CN114160023A - 基于阵列式微型热源的涡流微混合器及其混合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阵列式微型热源的涡流微混合器及其混合方法。所述涡流微混合器包括：基底；微流通道，设置于所述基底中，包括依次连通的输入槽、混合槽和输出槽，输入槽用于注入至少两种不同液体，输出槽用于排出在混合槽内混合后的液体；第一阵列式微型热源和第二阵列式微型热源，相互间隔且均可活动地设置于基底上，每根阵列式微型热源包括光信号输入端和光信号激发端，光信号输入端用于接入预定功率的光信号，光信号激发端设置于混合槽中的气液交界面，第一阵列式微型热源和第二阵列式微型热源的光信号激发端共同用于在液体中产生耦合涡旋，以将至少两种不同液体混合。本申请的涡流微混合器操作条件温和、操作灵活、可调性高、效率高。

Description

基于阵列式微型热源的涡流微混合器及其混合方法

技术领域

本发明属于光流控技术领域，具体地讲，涉及一种基于阵列式微型热源的涡流微混合器及其混合方法。

背景技术

由于微流控装置反应时间短、产量高、试剂消耗少，因此可以有效地应用于许多领域，包括生物医学诊断、药物传输、化学合成和酶反应。然而化学和生物试剂检测中的限速步骤通常是将样品与试剂混合的过程。造成这一现象的原因是液体体系中扩散输运率低，即使在微尺度上也是如此。为了实现需要混合的微流体应用，已经报道了许多微混合方法。这些方法包括:混沌平流法、水动力聚焦法、电动力学驱动混合法、三维组合混合法、蜿蜒通道法以及磁感应法和光学感应混合法等。但这些方法通常需要庞大的设备或复杂的结构来实现。

近年来，基于声波学的微混合器由于其具有非侵入性和混合机制简单的特点而引起了人们广泛的关注。这些混合器利用声波扰动微通道的层流流型，以实现快速而均匀的混合。基于声学的混合器的混合性能可以通过在微流控通道中使用气泡进一步提高。当气泡与声波耦合时，产生了声流现象。这种现象会导致周围流体发生更明显的扰动，极大地促进了流体的大规模输送。迄今为止，基于气泡的声波微混合器已被用于表征酶反应，增强DNA杂交和开发先进的光流控装置，然而气泡不稳定且不便捕获的特点在促进流体混合方面仍有较大限制。因此，如何更高效、灵活、便利地调节外部条件来实现两种液体在微尺度上快速、均匀地完全混合，成为本领域中急需解决的技术问题。

发明内容

(一)本发明所要解决的技术问题

本发明解决的技术问题是：如何更高效、灵活、便利地调节外部条件来实现两种液体在微尺度上快速、均匀地完全混合。

(二)本发明所采用的技术方案

为解决上述的技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于阵列式微型热源的涡流微混合器，所述涡流微混合器包括：

基底；

微流通道，设置于所述基底中，包括依次连通的输入槽、混合槽和输出槽，所述输入槽用于注入至少两种不同液体，所述输出槽用于排出在混合槽内混合后的液体；

第一阵列式微型热源和第二阵列式微型热源，相互间隔且均可活动地设置于所述基底上，每根阵列式微型热源包括光信号输入端和光信号激发端，光信号输入端用于接入预定功率的光信号，所述光信号激发端设置于所述混合槽中的气液交界面，所述第一阵列式微型热源和所述第二阵列式微型热源的光信号激发端共同用于在液体中产生耦合涡旋，以将至少两种不同液体混合。

优选地，所述第一阵列式微型热源和所述第二阵列式微型热源的光信号激发端相互平行且设置于所述混合槽的相对两侧。

优选地，每根所述光信号激发端包括级联式的若干光热波导，所述光热波导包括光波导和包覆于所述光波导的外表面的氧化石墨烯层。

优选地，两根光信号激发端的各光热波导相互平行且交替设置。

优选地，所述第一阵列式微型热源的光热波导在所述第二阵列式微型热源上的投影的几何中心与相邻的所述第二阵列式微型热源上的光热波导的几何中心之间的距离范围为500μm～750μm。

优选地，两段光信号激发端之间的垂直距离范围为1500μm～1700μm。

优选地，所述基底的相对两侧壁上均开设有阵列分布的若干通孔，所述第一阵列式微型热源和所述第二阵列式微型热源可活动地穿设于通孔中，以使所述光信号激发端移动到所述混合槽内的不同位置。

本申请还公开了一种基于阵列式微型热源的涡流微混合器的混合方法，所述混合方法包括：

向所述输入槽注入至少两种不同液体，并使得液体流入到所述混合槽中；

调节第一阵列式微型热源和第二阵列式微型热源的位置，以使两段光信号激发端位于混合槽中的气液交界面；

同时向两根光信号输入端输入预定功率的光信号，以使两根光信号激发端共同驱动液体流动并生成若干耦合涡旋，耦合涡旋用于将输入槽注入的不同液体进行混合，并将混合后的液体排至输出槽中。

优选地，所述混合方法还包括：在所述光信号输入端中依序输入不同功率的光信号，以获取不同混合程度的混合溶液。

优选地，所述混合方法还包括：依序改变所述输入槽的液体注入速度，以获取不同混合程度的混合溶液。

(三)有益效果

本发明公开的一种基于阵列式微型热源的涡流微混合器及其混合方法，与现有技术相比，主要具有如下优点和有益效果：

(1)操作条件温和。本发明是一种与微流控芯片集成的涡流微混合器，避免了外界条件对其污染和破坏，条件温和，在生物、化学等领域具有巨大潜力。

(2)操作灵活便捷，可调性高。本发明可通过调节光功率和外部液体流速来控制液体的混合，具有很高的可调性，可随意灵活地切换开关进行混合。

(3)效率高，反应时间短。本发明可在毫秒级内实现两种液体快速、均匀地混合，在时间上具有高效性。

(4)涡流微混合器制作方法简便易行，成本低廉。

附图说明

图1是本发明的实施例一的基于阵列式微型热源的涡流微混合器的结构示意图；

图2是本发明的实施例二的基于阵列式微型热源的涡流微混合器的混合方法的流程图；

图3A是本发明的实施例二的入口平均速度U₀＝300μm/s时，光功率P分别为5mW和30mW时通道内的温度分布图；

图3B是本发明的实施例二的入口平均速度U₀＝300μm/s时，光功率P分别为5mW和30mW时通道内的速度分布图；

图3C是本发明的实施例二的入口平均速度U₀＝300μm/s时，光功率P分别为5mW和30mW时通道内的流线分布图以及耦合涡旋2的速度大小随光功率的变化图；

图4是本发明的实施例二的线性热源(LHS-1、LHS-2)的平均温度与光功率的关系图；

图5A是本发明的实施例二的两段阵列式微型热源之间的不同垂直距离H下的循环耦合涡旋的流线变化图；

图5B是本发明的实施例二的两段阵列式微型热源之间的不同垂直距离H下的循环耦合涡旋的直径大小变化折线图；

图6A是本发明的实施例二的入口平均速度U₀＝300μm/s，光功率P＝0mW时流体的混合浓度和速度分布图；

图6B是本发明的实施例二的入口平均速度U₀＝300μm/s，光功率P＝0mW时流体的归一化混合浓度值分布曲线图；

图7A是本发明的实施例二的入口平均速度U₀＝300μm/s时两种流体在不同光功率下的混合浓度分布图；

图7B本发明的实施例二的入口平均速度U₀＝300μm/s时微混合器在不同光功率下的混合性能评估曲线图；

图8A是本发明的实施例二的光功率P＝30mW时两种流体在不同入口平均速度下的混合浓度分布图；

图8B是本发明的实施例二的光功率P＝30mW时微混合器在不同入口平均速度下的混合性能评估曲线图；

图9A是本发明的实施例二的入口平均速度U₀＝300μm/s，光功率P＝30mW时的微混合器通道内的浓度分布图；

图9B是本发明的实施例二的入口平均速度U₀＝300μm/s，光功率P＝30mW时流体的归一化混合浓度值分布曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在详细描述本申请的各个实施例之前，首先简单描述本申请的发明构思：现有技术中采用基于气泡的声波微混合器进行微流体混合，存在气泡不稳定且不便于捕获等缺点，本申请提供了一种基于阵列式微型热源的涡流微混合器，设置可自由调节位置的第一阵列式微型热源和第二阵列式微型热源，且两者只需要接入光信号即可激发产生微流涡旋，通过调整微型热源之间的距离，使得两侧的微流涡旋进行相互作用，产生耦合涡旋，以将微流通道中的微流体进行充分混合，便利地调节外部条件来实现不同液体在微尺度上快速、均匀地完全混合。

实施例一

如图1所示，根据本发明实施例一的基于阵列式微型热源的涡流微混合器包括基底10、微流通道20、第一阵列式微型热源30和第二阵列式微型热源40，其中微流通道20设置于基底10中，包括依次连通的输入槽21、混合槽22和输出槽23，输入槽21用于注入至少两种不同液体，输出槽23用于排出在混合槽22内混合后的液体。第一阵列式微型热源30和第二阵列式微型热源40，相互间隔且均可活动地设置于基底10上，每根阵列式微型热源包括光信号输入端和光信号激发端，光信号输入端用于接入预定功率的光信号，光信号激发端设置于混合槽22中的气液交界面，第一阵列式微型热源30和第二阵列式微型热源40的光信号激发端共同用于在液体中产生耦合涡旋，以将至少两种不同液体混合。

示例性地，微流通道20采用十字型通道，输入槽21、混合槽22和输出槽23均为矩形通道。进一步地，输入槽21具有第一注入口21a和第二注入口21b，两个注入口用于注入在荧光倒置显微镜下可呈不同颜色的两种液体，便于观察混合效果。输出槽23作为两种液体混合后的流出通道，可收集混合液。在实际使用过程中，可采用微流管将在荧光显微镜下可呈不同颜色的两种液体分别输入到两个注入口中，其中第一液体可以是粘性较低的微流体，例如去离子水或PBS(phosphate buffer saline，磷酸缓冲盐溶液)缓冲液和生理盐水等能为活性生物体和化学研究提供一个稳定的离子环境的溶液。第二液体可以是含有荧光珠的荧光溶液，可在荧光倒置显微镜下与第一液体液面在颜色上有明显分层现象。例如，可用激发波长为420nm～485nm的荧光珠，此时液体呈蓝色；或用激发波长为460nm～550nm的荧光珠，此时液体呈绿色。

进一步地，微流通道20的两端侧壁上开设有若干阵列式通孔50，第一阵列式微型热源30和第二阵列式微型热源40可选择地穿设于不同通孔中，其中，光信号输入端位于微流通道20外壁两侧，光信号激发端位于混合槽22内。作为优选实施例，通孔包括多个从上至下排列以及从左至右排列的阵列型圆形小孔，每个小孔间的间隔为1mm，圆形小孔的孔径大于两段第一阵列式微型热源30和第二阵列式微型热源40的直径，这样实际使用过程中可将第一阵列式微型热源30和第二阵列式微型热源40穿过不同的圆形小孔，以便于调整第一阵列式微型热源30和第二阵列式微型热源40的相对高度以及两者的距离。

进一步地，第一阵列式微型热源30和第二阵列式微型热源40的光信号激发端相互平行且设置于混合槽22的相对两侧，两段光信号激发端之间的垂直距离范围为1500μm～1700μm。其中每根所述光信号激发端包括级联式的若干光热波导，每个光热波导包括包括光波导以及包覆于所述光波导的外表面的光热材料，其中，光热材料优选采用氧化石墨烯，其中光波导优选采用由二氧化硅光纤加热拉制而成的锥形波导，光波导的直径范围为10μm～20μm。锥形波导的的材料还可以包括其他波导材料，如氮化硅、蓝宝石、熔点大于100摄氏度的聚合物等，其制备方法还可以为化学腐蚀方法，这些材料和制备方法均为本领域的常见技术手段，在此不进行赘述。光波导上附着的氧化石墨烯层是利用液滴法在锥形波导上自组装而成。

进一步地，两根光信号激发端的各光热波导相互平行且交替设置。其中，第一阵列式微型热源30的光热波导在所述第二阵列式微型热源40上的投影的几何中心与相邻的所述第二阵列式微型热源40上的光热波导的几何中心之间的距离范围为500μm～750μm。

示例性地，第一阵列式微型热源30包括第一光信号输入端31和第一光信号激发端32，第一光信号激发端32包括第一光热波导321和第二光热波导322，第二阵列式微型热源40包括第二光信号输入端41和第二光信号激发端42，第二光信号激发端42包括第三光热波导421和第四光热波导421。如图所示，第一光热波导321、第二光热波导322、第三光热波导421和第四光热波导421平行且交替设置。其中，第一光热波导321在第二阵列式微型热源40上的投影的几何中心与第三光热波导421的几何中心之间距离范围为500μm～750μm；第二光热波导322在第二阵列式微型热源40上的投影的几何中心与第四光热波导421的几何中心之间距离范围为500μm～750μm。

下面分析基于阵列式微型热源的涡流微混合器的耦合涡旋产生原理：本实施例中的耦合涡旋是基于流体之间的相互作用实现的。第一光信号输入端31和第二光信号输入端41分别接入光信号之后，光束被光热波导吸收后，各段光热波导能在气液界面产生马兰戈尼效应。这是因为光热波导将光能转变为热能，在气液界面周围产生了温度梯度，温度梯度导致表面张力梯度的产生，而马兰戈尼效应正是由气液界面的表面张力梯度引起的，能够在流体表面产生外力。由于温度越高，表面张力越小，流体会从表面张力低的地方往表面张力高的地方运动，因此，在这种表面张力作用下，每段光热波导周围都会产生由中心向外发散的循环涡旋流动。而适当调节各段光热波导的相对位置，旋转方向相同的循环涡旋流可以相互叠加耦合形成一个较大直径的涡流，四段光热波导至少能产生三个耦合涡旋。

下面分析基于阵列式微型热源的涡流微混合器的混合方法原理：本实施例基于每两段光热波导产生的同向循环涡流相互作用形成耦合涡旋流，从而扰动整体流动使液体快速、均匀地混合。由于固有的小通道尺寸，流体在微流控装置中的流动通常是层流的，在层流条件下，流体的粘性力大于惯性力，占主导地位。此时，流体在粘性力的约束下有规律地运动，因此流体是分层流动的，不容易碰撞和混合。当光束被光热波导吸收后，各段光热波导能在气液界面周围产生由中心向外发散的循环涡旋流动，而旋转方向相同的循环涡旋流可以相互叠加耦合形成一个较大直径的涡流(耦合涡流)，四段光热波导至少能产生三个耦合涡流。耦合涡旋流动引起了液体较强的压力波动和速度波动，极大地干扰了整个流体的流动，破坏了层流界面，并增强了两种流体之间的质量传输，从而实现流体之间快速、均匀地混合。

本实施例一提供的基于阵列式微型热源的涡流微混合器，其制作方法简便易行，成本低廉，且操控方法灵活高效。可通过调节光功率和外部液体流速来控制液体的混合，光功率仅由激光器控制，可灵活地切换开关进行混合，增加了涡流微混合器的可调性。通过移动两段阵列式微型热源的相对位置便可形成剧烈运动的循环耦合涡流，从而打破层流界面实现液体之间快速、均匀地混合，增强了微混合器的高效性和便利性。另外，本实施例公开的阵列式微型热源的涡流微混合器既可以作为独立的装置，又可以作为一个模块并入到本领域公认的任何适当的微流控系统中。在某些实施方式中，基于光力的微流控微混合芯片结构可以形成具有多种功能的芯片上的一个元件。

实施例二

如图所示，本实施例二提供的基于阵列式微型热源的涡流微混合器的混合方法包括如下步骤：

步骤S10：向所述输入槽21注入至少两种不同液体，并使得液体流入到所述混合槽22中；

步骤S20：调节第一阵列式微型热源30和第二阵列式微型热源40的位置，以使两段光信号激发端位于混合槽22中的气液交界面；

步骤S30：同时向两根光信号输入端输入预定功率的光信号，以使两根光信号激发端共同驱动液体流动并生成若干耦合涡旋，耦合涡旋用于将输入槽21注入的不同液体进行混合，并将混合后的液体排至输出槽23中。

具体来说，在步骤S10中，首先将液体注入至微流通道20中。利用针管向第一注入口21a和第二注入口21b分别注入两种液体，使得液体充满整个微流通道20。其中第一注入口21a注入第一液体，第一液体可以使用粘性较小的流体，包括去离子水、PBS缓冲液水或生理盐水；第二注入口21b注入第二液体，第二液体可使用含荧光珠的荧光溶液，且注入两种液体的流量相同。

进一步地，在步骤S20中，首先根据液面高度，调节第一阵列式微型热源30和第二阵列式微型热源40的位置，以使各段光热波导处于微流通道20中的气液交界面。调整第一阵列式微型热源30和第二阵列式微型热源40之间的垂直距离在1500μm～1700μm范围内，本实施例二优选采用1700μm；并调整第一光热波导321在第二阵列式微型热源40上的投影的几何中心与第三光热波导421的几何中心之间距离范围为500μm～750μm，以及调整第二光热波导322在第二阵列式微型热源40上的投影的几何中心与第四光热波导421的几何中心之间距离范围为500μm～750μm，本实施例二优选采用750μm。

在步骤上S30中，第一光信号输入端31、第二光信号输入端41接入光信号后，第一光信号激发端32的第一光热波导321和第二光热波导322在第一液体的气液面处产生微流涡旋，第二光信号激发端42的第三光热波导421和第四光热波导421在第二液体的气液面处产生微流涡旋，移动两段阵列式微型热源的位置，由于旋转方向相同的微流涡旋可以进行相互作用形成循环耦合涡旋，流体中因此至少形成三个循环耦合涡旋，可以打破层流界面并扰动整体流动，从而使液体均匀混合。作为优选实施例，该微涡流混合器能在毫秒级内实现液体的快速、均匀地混合。接入光信号的光功率可调谐范围为0mW～50mW，光信号的波长大于或等于980nm，本实施例二优选采用1070nm。

进一步地，假设有两种互溶的液体，在第一光信号输入端31、第二光信号输入端41依序输入不同功率的光信号，以使两种液体在可实现不同程度均匀完全地混合。

进一步地，假设有两种互溶的液体，依序改变所述输入槽的液体注入速度，以获取不同混合程度的混合溶液。

进一步地，下面从理论分析的角度，对本实施例二的混合方法进行详细论述。

示例性地，本实施例二中的两段阵列式微型热源平行交替放置，四段光热波导至少可以产生三个相互作用的循环耦合涡旋，由于循环耦合涡旋可以破坏层流流线，扰动整体流动，从而增强了两种液体间的质量传输，实现两种液体快速均匀地混合，下面对此进行理论分析。

通过COMSOLMultiphysics 5.5有限元法中的流体传热和流体流动层流模块对两段阵列式微型热源在尺寸长为7000μm、宽为3500μm、深度为1000μm芯片中的温度、速度和流线分布进行研究，阐明混合机理。图3A中的(a)、(b)是入口流速U₀＝300μm/s时，光功率P分别为5mW和30mW时计算的温度场。黑色实线代表等温线。如图3A中的(a)所示，P为5mW时，线性热源(LHS)吸收少量的光能产生热量，温度等值线沿x方向变化十分平缓，通道内温度值T在298～301K之间，温度差控制在3K范围内，流体表面的温度梯度极小。然而，当P增至30mW时，如图3A中的(b)所示，以LHS-1和LHS-2为中心，温度等值线呈椭圆分布，纵向的温度梯度最大。此时，LHS-1的中心温度为321.4K，LHS-2的中心温度可达349.5K，靠近LHS-1和LHS-2的区域流体具有较高的温度，通道出入口远离线性热源，该区域流体具有较低的温度，整个通道内的温度差可达50K，流体表面受热极度不均匀，存在表面张力差异。图3B中的(a)、(b)是入口流速U₀＝300μm/s时，P分别为5mW和30mW时的速度分布。如图3B中的(a)所示，当P为5mW时，流体在通道内平稳流动，黑色实线箭头表示流体的流动方向，流动方向从入口指向出口。如图3B中的(b)所示，当P增大到30mW时，黑色圆锥体和箭头表示耦合涡旋的流动方向。由于流体表面受热不均和表面张力的增加，LHS-1和LHS-2的周围出现了强烈的速度波动，且每个LHS周围产生了四个对称旋转的热毛细涡旋。特别地，旋转方向一致的涡旋可相互作用形成强度更强的耦合涡旋，耦合涡旋1和3呈逆时针方向，耦合涡旋2呈顺时针方向。图3C中的(a)、(b)生动地展示了U₀＝300μm/s时，P分别为5mW和30mW时的流线分布。从图3C中的(a)可以清楚地看到，当P为5mW时，层流是主要的流动状态。当P增加到30mW时，如图3C中的(b)所示，包含独立涡旋和耦合涡旋1、2和3，两种类型的涡旋极大地破坏了层流流线。虚线穿过耦合涡旋2的中心，耦合涡旋2沿y方向的速度大小如图3C中的(c)所示。光功率P从5mW逐渐增至30mW时，耦合涡旋2的速度逐渐增大，且速度大小以耦合涡旋中心为轴，呈对称分布，涡旋中心速度几乎为0。值得注意的是，P＝5mW时，进口平均速度U₀大于耦合涡旋2的速度，大程度削弱了涡旋强度，所以层流仍占主导地位。由此可见，光功率P的增加会明显导致耦合涡旋强度的增大。

我们使用COMSOL中的电磁场模块和导热模块分别模拟了微波导中光场和热场的分布。图4反映了LHS-1、LHS-2的平均温度与光功率的关系，从图中我们可以看到，LHS的平均温度与光功率呈线性正比关系，光功率越大，LHS的平均温度越高。

如图5A所示，分析了两段阵列式微型热源之间的不同垂直距离H下的循环耦合涡旋的形状变化。如图5A中的(i)、(ii)、(iii)和(iv)表示垂直距离H分别为H＝1500μm、H＝1700μm、H＝1900μm和H＝2100μm时的循环耦合涡旋的流线变化图，从图中可以看出，随着垂直距离H的不断增大，循环耦合涡旋由原来的单个大涡旋渐渐分离为两个小涡旋，涡旋相互作用部分越来越少，H＝1900μm时形成“沙漏”状涡旋。我们单独对循环耦合涡旋2(虚线矩形框)的形态变化进行了对比分析，结果如图5B中的(v)所示，用直径D来表征循环耦合涡旋的形状。H＝1500μm时，D₁＝700μm；H＝1700μm时，D₂＝580μm；H＝1900μm时，D₃＝265μm，此时循环耦合涡旋直径骤降；当H＝2100μm时，D₄＝128μm，循环耦合涡旋的直径最小，速度波动强度最小，因此扰动整体流体流动的能力也最弱。为了保证循环耦合涡旋有足够的扰动强度，且设计的结构有足够的反应空间，两段阵列式微型热源的垂直距离应在1500μm～1700μm范围内，本实施例二优选采用1700μm。

进一步地，下面从模拟实验验证的角度，来对本实施例的混合方法进行详细论述。

模拟实验是通过使用COMSOLMultiphysics 5.5有限元法中的流体传热模块、流体流动层流模块以及稀物质传递模块来进行的。混合效果是通过归一化混合浓度值来表征的，混合浓度值为0mol/m³和1mol/m³时表示两种流体完全不混合，混合浓度值为0.5mol/m³时表示两种流体完全混合。浓度分布越均匀且混合浓度值越接近0.5mol/m³表示两种流体的混合效果越好，相反，浓度分布深浅不一且混合浓度值越远离0.5mol/m³表示两种流体的混合效果越差。微混合器的混合性能用混合效率η来表征，其计算公式如下：

η＝M×100％

其中，m为混合指数，I_i(i＝0,1…n)为每个点的浓度(或荧光强度)，I_a椠为平均浓度(或荧光强度)，n为像素(或采样点)总数。使用编写的Matlab代码，通过取垂直于x轴的截面上的点的浓度值来计算混合指数。混合指数M的取值范围为0～1，在无混合或扩散状态下，混合指数为零。在完全混合状态下，混合指数为1。因此，M值越高，两种流体的混合效果越好。当混合效率高于90％时，微混合器通常具有良好的混合性能。

首先，图6A、6B分析了U₀＝300μm/s，光功率P＝0mW时流体的混合浓度和速度分布。图6A中的(a)表示在无涡旋作用(P＝0mW时)即自然层流状态下两种流体的混合浓度分布。从图中可以看出，以较低的流速往通道注入两种流体，流体在通道内低速流动时呈高度有序的层流，混合主要依靠扩散作用。然而此状态下流体扩散速率极低，在y＝0处可以明显看到两种流体稳定而清晰的分层界面，说明两种流体间并未充分混合。图6A中的(b)反映了自然层流状态下的速度分布。该状态下微通道内速度幅值没有明显变化，流体缓慢地由入口流向出口，无扰动现象。为了定量地表征沿整个通道长度的混合性能，将通道划分为三个横截面I、II和III，分别位于x₁＝-2750μm、x₂＝0μm和x₃＝2750μm处。模拟的归一化混合浓度值变化曲线如图6B中的(c)所示，三个横截面只在y＝0附近处的混合浓度值为0.5mol/m³，这是两种流体表面交界处的扩散作用引起的轻微混合，截面沿y方向上其他位置处的混合浓度值基本为0mol/m³和1mol/m³。因此，对于整个通道，轻微混合的效果可忽略不计，两种流体在P＝0mW时未混合。

图7A、7B详细研究了光功率对混合性能的影响。首先将入口平均速度设为U₀＝300μm/s，保持恒定。其次以5mW的增量将光功率P从5mW增加到30mW。图7A中(a)的(i)、(ii)、(iii)、(iv)、(v)、(vi)显示了光功率P分别为5mW、10mW、15mW、20mW、25mW和30mW时的混合浓度分布。其中，虚线表示x＝1500μm处的横截面，靠近通道出口处。如图7A中的(i)所示，当光功率P＝5mW时，两种流体的界面呈“波浪形”，其在微通道内的波动幅度很小，只产生微弱的扰动，混合浓度分布十分不均；如图7A中的(ii)、(iii)和(iv)所示，当P从10mW增至20mW时，耦合涡旋与独立涡旋共同作用，开始破坏整体层流流线，扰动流体界面，两种流体的接触面积显著增大，促进了流体的混合。逐渐增大光功率，如图7A中的(v)和(vi)所示，当P从25mW增至30mW时，通道内流体表面的温度梯度随着光功率的增加而增大，耦合涡旋的速度也急剧增加，其他涡旋的强度和相互作用也在增强，流体周围的速度波动十分激烈，混合浓度分布较为均匀。因此，涡旋对主流方向上的流体产生了十分强烈的扰动作用，极大地增强了两种流体的质量输运。为了进一步定量地验证混合性能，计算了x＝1500μm处的横截面的浓度值(图7A(i)中的虚线)。图7B中的(b)显示了光功率P从5mW～30mW的x＝1500μm处截面的归一化浓度值分布。中间实线表示两种流体完全混合时的浓度值为0.5mol/m³。P＝5mW时，归一化浓度值集中分布于0mol/m³和1mol/m³，说明流体未混合。而随着光功率的增加，归一化混合浓度值逐渐接近于0.5mol/m³，P＝30mW时，归一化浓度值在0.5mol/m³附近上下波动，说明流体混合较为均匀。为了更直观地评估微混合器的混合性能，计算了微混合器的混合效率。图7B中的(c)显示了P在5mW～30mW时的混合效率曲线。P＝5mW时，微混合器的混合效率η仅为29.70％，而当P＝30mW时，微混合器的混合效率η高达93.97％，说明微混合器具有较好的混合性能。过高的光功率会导致流体的温度过高和易挥发，因此30mW是产生强耦合涡旋并达到最佳混合性能的合适驱动功率，在接下来的研究中使用了30mW的光功率。

图8A、8B分析了入口平均速度对混合性能的影响。基于上述的研究，将光功率P设定为30mW，保持恒定。图8A中(a)的(i)、(ii)、(iii)、(iv)、(v)、(vi)显示了不同入口平均速度下的混合浓度分布，对应的入口平均速度分别为10μm/s、50μm/s、100μm/s、300μm/s、500μm/s和700μm/s。其中，虚线表示x＝1500μm处的横截面，靠近通道出口处。从图8A中的(v)和(vi)可以看出，当入口平均速度较小时，微通道内两种流体完美均匀混合。如图8A中的(iii)和(iv)所示，当入口平均流速进一步增大时，流体的混合效果变差；当入口平均速度增大至500μm/s和700μm/s时，如图8A中的(i)和(ii)所示，微通道内流体的浓度十分不均匀，混合效果急剧下降。为了定量探究混合性能随入口平均速度的变化关系，图8B中的(b)显示了入口平均速度U₀从10μm/s～700μm/s的x＝1500μm处截面(图8A(i)中的虚线)的归一化浓度值分布。中间实线表示两种流体完全混合时的浓度值为0.5mol/m³。当U₀＝10μm/s时，归一化浓度值与0.5mol/m³近乎完美重合，而随着入口平均速度的增加，归一化混合浓度值逐渐偏离于0.5mol/m³，混合性能逐渐下降。这是由于入口平均速度不是对整体流动的直接叠加，较大的入口流速会削弱涡旋的强度。随着流体入口平均速度的增加，层流逐渐主导微通道内的物种转移过程，当入口平均流速增大到占整体流的主导地位时，涡旋会完全消失，微混合器的混合性能开始恶化。此外，增大入口平均速度也减少了分子在两种流体界面上扩散的时间，从而使混合效果最终变差。图8B中的(c)揭示了入口平均速度与混合效率的变化关系。U₀＝700μm/s时，微混合器的混合效率η为85.46％，而当流速低于U₀＝300μm/s时，混合效率高于93.97％。特别的，U₀＝10μm/s时，混合效率高达99.89％，表明该微混合器具有极高的混合性能。

综上，图9A、9B模拟验证了在入口平均速度U₀＝10μm/s，光功率P＝30mW条件下涡流微混合器的混合性能。图9A中的(a)为入口平均速度U₀＝10μm/s，光功率P＝30mW时的混合浓度分布。从图中可以看出，在通道x＝0处时，浓度分布较为均匀，流体在第一个循环耦合涡旋的作用下已经实现了几乎完美地混合。为了定量表征此条件下涡流微混合器的混合性能，模拟计算流体在通道内三个不同位置的归一化混合浓度值。如图9A中的(b)所示，三个位置分别为x₁＝0、x₂＝1500μm、x₃＝2750μm，分别对应流体经过三个循环耦合涡旋后的位置。模拟的归一化混合浓度变化曲线图如图9B中的(c)所示，在x₁＝0，即位置I处，流体在第一个循环耦合涡旋的作用下进行了较为充分地混合，整体的归一化浓度值在0.5mol/m³附近波动；在x₂＝1500μm，即位置II处，流体经过两个循环耦合涡旋的扰动后混合更为均匀，整体浓度曲线的混合指数与0.5mol/m³接近重合；在x₃＝2750μm，即位置III处，在三个循环耦合涡旋的作用下，两种流体之间完全实现了均匀充分地混合，流体之间的质量传输得到增强，整体的归一化浓度值与0.5mol/m³完全重合，表明该涡流微混合器的混合性能在入口平均速度U₀＝10μm/s，光功率P＝30mW此条件下已达到最优。

本实施例的基于阵列式微型热源的涡流微混合器及其混合方法具有如下效果：

(1)从实验可操作性强和便携性出发，相比于传统的混合方法，本申请通过将光纤激光器发射出的光信号耦合进阵列式氧化石墨烯光热波导，在样品中调节流体作用模式，能更简便地实现流体的混合。相比于传统的混合方法，本发明操作条件温和，是一种与微流控芯片集成的微混合器，增加了实验的便携性，避免了外界条件对其污染和破坏，在生物、化学等领域具有巨大潜力。

(2)制作方法简便易行，成本低廉。本申请所用的阵列式氧化石墨烯光热波导是由二氧化硅光纤通过酒精灯火焰拉制法拉制而成。其中氧化石墨烯的部分通过液滴法自组装在微纳光纤上。整个过程中无需复杂的实验设备，简便易行。

(3)操作灵活便捷，具有高可调性和高效性。本申请可通过调节光功率和外部液体流速来控制液体的混合，具有很高的可调性，可随意灵活地切换开关进行混合。且本申请反应时间短，可在毫秒级内实现两种液体快速、均匀地混合，在时间上具有高效性。

上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于阵列式微型热源的涡流微混合器，其特征在于，所述涡流微混合器包括：

基底；

微流通道，设置于所述基底中，包括依次连通的输入槽、混合槽和输出槽，所述输入槽用于注入至少两种不同液体，所述输出槽用于排出在混合槽内混合后的液体；

第一阵列式微型热源和第二阵列式微型热源，相互间隔且均可活动地设置于所述基底上，每根阵列式微型热源包括光信号输入端和光信号激发端，光信号输入端用于接入预定功率的光信号，所述光信号激发端设置于所述混合槽中的气液交界面，所述第一阵列式微型热源和所述第二阵列式微型热源的光信号激发端共同用于在液体中产生耦合涡旋，以将至少两种不同液体混合。

2.根据权利要求1所述的基于阵列式微型热源的涡流微混合器，其特征在于，所述第一阵列式微型热源和所述第二阵列式微型热源的光信号激发端相互平行且设置于所述混合槽的相对两侧。

3.根据权利要求2所述的基于阵列式微型热源的涡流微混合器，其特征在于，每根所述光信号激发端包括级联式的若干光热波导，所述光热波导包括光波导和包覆于所述光波导的外表面的氧化石墨烯层。

4.根据权利要求3所述的基于阵列式微型热源的涡流微混合器，其特征在于，两根光信号激发端的各光热波导相互平行且交替设置。

5.根据权利要求4所述的基于阵列式微型热源的涡流微混合器，其特征在于，所述第一阵列式微型热源的光热波导在所述第二阵列式微型热源上的投影的几何中心与相邻的所述第二阵列式微型热源上的光热波导的几何中心之间的距离范围为500μm～750μm。

6.根据权利要求2所述的基于阵列式微型热源的涡流微混合器，其特征在于，两段光信号激发端之间的垂直距离范围为1500μm～1700μm。

7.根据权利要求1所述的基于阵列式微型热源的涡流微混合器，其特征在于，所述基底的相对两侧壁上均开设有阵列分布的若干通孔，所述第一阵列式微型热源和所述第二阵列式微型热源可活动地穿设于通孔中，以使所述光信号激发端移动到所述混合槽内的不同位置。

8.一种如权利要求1至7任一项所述的基于阵列式微型热源的涡流微混合器的混合方法，其特征在于，所述混合方法包括：

向所述输入槽注入至少两种不同液体，并使得液体流入到所述混合槽中；

调节第一阵列式微型热源和第二阵列式微型热源的位置，以使两段光信号激发端位于混合槽中的气液交界面；

同时向两根光信号输入端输入预定功率的光信号，以使两根光信号激发端共同驱动液体流动并生成若干耦合涡旋，耦合涡旋用于将输入槽注入的不同液体进行混合，并将混合后的液体排至输出槽中。

9.根据权利要求8所述的混合方法，其特征在于，所述混合方法还包括：在所述光信号输入端中依序输入不同功率的光信号，以获取不同混合程度的混合溶液。

10.根据权利要求8所述的混合方法，其特征在于，所述混合方法还包括：依序改变所述输入槽的液体注入速度，以获取不同混合程度的混合溶液。

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