CN114260033A - 基于微流控芯片的多功能、集成化微流体振荡流发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微流控芯片技术领域，提供了一种基于微流控芯片的多功能、集成化微流体振荡流发生装置，主要由微流控芯片(包括交变压力源、恒定流量源、收缩/扩张管)与交变磁场发生系统(包括整流模块、逆变模块和电磁铁等)组成。本发明提供的振荡流发生装置可产生定常流、单向振荡流、往复振荡流。本发明利用收缩/扩张管结构，通过压力驱动与重力驱动配合的方法，在交变压力与恒定流量的作用下产生波形可调的振荡流。本发明提供的振荡流发生装置功能全面，且集成度高、体积小，易于推广，可用于用于生物、化学、环境领域的研究。
Description
技术领域
本发明属于微流控芯片技术领域，涉及一种利用收缩/扩张管结构的微流控装置，具体为一种基于微流控芯片的多功能、集成化微流体振荡流发生装置。
背景技术
微流控技术的出现开启了精确操控微流体的时代。由于体积小，精度高、反应速度快、耗量小的特点，微流控技术在生物、医疗、化工、环境等领域都取得了广泛的应用，如细胞培养、疾病检测、颗粒合成等。振荡流是指流体的流动方向单向或交替变化，流动速率周期性变化的流动形式，其在微流控领域有着广泛的应用，如微粒的分选/汇聚、微尺度的混合/传热、化学反应增强、过滤效果提升以及血流动力学体外模拟等。
目前，振荡流的产生主要通过压力或利用流体惯性驱动。压力驱动是最普遍的流体驱动方法，通过在通道内产生交变的压力差，从而驱动流体振荡。通道内交变的压力可以通过一对电磁阀的交替开断实现。在通道的两端放置一对电磁阀，注射泵驱动流体流经电磁阀进入通道，电磁阀在外围电路的控制下交替开断，进而在通道内生成振荡流，例如以下发明，一种利用振荡流和负磁泳效应汇聚微纳生物颗粒的微流控装置(专利号：2019100063624)。此外，通道内交变的压力还可以通过通道容积变化实现，例如以下发明，一种振荡流反应装置(专利号：2020212225469)，该发明通过机杆推动膜片往复运动，使通道容积周期性变化，从而在通道内产生交变的压力驱动流体。利用流体自身的惯性同样可以产生振荡流，例如以下发明，一种整体式振荡流反应器(专利号：2020108460371)，该发明通过摇床使通道运动，通道内的流体在惯性作用下振荡。然而，现有的装置普遍功能单一，结构复杂且体积大。因此，亟需提出一种功能全面、集成化、体积小的振荡流发生装置。
流体通道的收缩/扩张结构具有压力损失不同的特点。如图1所示，收缩/扩张管的宽开口处压力值为PH,窄开口处的压力值为PL，PH>PL，此时通道作为收缩管，流经通道的瞬时流量值为Q1；当通道反置，此时通道作为扩张管，流经通道的瞬时流量值为Q2，Q2>Q1。扩张/收缩管结构简单、便于加工，容易实现片上化，在微流控领域有重要的应用价值。目前，收缩/扩张管多应用于定常流的发生，然而，基于收缩/扩张管的定常流发生装置有着难以弥补的缺陷，即无法避免输出流体的振动。
流体的驱动方法主要包括压力驱动、重力驱动以及电驱动。除了上述的压力驱动，重力驱动也是常用的流体驱动方式，重力驱动是通过将流体的重力势能转化为动能，从而驱动流体定向流动。然而，目前的流体驱动装置大多基于单一的驱动方法，只能驱动流体产生单一的流动形式，产生多种不同的流动形式则需要复杂的外围装置。
发明内容
为解决上述问题，本发明旨在提供一种高集成、多功能的片上振荡流发生装置。本发明基于微流控芯片，将收缩/扩张结构应用于振荡流的发生，利用收缩/扩张管结构和收缩/扩张管内压差流动的特性，通过交变压力与恒定流量配合的方法，通过简单的通道结构产生波形可调的振荡流。本发明使用综合的流体驱动方式，将压力驱动与重力驱动结合，使装置在简单的外围装置驱动下就可以产生不同的波形，可发生定常流、单向振荡流与往复振荡流，装置结构简单，体积小，功能全面且调节方便，易于推广。
本发明的技术方案：
一种基于微流控芯片的多功能、集成化微流体振荡流发生装置，包括集成于微流控芯片上的交变压力源部分S1和恒定流量源部分S2，以及交变磁场发生系统S3，微流控芯片上开设有与交变压力源部分S1和恒定流量源部分S2相匹配的通道；
所述的交变压力源部分S1包括收缩/扩张管a3、收缩/扩张管b5、微腔室4、振动膜6与磁铁7，收缩/扩张管a3和收缩/扩张管b5位于微腔室4的两侧并相互连通，微腔室4顶部为开口结构，振动膜6安装在微腔室4的开口上，形成密闭空间，磁铁7粘贴在振动膜6的上表面；
所述的恒定流量源部分S2包括恒流槽8、密封塞a9、入口连接软管1、槽间连接软管10、恒流输出软管13、稳流槽11和密封塞b12；恒流槽8中装有工作液体，用于产生恒定的流量，稳流槽11用于稳定流速；恒流槽8的下部设有一个接口，稳流槽11的下部设有两个接口，恒流槽8与稳流槽11通过槽间连接软管10以及下部的接口连通，稳流槽11下部的另一个接口通过恒流输出软管13与收缩/扩张管a3连接，收缩/扩张管b5与微流控芯片的出口连接软管2连接；密封塞a9和密封塞b12分别安装在恒流槽8和稳流槽11的槽口上；其中，密封塞a9上设有开口，入口连接软管1一端从开口插入恒流槽8盛装的液体中。
所述的交变磁场发生系统S3包括通过导线15顺次连接形成回路的交流电源14、降压整流模块16、变压逆变模块17和电磁铁19，并通过电压和频率控制板18进行控制，其中电磁铁位于磁铁7的正上方；交变磁场发生系统S3用于产生交变磁场，以驱动磁铁7工作。
所述的恒定流量源部分(S2)的恒流槽8产生定常流作用于交变压力源部分(S1)的收缩/扩张管a(3)，再通过交变磁场发生系统(S3)提供的磁场带动振动膜6往复运动，从而在收缩/扩张管b(5)出口产生频率、幅值和模式可调的振荡流。
所述的收缩/扩张管a3和收缩/扩张管b5为微米级通道。
所述的微流控芯片和振动膜6由PDMS材料制成。
所述磁铁7是由NdFeB材料制成的金属薄片，厚度为微米级，直径为毫米级。
本发明的有益效果：
1.本发明提供的高集成、多功能的振荡流发生装置，基于微流控芯片，体积小、集成度高，便于推广。同时，本装置能够生成流量可调的定常流、或幅值与频率可调的单向或往复振荡流，功能全面，可应用于生物、医疗、化工、环境等领域。
2.本发明利用收缩/扩张管，使用交变压力与恒定流量配合的方式驱动流体，相比已有的振荡流发生装置，功能更加全面、调节简便，可驱动流体产生多种不同模式的流动，能更好的满足不同场合的需求。
3.本发明中的交变压力通过电磁感应产生，相较于传统的压电或机械的压力产生方式，压力的频率与幅值可调范围更广，外围装置结构更简单、体积更小。
附图说明
图1是收缩/扩张管的结构示意图。
图2是本发明的基于微流控芯片的多功能、集成化微流体振荡流发生装置的三维结构示意图。
图3(a)～图3(c)是振荡流发生装置产生的三种不同的流动模式下的瞬时流量示意图。其中，图3(a)是恒流模式，图3(b)是单向振荡模式，图3(c)是往复振荡模式。
图4是微流控芯片交变压力源部分的结构与原理示意图。
图5(a)和图5(b)是微流控芯片交变压力源部分微腔室剖面图。其中，图5(a)是磁铁带动振动膜向下运动，图5(b)是磁铁带动振动膜向上运动。
图6是微流控芯片恒定流量源部分的结构与原理示意图。
图7(a)和图7(b)是微流控芯片交变压力源部分与恒定流量源部分产生的瞬时压力与流量示意图，其中，图7(a)是交变压力源部分产生的压力，图7(b)是恒定流量源部分产生的流量。
图8是交变磁场发生系统结构示意图。
图9是振荡流发生装置的应用示意图。
图中：W1收缩/扩张管最小宽度；α扩张角；PH、PL加在相邻虚线位置处的压力；S1交变压力源部分；S2恒定流量源部分；S3交变磁场发生系统；1入口连接软管；2出口连接软管；3收缩/扩张管a；4微腔室；5收缩/扩张管b；6振动膜；7磁铁；8恒流槽；9密封塞a；10槽间连接软管；11稳流槽；12密封塞b；13恒流输出软管；14交流电源；15导线；16降压整流模块；17变压逆变模块；18电压和频率控制板；19电磁铁；20流路连接软管；21流量采集模块；22数据传输线；23数据处理模块；24计算机。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
如图2、图4、图6和图8所示，本发明的一种基于微流控芯片的多功能、集成化微流体振荡流发生装置，包括集成于微流控芯片上的交变压力源部分S1和恒定流量源部分S2，以及交变磁场发生系统S3；微流控芯片包括一个入口连接软管1和一个出口连接软管2。交变压力源部分S1包括收缩/扩张管a3、收缩/扩张管b5、微腔室4、振动膜6与磁铁7。恒定流量源部分S2包括恒流槽8、密封塞a9、入口连接软管1、槽间连接软管10、稳流槽11、密封塞b12和恒流输出软管13。交变磁场发生系统S3包括通过导线15顺次连接形成回路的交流电源14、整流模块16、逆变模块17、电压频率控制板18和电磁铁19。恒流槽8中装有工作液体，恒流槽8与稳流槽11通过槽间连接软管10连通，稳流槽11通过恒流输出软管c13与收缩/扩张管a3连接，收缩/扩张管b5与微流控芯片的出口连接软管2连接；入口连接软管1的一端从插入恒流槽8盛装的液体中。
本发明装置的工作过程如下：
收缩/扩张管在交变压力与恒定流量的配合作用下，在微流控芯片出口生成定常流(图3(a))、单向振荡流(图3(b))或往复振荡流(图3(c))。交变压力用于控制振荡流的幅值和频率，恒定流量用于控制振荡流的模式，微流控芯片交变压力源部分与恒定流量源部分产生的瞬时压力与流量如图7(a)和图7(b)所示。其中，交变压力由交变压力源部分S1(图4)在交变磁场的作用下产生。具体的，由交变磁场发生系统S3(图8)产生交变磁场，驱动固定在振动膜6上的磁铁7，进而带动振动膜6往复运动，在微腔室4内产生交变的压力，原理如图5(a)和图5(b)所示。恒定流量由恒定流量源部分S2(图6)产生，其中，恒流槽8用于产生恒定的流量，稳流槽11用于稳定流速。具体的，恒流槽8内储存液体，在液体上方通过密封塞a9封闭一段空气柱，当液面高度高于入口连接软管a1下端开口处时，恒流槽8中的水面下降，水面上方密闭的气体体积增大，气体压强减少，液体下流的速度就会减慢，导致容器内的水平面压力小于外界大气压，外界气体会在大气压的作用下通过入口连接软管1下端开口补气，从而保证恒流槽8液面上方气压恒定。当液体由恒流槽8流出经过稳流槽11时，由于稳流槽11顶部被密封塞b12封闭，因此封闭在稳流槽11内的空气由于其弹性作用，可将恒流槽8因加气循环所产生的波动流转变为定常流，起到类似滤波的作用。当适当参数的交变压力与恒定流量作用于收缩/扩张管时，装置出口产生频率、幅值和模式可调的振荡流。
如图6所示，本发明的装置具体应用时，可以与流量检测系统配套使用，具体包括：用于发生振荡流的微流控芯片(包括交变压力源部分S1和恒定流量源部分S2)、交变磁场发生系统S3、流量采集模块21以及内置于计算机24中的数据处理模块23。出口连接软管2通过流路连接软管20与流量采集模块21连接，流量采集模块21通过数据传输线22与数据处理模块23连接。
本实施例汇总，利用该装置进行振荡流的发生，包括以下环节：
(一)首先设计、制造微流控芯片，步骤如下：
步骤一：带有微通道的芯片设计、制造。设计如图4所示的由收缩/扩张管与微腔室组成的微通道，收缩/扩张管(图1)最窄处的宽度W1＝2.3mm，扩张角α＝10度；微腔室为圆形，直径为10mm；通道深度为100μm，通道所在芯片厚度为1cm。将液体PDMS与固化剂按照8/1的比例混合均匀，倒入带有通道结构的铬板模具，经除气泡与烘干得到带有通道结构的固体PDMS。
步骤二：带有振动膜的芯片上盖制造。首先按照前述步骤制造厚度为1cm的矩形PDMS固体，然后使用打孔器在PDMS块上表面中间位置打孔。接着将前述PDMS与固化剂的液体混合物经匀胶、烘干得到厚度为100μm的振动膜。最后，使用键合机将振动膜键合至前述PDMS块的下表面，得到带有振动膜的芯片上盖。
步骤三：微流控芯片恒定流量源部分的设计与制造。设计如图6所示的恒定流量源。长方体的长、宽、高分别为40mm、20mm、30mm。长方体内有两个结构相同的圆柱体槽，圆柱体直径与高分别为15mm、25mm。两槽间距5mm，两槽之间有连通孔，孔径为1mm，密封塞为圆柱体，直径15mm，高度5mm。使用前述PDMS材料配合模具、打孔器制造上述结构。
步骤四：微流控芯片组装。按照图2所示结构，使用键合机、万能胶配合软管，将上述各步骤得到的零件组装得到振荡流发生器的微流控芯片部分。
(二)接着，设计、搭建交变磁场发生系统，步骤如下：
步骤一：设计驱动电路。驱动电路用来驱动磁铁产生交变磁场，电路输入220V/AC/50Hz，输出0-24V/AC/1-100Hz，电路由降压整流模块与变压逆变模块组成。降压整流模块选用输入220V/AC/50Hz，输出0-24V/DC的直流电源。变压逆变模块选用输入0-24V/DC输出Vpp＝0-24V/AC/1-100Hz的逆变器。
步骤二：搭建交变磁场发生系统。将上述的整流模块、逆变模块以及控制板通过导线与电磁铁连接，组成交变磁场发生系统。
(三)最后，进行振荡流发生实验，步骤如下：
步骤一：搭建振荡流实验系统。首先，使用前述微流控芯片与交变磁场发生系统搭建图2中所示的振荡流发生装置。然后，使用流量检测装置搭建如图9所示的振荡流实验系统。
步骤二：振荡流流量波形的检测与调节。在微流控芯片的恒流槽中加入流体，使其中液面高于软管下开口。接通交变磁场发生系统电源。在恒定压力与交变压力的作用，恒流槽内的流体流经微流控芯片，流入流量采集模块21。流量采集模块21将数据传输至数据处理模块23，流量波形在计算机24界面显示出来。同过调节弹恒流槽通气管下开口处的高度、交变磁场驱动电路输出电压的幅值与频率，振荡流发生装置(图2)可以产生定常流M1(图3(a))、频率与幅值可调的单向振荡流M2(图3(b))与往复振荡流M3(图3(c))。
本发明的基本原理详述如下：
(1)收缩/扩张管
如图1所示的收缩/扩张管，其中PH>PL，当流体沿Q1方向流动时，通道作为收缩管，此时沿着收缩管的压力降为：
当流体沿Q2方向流动时，通道作为扩张管，此时沿着扩张管的压力降为：
其中，ρ是流体密度，vn是流体沿收缩方向的流速，vd是沿扩张方向的流速，εn与εd分别是收缩管与扩张管的压力损失相关系数。
当ΔPn＝ΔPd时，由于εn>εd,vd>vn，因此，收缩/扩张管在交变压力的作用下，一个周期内沿收缩管方向的流量小于沿扩张管方向的流量。收缩/扩张管与产生交变压力的微腔室结构如图5(a)和图5(b)，当振荡流发生装置工作时，微腔室的容积按照正弦变化：
VC＝VX sin(2πft)(3)
其中，VC是微腔室容积，VX是腔室容积变化的幅值，f是振动膜的振动频率。平均流速Vo可以表示为：
其中，
(2)恒定流量源
如图6所示为恒定流量源，两端开口的入口连接软管1下端开口处的压强始终保持与外界大气压相同；往恒流槽8加入液体，液体上方封闭一段空气柱，满足气体状态方程：
P1V1＝C1(5)
其中，P1为气体压强，V1为气体体积，C1是常数。设a点为恒流槽内液面所处位置；b点为两端开口软管下端所处位置；c点为恒定压力源液体流出位置；若液面高度高于软管下端开口处，则由于重力作用液体从c点流出，恒流槽中的水面下降，水面上方密闭的气体体积增大，气体压强减少，液体下流的速度就会减慢，导致容器内b点的水平面压力小于外界大气压，外界气体会在大气压的作用下通过软管下端的b口补气。
设c点的高度为Hc＝0，b点的高度为Hb，a和b两点之间的距离为△H，液体从c点流出的速度大小根据伯努利方程进行求解：
其中，C2为常数，V2为流体中某点的流速，H2为流体中该点的高度，P2为该点的压强，ρ为流体密度，g为重力加速度；
设c点的压强为Pc，c点流速为Vc，b点的压强为Pb，b点流速为Vb,则根据用伯努利方程(6)得：
其中b点处与c点处均与大气接触，所以Pb＝Pc＝Patm。Patm为大气压强。由于整个容器的横截面面积远大于c点的面积，根据连续性方程，Vb＜＜Vc，故认为Vb＝0。将前述条件代入公式(7)，即求得c点处液体流动速度为：
由公式(8)得：当ΔH>0时，Hb是恒定的，此时溶液从c孔流出的速度是恒定的，其大小取决于Hb的大小。
当液体由恒流槽8流出经过稳流槽11时，由于被封闭在稳流槽11内空气的弹性作用，可将恒流槽8因加气循环所产生的波动流转变为定常流，起到类似滤波的作用，如需要调节稳流槽内空气柱的高度，则可通过打开接头进行调节。稳流槽弹性腔的顺应性可以通过如下的公式进行计算：
其中，VA-2是弹性腔内空气柱的体积，PA-2是弹性腔内空气柱的压力，n是一个多方指数，n≥1，由于顺应性的调节过程中温度保持不变，所以n＝1。A是弹性腔的内截面积，h是弹性腔内空气柱的长度，Patm和P0分别为大气压以及液体作用于空气柱的压力。因此，如果给定了弹性腔顺应性C3的具体数值，那么在槽内截面积已知的情况下，通过上述的公式(9)便可得到弹性腔内所需空气柱的高度h。
Claims (5)
1.一种基于微流控芯片的多功能、集成化微流体振荡流发生装置，其特征在于，所述的基于微流控芯片的多功能、集成化微流体振荡流发生装置包括集成于微流控芯片上的交变压力源部分(S1)和恒定流量源部分(S2)，以及交变磁场发生系统(S3)，微流控芯片上开设有与交变压力源部分(S1)和恒定流量源部分S2相匹配的通道；
所述的交变压力源部分(S1)包括收缩/扩张管a(3)、收缩/扩张管b(5)、微腔室(4)、振动膜(6)与磁铁(7)，收缩/扩张管a(3)和收缩/扩张管b(5)位于微腔室(4)的两侧并相互连通，微腔室(4)顶部为开口结构，振动膜(6)安装在微腔室(4)的开口上，形成密闭空间，磁铁(7)粘贴在振动膜(6)的上表面；
所述的恒定流量源部分(S2)包括恒流槽(8)、密封塞a(9)、入口连接软管(1)、槽间连接软管(10)、恒流输出软管(13)、稳流槽(11)和密封塞b(12)；恒流槽(8)中装有工作液体，用于产生恒定的流量，稳流槽(11)用于稳定流速；恒流槽(8)的下部设有一个接口，稳流槽(11)的下部设有两个接口，恒流槽(8)与稳流槽(11)通过槽间连接软管(10)以及下部的接口连通，稳流槽(11)下部的另一个接口通过恒流输出软管(13)与收缩/扩张管a(3)连接，收缩/扩张管b(5)与微流控芯片的出口连接软管(2)连接；密封塞a(9)和密封塞b(12)分别安装在恒流槽(8)和稳流槽(11)的槽口上；其中，密封塞a(9)上设有开口，入口连接软管(1)一端从开口插入恒流槽(8)盛装的液体中；
所述的交变磁场发生系统(S3)包括通过导线(15)顺次连接形成回路的交流电源(14)、降压整流模块(16)、变压逆变模块(17)和电磁铁(19)，并通过电压和频率控制板(18)进行控制，其中电磁铁位于磁铁(7)的正上方；交变磁场发生系统S3用于产生交变磁场，以驱动磁铁(7)工作；
所述的恒定流量源部分(S2)的恒流槽8产生定常流作用于交变压力源部分(S1)的收缩/扩张管a(3)，再通过交变磁场发生系统(S3)提供的磁场带动振动膜6往复运动，从而在收缩/扩张管b(5)出口产生频率、幅值和模式可调的振荡流。
2.根据权利要求1所述的一种基于微流控芯片的多功能、集成化微流体振荡流发生装置，其特征在于，所述的收缩/扩张管a(3)和收缩/扩张管b(5)为微米级通道。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于微流控芯片的多功能、集成化微流体振荡流发生装置，其特征在于，所述的微流控芯片和振动膜(6)由PDMS材料制成。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于微流控芯片的多功能、集成化微流体振荡流发生装置，其特征在于，所述磁铁(7)是由NdFeB材料制成的金属薄片，厚度为微米级，直径为毫米级。
5.根据权利要求3所述的一种基于微流控芯片的多功能、集成化微流体振荡流发生装置，其特征在于，所述磁铁(7)是由NdFeB材料制成的金属薄片，厚度为微米级，直径为毫米级。
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