实现的必要要求。现有微液滴混合强化技术分为主动式和被动式，主动式指利用电动力、磁动力、声波及压力等外部作用对流体进行主动混合，虽然消耗一定能量，但混合效果可调控，比如电渗微混合装置和压电驱动集成式微混合装置，分别产生电渗作用和往复式持续振动强化混合，被动式是指主要通过各种复杂形状的微通道对流体流动产生干扰，破坏流动边界层，增加流体间接触面积，例如含有多种肋块的微通道混合装置和仿叶脉结构微混合装置，均加剧扰动提高混合效果。
以上方案能强化大部分场景下的多相流体混合，但是，均未涉及液滴内部液体混合，无法满足微反应器场景下的液滴充分混合要求，因此，迫切需要寻求一种新型高效的强化液滴内部混合的方案和技术。
电渗技术可以通过产生周期性变化电场，促进液体中的正负带电粒子发生周期性的运动，粒子运动产生的涡流恰好可以强化液体混合；液滴分裂时，颈部断裂形成的两个尾部在界面张力的作用下会剧烈收缩，促使液滴内部形成涡流；液滴合并时，两个液滴相互挤压，接触界面附近液体压力增大，界面张力作用相对急剧减弱，接触面迅速破裂，两液滴开始合并，造成液滴内部液体混乱流动，增强了混合效果。此外，树状分叉网络广泛存在于自然界，如植物叶片脉络、人体肺部结构等，因包含大量分叉，液滴可进行多次分裂与合并，而且，树状分叉网络符合Murry定律，所需的驱动能耗小，因此具有良好的输运特性。
结合液滴分裂、合并特性以及受树状分叉网络的启发，本发明设计了一种具有分形电渗结构特征的微流控装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，而提供了一种具有分形电渗特征的微流控装置，该装置可在低能耗的条件下增强液滴内部液体扰动，强化液滴内部混合。
技术方案
针对上述的技术问题，本发明提供的技术方案是：
一种微液滴混合强化微流控装置，包括微通道单元和电渗单元，其特征在于：微通道单元由液滴生成微通道、分形分裂微通道、电渗微通道、分形合并微通道及出液口组成，所述液滴生成微通道、分形分裂微通道、电渗微通道、分形合并微通道和出液口依次连接；所述电渗单元设置在所述电渗微通道上。
所述电渗单元由电极对、导线和交变电源组成；所述电极对均匀布置于所述电渗微通道两侧，与所述电渗微通道壁面保持一定间距。
所述的导线连接所述的电极对和所述的交变电源，所述的交变电源位于所述的微通道单元底部。
所述的电极对不少于4对。
所述液滴生成微通道位于微液滴混合强化微流控装置流体流动的前端；所述出液口位于微液滴混合强化微流控装置流体流动的末端。
所述液滴生成微通道包括内相入液通道和外相入液通道；所述的内相入液通道个数大于等于2，并列排布；所述的外相入液通道个数为2，相对排布在所述的内相入液通道的两侧。
所述分形分裂微通道为Y型分叉结构通道，Y型分叉结构通道的分叉级数不少于3级，分叉角度为45°-90°，上一级与下一级微通道的宽度比为21/m ，其中，为宽度系数，取大于等于2且小于等于3，上一级与下一级微通道的长度比为1-2；所述的分形合并微通道也为Y型分叉结构通道，所述的分形合并微通道的合并级数与所述的分形分裂微通道分叉级数相等，合并角度为45°-90°，上一级与下一级微通道的宽度比为2-1/m ，其中，为宽度系数，取大于等于2且小于等于3，上一级与下一级微通道的长度比为0.5-1。
入液通道、所述分形分裂微通道、所述电渗微通道、所述分形合并微通道及所述出液口材质选用PDMS+玻璃、PDMS或PMMA。
电极对由镍，铅，铂等金属材料制成，具有足够的电导率、强度和硬度。
本发明综合分形结构、电渗技术及液滴形变的特点，设计了一种具有分形结构特征的混合强化装置，可在低能耗的情况下高效稳定的加强液滴内部液体扰动，提高混合度。
有益效果
本发明为微液滴混合强化微流控装置，其有益效果在于：
1.分形结构微通道的树状分叉网络符合Murry定律，所需的驱动能耗小，具有良好的输运特性；
2.分形分裂结构和分形合并结构使液滴多次发生分裂和合并，液滴内部不断产生涡流和混沌流，强化混合；
3.电渗单元产生交错变化的电场，可在不影响液体物理化学性质的情况下使液滴内部液体发生强烈扰动，产生旋向相反的涡流，促进混合；
本装置能显著加强液滴内部液体的混合，提高混合效率，减少混合时间，为相关生物化学技术的快速进行提供了支持。
附图说明：
图1为本发明的液滴内部液体混合强化装置的立体结构示意图。
图2为本发明的混合强化装置的微通道芯片俯视图。
图3为本发明的混合强化装置的液滴分裂促进液滴内部液体混合示意图。
图4为本发明的混合强化装置的液滴合并促进液滴内部液体混合示意图。
图5为本发明的混合强化装置的电渗促进液滴内部液体混合示意图。
图6为本发明的混合强化装置的电极排布图。
图中，1.内相入液通道；2.外相入液通道；3.分形分裂微通道；4.电渗微通道；5.分形合并微通道；6.出液口；7.电极对；8.交变电源；9.液滴；10.涡流；11.混沌流。
具体实施方式
下面结合附图进行更进一步的详细说明：
图1所示为液滴内部混合强化装置的立体结构示意图，图2所示为本装置的微通道芯片俯视图。此装置由内相入液通道1、外相入液通道2、分形分裂微通道3、电渗微通道4、分形合并微通道5和出液口6、电极对7和交变电源8构成。内相入液通道1的个数大于等于2，并列排布，外相入液通道2个数为2，相对排布在内相液体通道1的两侧；分形分裂微通道3的Y型分叉结构的较宽微通道为上一级，较窄微通道为下一级，分叉级数不少于3级，分叉角度为45°-90°，上一级与下一级微通道的宽度比为21/m ，其中，为宽度系数，取大于等于2且小于等于3，上一级与下一级微通道的长度比为1-2；电渗微通道4连接分形分裂微通道3和所述的分形合并微通道5；分形合并微通道5的Y型分叉结构的较窄微通道为上一级，较宽微通道为下一级，合并级数与所述的分形分裂微通道3分叉级数相等，合并角度为45°-90°，上一级与下一级微通道的宽度比为2-1/m ，其中，为宽度系数，取大于等于2且小于等于3，上一级与下一级微通道的长度比为0.5-1；电极对7均匀布置于电渗微通道4的竖直壁面两侧，导线连接电极对7和交变电源8，交变电源8位于装置底部。
图3所示为液滴分裂促进液滴内部液体混合示意图。分形分裂微通道3的分叉处，液滴9在后部压力的作用下进入向前移动，头部分开成两部分，分别进入下一级通道，液滴9整体逐渐被分成两部分，直至尾部完全分裂。液滴9尾部分裂之后，在界面张力的张紧作用下，呈锥形的尾部会快速趋于圆形，在粘性力的拉伸作用下，液滴9内部靠近尾部相界面的液体被带动，而液滴9内部远离尾部相界面的液体没有受相界面变化的影响，因此，在液滴9内部靠近尾部的地方形成了涡流10，造成扰动，强化了液滴9内部多种液体的混合。
图4为液滴合并促进液滴内部液体混合示意图。分形合并微通道4的合并处，液滴9在后部压力的作用下进入向前移动直至两个液滴9头部相遇，由于相互挤压，接触界面附近液体压力增大，界面张力作用相对急剧减弱，接触面迅速破裂，两液滴开始合并，液滴9形态在合并的过程中不断变化，造成液滴9内部液体混乱流动，形成混沌流11，增强了混合效果。
图5为电渗促进液滴内部液体混合示意图。电极对均匀布置在电渗微通道4的两侧，交变电源8输出周期性变化的电压，相邻的两电极对7的极性相反，产生方向相反的电场。液滴9流经电渗微通道4的时候受电场力作用，内部液体发生垂直于液滴9整体移动方向的运动，产生涡流10，且液滴9内相邻涡流10的旋转方向相反，大大促进液滴9内部液体的混合。
图6为本装置的电极排布图。电极对7间隔均匀的排列在电渗微通道4的竖直壁面两侧，与电渗微通道4的两竖直壁面保持一定间距。装置工作时，相邻电极对7产生方向相反的电场。

Claims (8)

1.一种微液滴混合强化微流控装置，包括微通道单元和电渗单元，其特征在于：微通道单元由液滴生成微通道、分形分裂微通道、电渗微通道、分形合并微通道及出液口组成，所述液滴生成微通道、分形分裂微通道、电渗微通道、分形合并微通道和出液口依次连接；所述电渗单元设置在所述电渗微通道上。
2.根据权利要求1所述的微液滴混合强化微流控装置，其特征在于：所述电渗单元由电极对、导线和交变电源组成；所述电极对均匀布置于所述电渗微通道两侧，与所述电渗微通道壁面保持一定间距。
3.根据权利要求2所述的微液滴混合强化微流控装置，其特征在于：所述的导线连接所述的电极对和所述的交变电源，所述的交变电源位于所述的微通道单元底部。
4.根据权利要求2所述的微液滴混合强化微流控装置，其特征在于：所述的电极对不少于4对。
5.根据权利要求1所述的微液滴混合强化微流控装置，其特征在于：所述液滴生成微通道位于微液滴混合强化微流控装置流体流动的前端；所述出液口位于微液滴混合强化微流控装置流体流动的末端。
6.根据权利要求5所述的微液滴混合强化微流控装置，其特征在于：所述液滴生成微通道包括内相入液通道和外相入液通道；所述的内相入液通道个数大于等于2，并列排布；所述的外相入液通道个数为2，相对排布在所述的内相入液通道的两侧。
7.根据权利要求1所述的一种微液滴混合强化微流控装置，其特征在于：所述分形分裂微通道为Y型分叉结构通道，Y型分叉结构通道的分叉级数不少于3级，分叉角度为45°-90°，上一级与下一级微通道的宽度比为21/m ，其中，为宽度系数，取大于等于2且小于等于3，上一级与下一级微通道的长度比为1-2；所述的分形合并微通道也为Y型分叉结构通道，所述的分形合并微通道的合并级数与所述的分形分裂微通道分叉级数相等，合并角度为45°-90°，上一级与下一级微通道的宽度比为2-1/m ，其中，为宽度系数，取大于等于2且小于等于3，上一级与下一级微通道的长度比为0.5-1。
8.根据权利要求1所述的一种微液滴混合强化微流控装置，其特征在于：入液通道、所述分形分裂微通道、所述电渗微通道、所述分形合并微通道及所述出液口材质选用PDMS+玻璃、PDMS或PMMA。
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