CN116492888A - 一种混合单元、混合器、微流控芯片、混合装置、应用及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合单元、混合器、微流控芯片、混合装置、应用及工艺，属于微流控芯片领域，包括第一入口、第一混合部和第一出口，第一入口和第一出口分别位于第一混合部的两端，第一混合部内形成若干分流管道，若干分流管道与第一入口之间形成第一混合区，若干分流管道与第一出口之间形成第二混合区，分流管道内形成管道分流混合区，若干分流管道在液体流向方向上的横截面积呈现逐渐变化趋势，至少两条分流管道的变化趋势相反，还提供了一种混合器、微流控芯片、混合装置、应用及工艺。本发明技术方案能够促进混合效率。

Description

一种混合单元、混合器、微流控芯片、混合装置、应用及工艺

技术领域

本发明属于微流控芯片领域，具体地说，涉及一种混合单元、混合器、微流控芯片、混合装置、应用及工艺。

背景技术

微流控芯片在生化分析和药物研究等多个领域起着很重要的作用。微流控技术利用多种微纳加工手段制备管道宽度在亚毫米到微米的芯片来实现对纳升、毫升体积的液体进行混合处理。微流体技术可以实现对少量液体的快速分析，从而大大减少对昂贵试剂的损耗。常见的微流体技术有微流控混合、粒子检测与分选、微液滴操纵等。

微流体混合指的是在微米尺度下实现两种或者多种流体的混合。微流体混合广泛应用于生化反应等领域来实现少量试剂的快速检测以及纳米粒子的合成。不同于宏观领域下的混合，微尺度下的流体中的粘性力通常远大于惯性力，因此流体之间的混合通常依赖于缓慢的扩散作用。基于这一原因，各种基于微流体力学的芯片被设计出加速这一混合过程，统称为微流控混合器。

目前报道的微流控混合器最大的问题在于混合液体的通量较小，难以满足临床应用以及工业生产的产率需求，因此限制了微流控混合器的商业化过程。虽然一些用于提高流量的芯片设计已经出现，比如公开号为CN108778477A分离重组式的混合器，依然存在分离重组后液体流速度差异小或者流量差异大，导致混合效果较差的问题。而且，这些混合器往往以牺牲对纳米粒子尺寸分布的精确控制为代价，很难得到广泛的应用。因此目前急需一种可以提高混合效率，满足于市场规模化应用的混合器。

发明内容

1、要解决的问题

为解决现有微流控混合技术混合效果较差，本发明提供了一种用于液体混合的混合单元、混合器、微流控芯片、混合装置、应用及液体的混合工艺。

2、技术方案

发明提供了一种混合单元，用于两种以上液体的混合，其特征在于，包括第一入口、第一混合部和第一出口，所述第一入口和所述第一出口分别位于第一混合部的两端，所述第一混合部内形成若干分流管道，所述若干分流管道与第一入口之间形成第一混合区，所述若干分流管道与第一出口之间形成第二混合区，所述第一混合区与第一入口之间设置有第三混合区；

所述分流管道内形成管道分流混合区，所述若干分流管道在液体流向方向上的横截面积呈现逐渐变化趋势，至少两条分流管道的变化趋势相反。

优选的，所述第一混合部内设置有分流块，所述第一混合部与所述分流块之间形成有2个分流管道，分别为第一管道混合区和第二管道混合区；

所述第一管道混合区在液体流向上的横截面积逐渐缩小，所述第二管道混合区在液体流向上的横截面积逐渐扩大；或，

所述第一管道混合区在液体流向上的横截面积逐渐扩大，所述第二管道混合区在液体流向上的横截面积逐渐缩小。

优选的，所述第一混合区为分离涡混合区，所述第二混合区为差速流混合区，第三混合区为迪恩涡混合区。

优选的，第一管道混合区在液体流向上的横截面积的缩小趋势与所述第二管道混合区在液体流向上的横截面积扩大趋势相对应。

优选的，所述第三混合区为弧形管道，所述第一混合区、第二混合区、第一管道混合区、第二管道混合区与混合液体接触的外侧壁与所述分流块与混合液体接触的外侧壁包括弧线段。

优选的，所述第一混合部包括第一外壁段和第二外壁段，所述第一外壁段和第二外壁段中心对称设置。

优选的，所述第三混合区的弧形管道的横截面在深度方向上深度H与宽度方向上宽度L的比值范围为0.5-2，宽度L的数值范围为50μm到2mm。

优选的，所述第三混合区弧形管道的弯曲方向与所述管道分流混合区在流体方向上横截面积呈现逐渐缩小一侧外侧壁的弯曲方向相反。

优选的，所述第三混合区的弧形管道包括第三外壁段和第四外壁段，所述第四外壁段与第二外壁段通过设置第一偏转角圆弧Y1连接。

优选的，所述第一偏转角圆弧Y1分别与第四外壁段和第二外壁段相切，且所述第一偏转角圆弧Y1的角度方向与第四外壁段和第二外壁段的角度方向相反。

优选的，所述第一外壁段的半径R1与所述分流块内切圆半径R2的比值范围为2-6。

优选的，所述第一外壁段与第一出口之间设置有第二偏转角圆弧Y2，所述第二偏转角圆弧Y2的角度方向与所述第一外侧壁的角度方向相反。

本发明的技术方案，还提供了一种混合器，包括第二入口和第二出口，和上述的混合单元，所述混合单元的数量为1个或多个，所述多个混合单元在第二入口和第二出口之间依次首尾相连，所述多个混合单元重复排列，或所述相邻两个混合单元轴对称设置排列。

本发明的技术方案，还提供了一种微流控芯片，包括上述的混合器或包含双数的的混合单元。

本发明的技术方案，还提供了一种混合装置，包含上述的混合单元，或包含上述的混合器，或上述的微流控芯片。

本发明的技术方案，还提供了微流控芯片或上述的混合装置在制备产物中的应用，所述应用的产物为颗粒或药物组合物，所述颗粒为脂质纳米颗粒或聚合物纳米颗粒

本发明的技术方案，还提供了一种微流体的混合工艺，该混合工艺包含以下步骤：

S0，对被混合的微流体进行迪恩涡混合；

S1，对进行迪恩涡混合后液体进行分离涡混合；

S2，对形成分离涡之后的流体进行不同流速的分流，形成若干流速不同的差速流；

S3，对若干差速流流体进行二次混流。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的技术方案能够在混合液体分离重组时，减小不同分离管道中液体流量的流量差，或尽量保持后续分流过程中至少两个分流管道的液体流量相差较小。减小分流管道中的液体流量差值能够避免在现有技术中，由于两种混合液体的流量差异过大导致的流量较小管道中的液体不能混合或不能进一步混合的现象；进一步的，由于分流后的液体在不同分流管道的出口处，其液体流量差值小，在不同流速的配合下形成高强度的冲击，以此实现高效的被混合液体之间的流体冲击，增强液体之间的混合扰动，有效促进流体的混合效率。

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为本发明混合器的整体结构示意图；

图2为本发明混合单元的结构示意图；

图3为本发明混合单元的结构分区示意图；

图4为本发明混合单元的结构外侧壁分段示意图；

图5为本发明混合单元结构角度与偏转角圆弧结构示意图；

图6为本发明第三混合区A-A截面示意图；

图7为本发明混合单元混合原理以及液体流向示意图；

图8为本发明混合单元中分离块多种结构示意图；

图9为本发明第三混合区不同的截面深度和宽度比下液体混合效率的对比示意；

图10为本发明第三混合区不同弯曲角度下液体混合效率的对比示意图；

图11为本发明不同混合单元数量的混合器的混合效率示意图；

图12为本发明混合器在不同雷诺数下合成的一种中性脂质纳米粒子的粒径实验数据图；

图13为本发明混合器在不同雷诺数下合成的一种阳离子脂质纳米粒子的粒径实验数据图；

图14为本发明混合器在不同雷诺数下合成的另一种阳离子脂质纳米粒子的粒径实验数据图；

图15为本发明不同β数值混合器在不同流量控制下合成纳米粒子实验数据图；

图16为本发明150μm和500μm两种不同尺寸混合器在不同流量下合成纳米粒子平均粒径示意图。

附图标记：1、第一入口；2、第一出口；3、第一混合部；4、分流块；301、第一外壁段；302、第二外壁段；303、第三外壁段；304、第四外壁段；305、第五外壁段；306、第六外壁段；307、第七外壁段；308、第八外壁段；310、第一混合区；320、第二混合区；330、第三混合区；340、管道分流混合区；341、第一管道混合区；342、第二管道混合区；100、混合单元；110、第一混合单元；120、第二混合单元；200、分流管道；300、第二入口；400、第二出口；Y1、第一偏转角圆弧；Y2、第二偏转角圆弧。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

需要说明的是，下述介绍使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不代表主次，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。另，下述介绍内容中，由于涉及液体混合，对于以下实施例中对于混合区域的划分、结构的划分仅仅是为了方便描述的示例性划分，不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

如图1图2和图3所示，本发明提供的混合单元用于两种或两种以上液体的混合，其包括第一入口1、第一混合部3和第一出口2，被混合液体从第一入口1流入第一混合部3经过混合后从第一出口2处流出。在第一混合部3内形成有若干分流管道200，若干分流管道200可以形成若干管道分流混合区340，该分流管道200将流入第一混合部3的液体进行分流后重组，即先分流再对分流液体进行混流。若干分流管道200与第一入口1之间的区域能够形成第一混合区310，第一混合区310与第一入口1之间设置有第三混合区330，第三混合区330用于不同液体之间的初步混合，初步混合后流入第一混合区310进行混合；被混合液体流过第一混合区310后流经分流管道200时，在分流管道200内部亦可以进行部分混合；若干分流管道200与第一出口2之间形成有第二混合区320，第二混合区320对来自于若干分流管道200的液体进行再次混合进一步促进混合的效率。

实施例1

如图2和图3所示，本实施中若干分流管道200在液体流动方向上的横截面积的大小呈现逐渐变化趋势，逐渐变化趋势可以是横截面积从大逐渐缩小，也可以是横截面积从小逐渐扩大，且若干分流管道200中，至少两条分流管道200在横截面积大小变化趋势相反。即至少一条分流管道200横截面面积变化趋势为从小到大，和至少一条分流管道200横截面面积变化趋势为从大到小。相反的变化趋势，能够提高该两个管道流出液体的流速差值，降低该两个管道流出液体的流量差值。

若干分流管道200可以是两条，也可以是多条，当分流管道200是两条时，则该两条分流管形成的管道分流混合区340可以划分为第一管道混合区341和第二管道混合区342，且第一管道混合区341和第二管道混合区342的管道横截面积的大小变化趋势相反，即如果第一管道混合区341的管道横截面积沿着流体方向上逐渐缩小，则第二管道混合区342的横截面积在液体流动方向上呈现逐渐扩大趋势。设置不同分流管道200的横截面面积的变化趋势相反，可以避免因分流管道200入口处横截面积较小导致通过该管道后续液体流量过小，不利于后续混合。通过横截面积的变化趋势调节第一管道混合区341和第二管道混合区342通过的液体流量，以避免流量相差过大的问题。由于避免了一侧管道液体流量过小，进一步的，能够避免在经过第一混合区310后未混合或未能在第一混合区310进一步混合的液体直接流入较小流量的分流管道200，导致在分流管道200内失去混合作用。

本实施例中分流管道200中的第一管道混合区341与第二管道混合区342在液体流向方向上横截面面积变化趋势相反的另外一个作用是，当液体流经过第一管道混合区341和第二管道混合区342后，再进入第二混合区320进行再次混合时，保障第一管道混合区341和第二管道混合区342流入第二混合区320内的液体流量相同或流量差值相差不大或者尽量减小两者之间的流量差值。进一步的，由于第一管道混合区341与第二管道混合区342其管道横截面积大小变化趋势相反导致通过第一管道混合区341、第二管道混合区342流入第二混合区320区域的流体速度出现差异，其中横截面积由大缩小的分流管道200能够提供较高的流速，横截面积逐渐扩大的一侧其液体流速相对较低。不同流速的液体在流入在第二混合区320时，来自第一管道混合区341与第二管道混合区342的液体形成强烈的不同流速之间液体的冲击，强烈的冲击进一步增加混合效果。

如图3和图7所示，本实施例中，在第一混合区310与第一入口1之间，设置有第三混合区330，该第三混合区330用于形成迪恩涡混合现象，促使液体流入第一混合区310之前进行初步混合。初步混合后的液体，在后续进一步形成对冲或对流时，能够在初步混合的基础之上进行对流，促进形成更好的混合效果。本实施例中的第三混合区330为弧形管道，在液体流入该弧形管道时，由于离心力作用，在管道内产生迪恩涡现象，迪恩涡现象的产生促进了混合液体在第一混合区310内的混合。液体经过第三混合区330后进入第一混合区310进一步产生分离涡现象，分离涡加速了混合液体之间的混合现象，本实施中，产生分离涡现象的第一混合区310的结构为在液体流行方向上其开口或者横截面面积整体上呈现扩大趋势造成，由于其横截面积的扩大，导致产生第一混合区310内液体流速不同，由于流速快的液体压强相对较小，流速慢的液体其压强相对较大，两者之间形成了分离涡现象，分离涡现象有效的促进了液体之间的进一步混合。经过两次混合之后的液体经过分流管道200进入第二混合区320后再次形成差速流的冲击混合。本实施中，第三混合区330域内产生的迪恩涡涡旋面为垂直于液体流向的面，在第一混合区310内形成的分离涡的涡旋面与液体流向方向为平行面，即经过该两个混合区依次诱导产生了与流动方向垂直的迪恩涡和与流动方向平行的分离涡两种惯性涡流，通过两种涡流的叠加对流体产生了三维方向上的剪切作用，促进混合液体的进一步混合效果。通过后续分流管道200将流体分流为流量相同或相近而流速不同的两股流体，将它们再次重组实现高效的不同流速的对冲来增强液体之间的混合扰动，有效促进了流体的混合效果。

本实施例中，分流管道200的数量优选为两条。若干分流管道200也可以是多条，当分流管道200是多条时，至少两条分流管道200在液体流动方向上的横截面积的大小变化趋势是相反的，分流管道200中液体流入第二混合区320后再次混合时其原理与效果与上述内容基本相同。

实施例2

如图2、图3、图4和图7所示，进一步的，在一个实施中，第一混合部3内设置有分流块4，第一混合部3的第一外壁段301、第二外壁段302与分流块4的外壁之间的空腔区域构成了第一混合部3内的液体流动区域。分流块4可以是实心的也可以是空心腔体，但是由于混合单元为微型装置，做成空心腔体在加工上具有较大难度，且没有必要性，因此分流块4优选为实心块状。为减少混合死角的产生以及提高液体流动的导向作用，第一外壁段301、第二外壁段302以及分流块4的与混合液体接触位置的外壁段可以设置为弧形面，也可以设置为弧形面与其他诸如直线面的结合，本实施例及本技术方案中并不限制第一外壁段301、第二外壁段302以及分流块4外壁必须为弧形面，如图8所示，如分流块4可以是椭圆形或者近似于椭圆、圆形、类似于鸡蛋形或者是其他能够形成一侧分流管道200横截面积逐渐缩小，一侧分流管道200横截面接逐渐扩的结构均可，本发明的技术方案中，并不对其进行绝对的限定。

该分流块4与第一外壁段301之间形成的部分区域为第一管道混合区341，与第二外壁段302之间形成的部分区域为第二管道混合区342。第一混合区310位于分流块4靠近第一入口1的一端；第二混合区320位于分流块4靠近第一出口2的一端。为进一步提高混合效果，在第一混合区310内形成分离涡混合，在第二混合区320内形成来自于不同分流管道200之间的差速流混合。其中第一混合区310的分离涡混合可以在第一混合区310内提高其混合效果，在第一混合区310内已经进行较好的初步混合后，再次进入第二混合区320后，进行不同流向和流速的差速流冲击混合进一步提高了在第二混合区320的混合效果以及整体的混合效果。

进一步的在本实施例中，第一管道混合区341在靠近第二混合区320一端的位置的液体流向与第二管道混合区342在靠近第二混合区320一端的位置的液体流向在流向方向上形成的角度一般大于90°时混合效果更佳。如两者流向的角度小于90°，则两者液体形成相同的流向，不利于进一步混合；如两者出口位置的流体流向角度为90°时，其中一侧液体流向可以冲击另外一侧液体流向，冲击能够进一步促进混合效果；如果两者之间的流向角度大于90°，在流向上能够形成对冲，对冲可以更进一步的增加混合效果。进一步的，为了使得第一管道混合区341的液体与第二管道混合区342的液体在第二混合区320内实现较好的对冲或对流的效果，可以在如图4所示的第一混合部3的第一外壁段301与第一出口2之间设置第二偏转角圆弧Y2，该偏转角Y2同时构成第一混合部1的第五外壁段305，其中第二偏转角圆弧Y2与第一外壁段301的圆弧之间相切设置。进一步的，该第二偏转角圆弧Y2的弧度方向与第一外壁段301的弧度方向相反，相反设置圆弧方向，能够让液体流在流经第二混合区320时不会产生非圆弧形的流经死角，避免影响混合效果。本实施中，第二偏转角圆弧Y2的弧度大小为90°-150°，该范围内的偏转角度还能够促进在第二混合区320内产生迪恩涡涡旋，在该区域内产生的迪恩涡涡旋方向与第三混合区330区域产生的迪恩涡涡旋方向相同，进一步增强混合效果。以此可以提高两者之间的混合效率。

进一步的，本实施中的第一外壁段301与分流块4之间形成的第一管道混合区341其横截面积在流体方向的变化趋势为由大逐渐缩小，第二外壁段302与分流块4之间形成的第二管道混合区342的横截面积在流体方向的变化趋势为由小逐渐扩大，以此形成第一管道混合区341与第二管道混合区342流出的液体流速不同，不同流速之间形成差速流的冲击，提高混合的效果。

在本实施例中，也可以是第一管道混合区341其横截面积在流体方向的变化趋势为由小逐渐扩大，第二管道混合区342横截面积在流体方向由大逐渐缩小，两者之间变化相反即可实现差速流冲击。更进一步的，可以设置第一管道混合区341其横截面积在流体方向的由大逐渐缩小的趋势与第二管道混合区342的横截面积在液体流向方向上由小逐渐扩大的趋势相对应，即两者之间的变化范围相同。为进一步提高混合效果，可以设置第一管道混合区341与第二管道混合区342的容积相同；第一管道混合区341在液体流入处的横截面积S1等于第二管道混合区342在液体流出处的横截面积S4，第一管道混合区341在液体流出处的横截面积S2等于第二管道混合区342在液体流入处的横截面积S3，以促使第一管道混合区341与第二管道混合区342流出的液体流速不同，流量相同或者基本相同，以促使两者之间形成强大冲击力。如图2所示，由于两者之间的流速差过小，也会影响到混合的效率，本实施例中，通过对第一外壁段301的半径大小R1和分流块4的内切圆半径大小R2的比值范围进行限定，间接的限定了第一管道混合区341与第二管道混合区342流出液体之间的流速差值，其中优选的方案为R1与R2之间的的比值R1/R2范围为2-6之间，更加有效的避免了在第二混合区320再次混合时，由于一侧流量大另外一个流程相对较小形成的冲击效果不佳的现象。

实施例3

如图4所示，本实施例中的第三混合区330的外侧壁包括具有弧形结构的第三外壁段303和第四外壁段304，其中第三外壁段303与第一混合部3的第一外壁段301相切设置；相切设置可以减少液体流动的死角，减少对液体流速的影响。进一步的，第三外壁段303的弧度方向与第一外壁段301的弧度方向相反，弧度相同会产生死角，弧度相反能够让混合液体顺利流动。第一外壁段301对应的第一管道混合区341在流体方向上的横截面面积为逐渐缩小趋势，如此设置能够让经过第三混合区330混合后的液体的流向对应第一混合区310内较大面积处，减少流动的阻碍，以促使形成更大的分离涡现象，提高混合效率。本实施例中，第四外壁段304与第二外壁段302之间的弧度方向相同，两者之间通过第一偏转角圆弧Y1形成圆弧连接，同时该第一偏转角圆弧Y1构成第一混合部1的第六外壁段306部分，其中第一偏转角圆弧Y1能够减少液体流经第一混合区310时形成的死角现象；同时，设置第一偏转角圆弧可以在第一混合区310区域产生与第三混合区330相反方向的迪恩涡，进一步拉伸和折叠流体之间的界面，从而促进混合；此部分配合第二偏转角圆弧Y2，能够在多个方向上产生涡旋方向不同的迪恩涡现象，更进一步促进混合效果。本实施例中，为达到更好的混合效果，第一偏转角圆弧Y1的角度设置为90-150°，该角度还能够对液体流行产生导流作用，引导液体流向第二管道混合区342进行流动。

如图10所示，所显示的实验数据中，横坐标为雷诺数，纵坐标为混合单元混合指数，显示了第三混合区330的弧形管道角度θ1为30°、60°、90°、105°、120°、150°时混合单元的混合指数，根据图示可知，在任意角度时，均能达到一定的混合指数，本实施例中优选角度数值范围为30-150°，更优选为60-120°时其混合指数相对较高。

如图6所示，第三混合区330在A-A方向的截面中，其深度方向的尺寸以H表示，其宽度方向上的尺寸以L表示，本实施中，H与L之间的比值为深宽比，以α表示。如图9所示，显示了雷诺数Re为90、120、150、180时四种流体的混合指数效率数据实验图，其中在横坐标为深宽比α，纵坐标为混合指数，可知在α较小时混合单元的混合指数较小，在雷诺数不变的情况下，随着α逐渐增大后其混合指数提高，但是在α超过1.4时混合指数开始呈现下降趋势，在α处于1.6-2之间时其变化趋势为缓慢下降趋势。因此本技术方案中，为保证较好的混合指数，优选α只为0.5-2之间能够达到较佳的混合指数，更进一步的，本实施例中L的取值范围为50μm到2mm。

如图15所示，进一步的，第三混合区330在A-A方向的截面中其宽度方向上的尺寸为L与第一外壁段301的半径R1的比值范围以β表示，即L/R1为β，如图15可知，当β从0.2上升到0.4时，不同雷诺数情况下的混合指数都在提高，但是当β在0.5时，相对于β为0.4时其混合指数开始下降，因此本实施例中β的取值范围选取0.2-0.5，此时其混合指数相对较高。

实施例4

如图3和图4所示，本实施例与上述实施例基本相同，进一步的，本实施例中的混合单元整体呈现为中心对称样式。其中第一混合部3的第一外壁段301与第二外壁段302中心对称设置，第一偏转角圆弧Y1与第二偏转角圆弧Y2中心对称设置，其中第三外壁段303与第一外壁段301之间的直线段部分为第七外壁段307；第二外壁段302圆弧沿切线方向的延长线，延长到第一出口2处的部分构成第八外壁段308；其中第七外壁段307与第八外壁段308中心对称设置。其中第一外壁段301所在圆弧的圆心和第二外壁段302所在圆弧的圆心相互偏置，即构成第一混合部3的混合区域的外侧壁中两段圆弧为非同心圆。这样设置的结构，进一步使得第一混合区310和第二混合区320为中心对称结构，第一管道混合区341与第二管道混合区342中心对称结构。进一步保证了从第一管道混合区341与第二管道混合区342流出的液体流速不同，流量相同或相差不大，在第二混合区320内形成的流体冲击的效果更好。另外由于第一外壁段301与第二外壁段302为圆心偏置设置，使得第二混合区320部分的第二外侧壁形成了向第一管道混合区341的流出的高速流方向弯折的弯角，该弯角主要由第二外壁段302靠近第一出口2方向一端的部分弧面构成，使得从第二管道混合区342流出的低速流液体，借助在弯角中的离心力作用，促进部分流体向高速流流体方向汇集，进一步促进高速流与低速流的碰撞混合效果。

本发明中还提供了一种混合器技术方案，该混合器包括第二入口300和第二出口400，该混合器在第二入口300和第二出口400之间至少包含一个上述实施例中的混合单元100，当混合单元为多个时，可以是多个混合单元的首尾相连的依次顺序排列也可以是相邻的两个混合单元轴对称设置排列。为促使更好的混合效果，如图1所示，优选设置为每相邻的两个混合单元轴对称设置，如图1中混合器的第一混合单元110和第二混合单元120轴对称设置。如图1所示，本实施例第二入口300的数量可以是两个，也可以是多个，对于不同入口的数量可以根据混合的液体数量进行选择，如第二入口300数量为2时可以是呈现为字母Y形状或字母T的形状，当时第二入口300的数量大于等于3个时，可以按照如图1所示的间隔一定角度进设置，如十字型等。

如图11所示，横坐标为混合单元的数量，纵坐标为混合效率，分别实验了当雷诺数为63、128、256和512时不同混合单元的混合效率，根据实验数据可知，随着混合单元的不断增加，其混合效率在逐渐提升，但是当混合单元的数量增加到8个时，在雷诺数为512的实验中混合指数已经接近1，在雷诺数为63的实验结果中，其混合效率随着混合单元的数量也在不断增加，不过其增加范围相对较小。如图11所示实验数据，以及本发明的部分方案在混合中产生的迪恩涡、分离涡以及分流后在差速流对冲设计方案，本发明能够的适用的雷诺数范围在63到2000之间，均可以具有良好的混合效果。

实施例5

本发明中还提供了一种微流控芯片技术方案，该微流控芯片包括上述的混合器技术方案。

实施例6

本发明中还提供了一种混合装置技术方案，该混合装置中采用上述的混合单元或采用上述的混合器或采用上述混合器芯片。该混合装置包括但不限于注射器、泵、检测设备、清洗装置、加热设备等。

实施例7

本发明中还提供了混合器或微流控芯片或混合装置的在制备产物中应用。如利用纳米沉淀过程将纳米结构材料从分子或者原子自上而下的逐渐构建成更大的纳米尺寸的结构。具体来说，利用混合器或微流控芯片或混合装置将溶解有脂质的溶剂与反溶剂进行快速混合，从而使得脂质在混合相中迅速达到过饱和浓度从而诱导成核。得益于微流控混合器中溶剂与反溶剂快速且均匀的混合，可以实现小而单分散的纳米粒子的合成。应用的产物可以是颗粒或药物组合物，其中颗粒可以是脂质分子或高分子聚合物或核酸或脂质纳米颗粒。

如图12本实验中选择用混合器合成一种中性脂质纳米粒子，其将两种溶液按照一定的流量比或体积比通入混合器芯片进行混合，其中一种溶液为PBS水缓冲液，另一种溶液为溶解有混合脂质的乙醇溶液。其中混合脂质的配方为二硬脂酰基磷脂酰胆碱(DSPC)与胆固醇(Chol)按照质量比为2：1进行混合形成，总脂质在乙醇溶液中的浓度为4mg/ml。本实验中，横坐标为混合液体的雷诺数，纵坐标为混合得到纳米粒子的平均粒径，其中给出了两种液体的流量比分别为3和5的两种数据，可见，当雷诺数小于100时，其合成纳米粒子的平均粒径较大，随着雷诺数从100逐渐提升到500和600，其合成的纳米粒子的平均粒径逐渐缩小，在500或者600之后趋于稳定数值。

图13本实验中选择合成一种阳离子脂质纳米粒子，同样为两种溶液，一种溶液为柠檬酸的水缓冲液(pH＝4)，另一种为混合脂质的乙醇溶液。其中混合脂质的配方为一种可电离阳离子脂质DLin-MC3-DMA(MC3)、二硬脂酰基磷脂酰胆碱(DSPC)、胆固醇(Chol)与一种PEG化脂质DMG-PEG 2000按照50：38.5：10：1.5的摩尔比进行混合。本实验中，横坐标为混合液体的雷诺数，纵坐标为混合得到纳米粒子的平均粒径，其中给出了两种液体的流量比分别为3和5的两种数据，可见，当雷诺数小于100时，其合成纳米粒子的平均粒径较大，随着雷诺数从100逐渐提升到500和600，其合成的纳米粒子的平均粒径逐渐缩小，在500或者600之后趋于稳定数值。

图14所示，本实验中选择合成另一种阳离子脂质纳米粒子，同样为两种溶液，一种溶液为柠檬酸的水缓冲液(pH＝4)，另一种为混合脂质的乙醇溶液。其中混合脂质的配方为另一种可电离阳离子脂质C12-200(C12)、二硬脂酰基磷脂酰胆碱(DSPC)、胆固醇(Chol)与另一种PEG化脂质18:0PEG2000 PE按照50：38.5：10：1.5的摩尔比进行混合。本实验中，横坐标为混合液体的雷诺数，纵坐标为混合得到纳米粒子的平均粒径，其中给出了两种液体的流量比分别为3和5的两种数据，可见，当雷诺数小于100时，其合成纳米粒子的平均粒径较大，随着雷诺数从100逐渐提升到500、600之前时，其合成的纳米粒子的平均粒径逐渐下降，在500或者600之后趋于稳定数值。

如16所示，本技术方案的混合单元或混合器对纳米粒子尺寸的精确控制效果，图16为两种管道尺寸的混合器(管道尺寸分别为150μm和500μm，可以认为是主管道宽度，其他尺寸都适当增大)在不同流量下合成一种中性脂质纳米粒子。可以看到，通过调节总流量，可以实现相同尺寸纳米粒子的合成，以及随着总流量的不断增大，其合成的纳米粒子粒径大小趋于平稳。可以理解为用不同管道尺寸的混合器在不同流量下合成一致尺寸分布的纳米粒子，其机理是通过调节总流量和流量比来实现的，因此可以实现对纳米粒子的精准调控。

本发明的混合器技术方案，依赖流体的惯性作用，也称为惯性流混合器。理论上对于这类型的惯性流混合器，流速越快或者是雷诺数越高，流体的惯性越强，混合效果越好。但是过快的流速会导致压力过大，容易将芯片破坏。本发明技术方案的结构设计能够适用于雷诺数为从63-2000的区间，其混合器性能仍然能够保持结构稳定。进一步的，根据以上实验可知通过多个截面积变化趋势相反的分流管道200来实现强烈的差速流碰撞来促进多种流体的混合。同时这些分流管道200的流阻大致相同来确保碰撞流体的体积近似相同从而实现更好的碰撞强度。还可以通过调节混合器管道的尺寸来满足不同流量的生产需求，并通过调节流量以及流量比等合成参数来实现一致尺寸分布的纳米粒子合成，既可以满足大流量和可扩展化合成需求，还可以保持对纳米粒子尺寸分布精确控制。

实施例8

本发明还提供了一种微流体的混合工艺，该混合工艺采用上述的混合器进行混合，该混合工艺包含以下步骤：

S0，对被混合的微流体进行迪恩涡混合；

S1，对进行迪恩涡混合后液体进行分离涡混合；

S2，对形成分离涡之后的流体进行不同流速的分流，形成若干流速不同的差速流；

S3，对若干差速流流体进行二次混流。

进一步的，步骤S3中的差速流在二次混合时，不同差速流之间的流速不同，但是相同时间内形成的流量大致相同。

进一步的，重复步骤S0-S3若干次，进行更加充分的混合。

本实施例中，在混合器的第三混合区330内形成迪恩涡涡流混合，在第一混合区310内形成分离涡涡流混合，通过两种涡流的叠加对流体产生了三维方向上的剪切作用，促进混合液体的进一步混合效果。然后在第二混合区320内形成差速流的混合，将它们再次重组实现高效的不同流速的对冲来增强液体之间的混合扰动，有效促进了流体的混合效果。

Claims (17)

1.一种混合单元(100)，用于两种以上液体的混合，其特征在于，包括第一入口(1)、第一混合部(3)和第一出口(2)，所述第一入口(1)和所述第一出口(2)分别位于第一混合部(3)的两端，所述第一混合部(3)内形成若干分流管道(200)，所述若干分流管道(200)与第一入口(1)之间形成第一混合区(310)，所述若干分流管道(200)与第一出口(2)之间形成第二混合区(320)，所述第一混合区(310)与第一入口(1)之间设置有第三混合区(330)；

所述分流管道(200)内形成管道分流混合区(340)，所述若干分流管道(200)在液体流向方向上的横截面积呈现逐渐变化趋势，至少两条分流管道(200)的变化趋势相反。

2.根据权利要求1所述的混合单元，其特征在于，所述第一混合部(3)内设置有分流块(4)，所述第一混合部(3)与所述分流块(4)之间形成有2个分流管道(200)，分别为第一管道混合区(341)和第二管道混合区(342)；

所述第一管道混合区(341)在液体流向上的横截面积逐渐缩小，所述第二管道混合区(342)在液体流向上的横截面积逐渐扩大；或，

所述第一管道混合区(341)在液体流向上的横截面积逐渐扩大，所述第二管道混合区(342)在液体流向上的横截面积逐渐缩小。

3.根据权利要求1所述的混合单元(100)，其特征在于，所述第一混合区(310)为分离涡混合区，所述第二混合区(320)为差速流混合区，所述第三混合区(330)为迪恩涡混合区。

4.根据权利要求2所述的混合单元，其特征在于，所述第一管道混合区(341)在液体流向上的横截面积的缩小趋势与所述第二管道混合区(342)在液体流向上的横截面积的扩大趋势相对应。

5.根据权利要求2所述的混合单元，其特征在于，所述第三混合区(330)为弧形管道，所述第一混合区(310)、第二混合区(320)、第一管道混合区(341)、第二管道混合区(342)与混合液体接触的外侧壁与所述分流块(4)与混合液体接触的外侧壁均包括弧线段。

6.根据权利要求5所述的混合单元，其特征在于，所述第一混合部(3)包括第一外壁段(301)和第二外壁段(302)，所述第一外壁段(301)和第二外壁段(302)中心对称设置。

7.根据权利要求5所述的混合单元，其特征在于，所述第三混合区(330)的弧形管道的横截面在深度方向上深度H与宽度方向上宽度L的比值范围为0.5-2，宽度L的数值范围为50μm到2mm。

8.根据权利要求5所述的混合单元，其特征在于，所述第三混合区(330)弧形管道的弯曲方向与所述管道分流混合区(340)在流体方向上横截面积呈现逐渐缩小一侧外侧壁的弯曲方向相反。

9.根据权利要求6所述的混合单元，其特征在于，所述第三混合区(330)的弧形管道包括第三外壁段(303)和第四外壁段(304)，所述第四外壁段(304)与第二外壁段(302)通过设置第一偏转角圆弧(Y1)连接。

10.根据权利要求9所述的混合单元，其特征在于，所述第一偏转角圆弧(Y1)分别与第四外壁段(304)和第二外壁段(302)相切，且所述第一偏转角圆弧(Y1)的角度方向与第四外壁段(304)和第二外壁段(302)的角度方向相反。

11.根据权利要求10所述的混合单元，其特征在于，所述第一外壁段(301)的半径R1与所述分流块(4)的内切圆半径R2的比值范围为2-6。

12.根据权利要求6所述的混合单元，其特征在于，所述第一外壁段(301)与第一出口(2)之间设置有第二偏转角圆弧(Y2)，所述第二偏转角圆弧(Y2)的角度方向与所述第一外侧壁(301)的角度方向相反。

13.一种混合器，包括第二入口(300)和第二出口(400)，其特征在于，还包括权利要求1-12任一项所述的混合单元(100)，所述混合单元(100)的数量为1个或2个或多个；

所述混合单元(100)为多个时，所述多个混合单元(100)在第二入口(300)和第二出口(400)之间依次首尾相连，所述多个混合单元重复排列，或所述相邻两个混合单元(100)轴对称设置排列。

14.一种微流控芯片，其特征在于，还包括权利要求13所述的混合器或包含权利要求1-12任一项所述的混合单元(100)。

15.一种混合装置，其特征在于，包含权利要求1-12任意一项所述混合单元(100)，或包含权利要求13所述的混合器，或包含权利要求14所述的微流控芯片。

16.权利要求13所述的混合器或权利要求14所述的微流控芯片或权利要求15所述混合装置在制备产物中的应用，所述应用的产物为颗粒或药物组合物，所述颗粒为脂质纳米颗粒或聚合物纳米颗粒。

17.一种微流体的混合工艺，该混合工艺包含以下步骤：

S0，对被混合的微流体进行迪恩涡混合；

S1，对进行迪恩涡混合后液体进行分离涡混合；

S2，对形成分离涡之后的流体进行不同流速的分流，形成若干流速不同的差速流；

S3，对若干差速流流体进行二次混流。