專利名稱：一種基于成渦結(jié)構(gòu)強(qiáng)化混合的平面被動(dòng)式微混合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微全分析系統(tǒng)和生物芯片中微流體混合的技術(shù)領(lǐng)域，特指一種能夠快速高效混合微流體的基于成渦結(jié)構(gòu)強(qiáng)化混合的平面被動(dòng)式微混合器。
背景技術(shù)：
微混合器作為微流控系統(tǒng)的重要組成部分，憑借其高效快速的混合性能，被越來越多的應(yīng)用于生物分析、化學(xué)合成和臨床測(cè)試等領(lǐng)域。在兩股或多股流體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時(shí)， 必須解決它們之間的有效混合，因而微混合器是微流控中的重要組成部分，由于微流控芯片通道結(jié)構(gòu)在微米量級(jí)，通道中的流體通常處于層流狀態(tài)，因此實(shí)現(xiàn)微尺度下流體的快速混合也變得至關(guān)重要。在不同雷諾數(shù)條件下，通道中的流體通過分子擴(kuò)散和對(duì)流混合的途徑實(shí)現(xiàn)混合。盡管前者的混合效率極高，但過小的流速導(dǎo)致其需要很長(zhǎng)的混合時(shí)間。所以在微尺度下實(shí)現(xiàn)流體的快速且高速混合仍然是個(gè)挑戰(zhàn)。按照混合過程的原理，微混合器一般分為弱化層流型和強(qiáng)化層流型兩種。而弱化層流型又分為被動(dòng)式和主動(dòng)式微混合兩種。主動(dòng)式是通過外部對(duì)混合器施加影響促進(jìn)混合，而被動(dòng)式是在流體內(nèi)部采取強(qiáng)化措施，即借助改變或布置不同形狀和結(jié)構(gòu)的微通道來控制混合過程。相比前者而言，被動(dòng)式微混合器不需要添加額外的設(shè)備，易于加工，使用更為方便。而在加強(qiáng)被動(dòng)式微混合器中流體擴(kuò)散和混合的方法上，優(yōu)化通道結(jié)構(gòu)和強(qiáng)化混沌對(duì)流是目前被公認(rèn)的最佳選擇?；诔蓽u結(jié)構(gòu)強(qiáng)化混合的被動(dòng)式微混合器可以在布置成渦結(jié)構(gòu)的彎曲通道內(nèi)形成了擴(kuò)展渦、分離渦和狄恩渦，實(shí)現(xiàn)了渦系的疊加和強(qiáng)化，加大了流體間的擾動(dòng)，從而增加了流體的接觸面積強(qiáng)化混合。并且該微混合器可以在只通過兩個(gè)循環(huán)單元的流動(dòng)內(nèi)達(dá)成很高的混合效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于成渦結(jié)構(gòu)強(qiáng)化混合的平面被動(dòng)式微混合器，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工便易、快速且高效混合等特點(diǎn)，用于實(shí)現(xiàn)在生物芯片或微全分析系統(tǒng)中不同液體之間的快速均勻混合，縮短混合時(shí)間，提高混合效率。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案基于成渦結(jié)構(gòu)強(qiáng)化混合的平面被動(dòng)式微混合器，由十字型通道、直通道和C型彎曲通道組成。即由直通道連接十字型通道、第一個(gè)C型彎曲通道和第二個(gè)C型彎曲通道，通道出口布置在與第二個(gè)C型彎曲通道連接的直通道出口位置，在C型彎曲通道內(nèi)布置成渦結(jié)構(gòu)。十字型通道與相連的C型彎曲通道相對(duì)的一端臂開有第二通道入口 2，與上述端臂相垂直的端臂上分別開有第一通道入口 1和第三通道入口 3。第一通道入口 1和第三通道入口 3所對(duì)應(yīng)的通道的寬度相等，且二者之和恒等于第二通道入口 2所連通的通道寬度。第二通道入口 2所連通的通道的寬度與直通道、C型彎曲通道的寬度相同。
所述的成渦結(jié)構(gòu)包括縫隙單元4和擋板結(jié)構(gòu)5?？p隙單元4布置在直通道與C型彎曲通道的連接處，縫隙單元4的寬度小于通道的寬度，且縫隙單元4沿流體流動(dòng)方向上的中心線與直通道在此方向上的中心線相重合。擋板5布置在C型彎曲通道內(nèi)，且其中心線的延長(zhǎng)線經(jīng)過C型彎曲通道的圓心。布置在C型彎曲通道內(nèi)擋板5距離C型彎曲通道內(nèi)外壁面距離相等，即擋板5沿流動(dòng)方向上的中心線與C型彎曲通道在此方向上的中心線相切。且兩個(gè)距離之和等于縫隙單元4垂直于流動(dòng)方向上的徑向?qū)挾?。每一個(gè)結(jié)構(gòu)完整的C型彎曲通道內(nèi)有且只布置一組成渦結(jié)構(gòu)，即一個(gè)縫隙單元4 和一個(gè)擋板5。兩種不同組分的流體分別從三個(gè)通道入口等速流入微混合器，第一通道入口 1和第三通道入口 3注入同組分的流體，以保證不同組分流體等量注入通道。該微混合器由兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的C型彎曲通道組成，它們之間由直通道進(jìn)行連接，同時(shí)這兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的C型彎曲通道通過直通道分別與十字型通道和出口通道相連接，完成混合后流體從通道出口 7 流出。本發(fā)明的工作原理是兩種不同組分流體(組分A和組分B)分別從三個(gè)不同通道入口流進(jìn)微混合器。其中，組分A從通道入口 1和通道入口 3流入，組分B流體從通道入口 2流入，且組分A流體從組分B兩側(cè)垂直對(duì)向流入。當(dāng)流經(jīng)十字型通道區(qū)域時(shí)，增大了這兩種不同組分流體的接觸面積，完成初步混合。由于分子擴(kuò)散混合程度很弱，主通道內(nèi)的流體間形成明顯的分界面，即三股流體一同流入縫隙單元4。當(dāng)三股流體一同經(jīng)過縫隙單元4 后，縫隙單元對(duì)流體的擠壓作用使其流速迅速加快，在縫隙單元4后形成了擴(kuò)展渦，加大了流體間的擾動(dòng)；隨后，當(dāng)經(jīng)過擋板5時(shí)，流體又被分離為兩股流體，且在擋板5后側(cè)形成分離渦；而流體流經(jīng)C型彎曲通道時(shí)，均會(huì)在垂直于流體流動(dòng)方向的截面內(nèi)產(chǎn)生二次流，形成狄恩渦。流體經(jīng)過兩個(gè)相同循環(huán)單元后從該微混合器的通道出口 7流出，完成混合過程。該微混合器借助簡(jiǎn)單的通道結(jié)構(gòu)，利用障礙物對(duì)通道內(nèi)的流場(chǎng)產(chǎn)生影響形成渦旋，在不同維度上實(shí)現(xiàn)了渦系的疊加和強(qiáng)化，從而增加了流體的接觸面積，使得混合效果獲得顯著提高。本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)與效果基于成渦結(jié)構(gòu)強(qiáng)化混合的平面被動(dòng)式微混合器在彎曲通道內(nèi)形成了擴(kuò)展渦，增加不同組分流體間的接觸面積；在擋板后側(cè)形成分離渦，增強(qiáng)流體間的擾動(dòng)；在彎曲通道垂直于流體流動(dòng)方向的截面上出現(xiàn)二次流現(xiàn)象，形成狄恩渦。通過簡(jiǎn)單的通道結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了渦系的疊加和強(qiáng)化，從而增加了流體的接觸面積，使得混合效果獲得顯著提高；變截面的成渦結(jié)構(gòu)加大彎曲通道微流體的質(zhì)量流速，加劇了不同組分微流體的相互碰撞與擾動(dòng)，從而進(jìn)一步強(qiáng)化混合；與如圖3所示的無成渦結(jié)構(gòu)的平面被動(dòng)式微混合器相比，由于成渦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的幾類漩渦分別發(fā)生在不同維度平面內(nèi)，該微混合器明顯提高了通道內(nèi)微流體的混合強(qiáng)度。這也是其區(qū)別于簡(jiǎn)單“直通道-C型彎曲通道-直通道”結(jié)構(gòu)微混合器的創(chuàng)新之處。


圖1為本發(fā)明中提到的基于成渦結(jié)構(gòu)強(qiáng)化混合的平面被動(dòng)式微混合器平面結(jié)構(gòu)示意圖2為該平面被動(dòng)式微混合器的三維結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為無成渦結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單平面被動(dòng)式微混合器平面結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1、第一通道入口，2、第二通道入口，3、第三通道入口，4、縫隙單元，5、擋板， 6、C型彎曲通道，7、通道出口。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及基于成渦結(jié)構(gòu)強(qiáng)化混合的平面被動(dòng)式微混合器在納米流體制備中的應(yīng)用對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述在納米流體單步法制備中，通過調(diào)整不同組分流體的質(zhì)量流量來控制反應(yīng)生成的納米顆粒粒徑大小。所以可以借助此結(jié)構(gòu)的微混合器實(shí)現(xiàn)微尺度下流體快速且高效的混合。該微混合器由聚二甲基硅氧烷有機(jī)硅(polydimethylsiloxane，簡(jiǎn)稱PDMS)加工而成， 先通過注塑法在單晶硅片上實(shí)現(xiàn)通道結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移和PDMS的固化，然后將PDMS從硅片上剝離。根據(jù)相對(duì)通道出入口位置在PDMS上打孔，并與耐熱玻璃通過氧等離子處理方法進(jìn)行不可逆鍵合，使該微混合器通道的完全封閉。最后在PDMS上預(yù)留的三個(gè)孔位置處安裝接口，連接特氟隆塑料導(dǎo)管后完成實(shí)驗(yàn)件封裝準(zhǔn)備。如圖1和圖2所示，基于成渦結(jié)構(gòu)強(qiáng)化混合的平面被動(dòng)式微混合器，由十字型通道、直通道和C型彎曲通道組成。其中，三個(gè)通道入口 1，2，3分別布置在十字型通道上，由直通道連接十字型通道，第一個(gè)C型彎曲通道和第二個(gè)C型彎曲通道，通道出口布置在與第二個(gè)C型彎曲通道連接的直通道出口位置，在C型彎曲通道內(nèi)布置縫隙單元4和擋板結(jié)構(gòu) 5。縫隙單元4布置在直通道與C型彎曲通道的連接處，且縫隙單元4沿流體流動(dòng)方向上的中心線與直通道在此方向上的中心線相重合。擋板5布置在C型彎曲通道內(nèi)，且其中心線的延長(zhǎng)線經(jīng)過C型彎曲通道的圓心，即擋板5沿流動(dòng)方向上的中心線與C型彎曲通道在此方向上的中心線相切。十字型通道與相連的C型彎曲通道相對(duì)的一端臂開有第二通道入口 2，與上述端臂相垂直的端臂上分別開有第一通道入口 1和第三通道入口 3。微混合器第二通道入口 2寬度為200 μ m,第一通道入口 1和第三通道入口 3寬度為第二通道入口 2寬度的一半。十字型結(jié)構(gòu)到彎曲通道的軸向長(zhǎng)度為1370 μ m,彎曲通道的曲率半徑為250 μ m,擋板的厚度B為60 μ m，其徑向?qū)挾葹?50 μ m。兩個(gè)C型彎曲通道間的直通道長(zhǎng)度為570 μ m， 且第二個(gè)C型彎曲通道末端到通道出口 7的直通道長(zhǎng)度為1500 μ m。PDMS上對(duì)應(yīng)出入口的位置三個(gè)孔洞直徑為3mm。用于制備納米流體的兩種不同組分流體AgNO3溶液和溶有聚乙烯吡咯烷酮的 NaBH4溶液，在三臺(tái)微注射泵的壓力驅(qū)動(dòng)下分別從三個(gè)通道入口等速流入微混合器，第一通道入口 1和第三通道入口 3注入均注入AgNO3溶液，且兩個(gè)通道入口的寬度之和等于第二通道入口 2的通道寬度，以保證不同組分流體等量注入通道便于比較。溶有聚乙烯吡咯烷酮的NaBH4溶液從通道入口 2注入。此時(shí)AgNO3溶液從NaBH4溶液兩側(cè)垂直對(duì)向流入。首先， 三股流體在十字型通道內(nèi)匯合后形成明顯的分界面，隨著相互接觸借助分子擴(kuò)散作用進(jìn)行少量混合，由于分子擴(kuò)散混合程度很弱，主通道內(nèi)的流體間形成明顯的分界面，即三股流體等速向前流動(dòng)；經(jīng)過十字型通道后，流體一同流入連接十字型通道和第一個(gè)C型彎曲通道6 的直通道。當(dāng)流體經(jīng)過一個(gè)縫隙單元4后，三股流體被擠壓和加速，在擋板結(jié)構(gòu)5前方出現(xiàn)了射流現(xiàn)象，且在在縫隙單元4后側(cè)形成了擴(kuò)展渦，加大了流體間的擾動(dòng)；接著，經(jīng)過擋板
5結(jié)構(gòu)5后通道內(nèi)的流體又被重新分離成兩股，并在擋板結(jié)構(gòu)5后側(cè)形成分離渦，之后進(jìn)入第二個(gè)C型彎曲通道后從該微混合器的通道出口 7流出，完成混合過程。流體流經(jīng)兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的C型彎曲通道時(shí)，均會(huì)在垂直于流體流動(dòng)方向的截面內(nèi)產(chǎn)生二次流，形成狄恩渦。該微混合器借助簡(jiǎn)單的通道結(jié)構(gòu)，利用障礙物對(duì)通道內(nèi)的流場(chǎng)產(chǎn)生影響形成渦旋，在不同維度上實(shí)現(xiàn)了渦系的疊加和強(qiáng)化，從而增加了流體的接觸面積，使得混合效果獲得顯著提高， 進(jìn)一步加快反應(yīng)速度和加速反應(yīng)過程。
權(quán)利要求
1.基于成渦結(jié)構(gòu)強(qiáng)化混合的平面被動(dòng)式微混合器，由十字型通道、直通道和C型彎曲通道組成；其特征在于由直通道連接十字型通道、第一個(gè)C型彎曲通道和第二個(gè)C型彎曲通道，通道出口布置在與第二個(gè)C型彎曲通道連接的直通道出口位置，在C型彎曲通道內(nèi)布置成渦結(jié)構(gòu)；十字型通道與相連的C型彎曲通道相對(duì)的一端臂開有第二通道入口 O)，與上述端臂相垂直的端臂上分別開有第一通道入口(1)和第三通道入口(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于成渦結(jié)構(gòu)強(qiáng)化混合的平面被動(dòng)式微混合器，其特征在于第一通道入口(1)和第三通道入口 C3)所對(duì)應(yīng)的通道的寬度相等，且二者之和恒等于第二通道入口( 所連通的通道寬度；第二通道入口( 所連通的通道的寬度與直通道、C型彎曲通道的寬度相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于成渦結(jié)構(gòu)強(qiáng)化混合的平面被動(dòng)式微混合器，其特征在于所述的成渦結(jié)構(gòu)包括縫隙單元(4)和擋板結(jié)構(gòu)(5)；縫隙單元(4)布置在直通道與C型彎曲通道的連接處，縫隙單元(4)的寬度小于通道的寬度，且縫隙單元(4)沿流體流動(dòng)方向上的中心線與直通道在此方向上的中心線相重合；擋板( 布置在C型彎曲通道內(nèi)，且其中心線的延長(zhǎng)線經(jīng)過C型彎曲通道的圓心。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于成渦結(jié)構(gòu)強(qiáng)化混合的平面被動(dòng)式微混合器，其特征在于布置在C型彎曲通道內(nèi)擋板(5)距離C型彎曲通道內(nèi)外壁面距離相等，即擋板(5)沿流動(dòng)方向上的中心線與C型彎曲通道在此方向上的中心線相切；且兩個(gè)距離之和等于縫隙單元(4)垂直于流動(dòng)方向上的徑向?qū)挾取?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于成渦結(jié)構(gòu)強(qiáng)化混合的平面被動(dòng)式微混合器，其特征在于每一個(gè)結(jié)構(gòu)完整的C型彎曲通道內(nèi)有且只布置一組成渦結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種基于成渦結(jié)構(gòu)強(qiáng)化混合的平面被動(dòng)式微混合器，其應(yīng)用涉及微全分析系統(tǒng)和微流控芯片中微流體混合及其相關(guān)領(lǐng)域。該微混合器由直通道連接十字型通道、第一個(gè)C型通道和第二個(gè)C型通道，通道出口布置在與第二個(gè)C型通道連接的直通道出口位置，在C型通道內(nèi)布置成渦結(jié)構(gòu)；十字型通道與相連的C型通道相對(duì)的一端臂開有第二通道入口(2)，與上述端臂相垂直的端臂上分別開有第一通道入口(2)和第三通道入口(3)。與無成渦結(jié)構(gòu)的平面被動(dòng)式微混合器相比，由于成渦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的幾類漩渦分別發(fā)生在不同維度平面內(nèi)，該微混合器明顯提高了通道內(nèi)微流體的混合強(qiáng)度。
文檔編號(hào)B01J19/00GK102233241SQ20111019759
公開日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2011年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月14日
發(fā)明者周明正, 夏國(guó)棟, 李健, 田欣平 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)