本發(fā)明屬于微流控設(shè)備相關(guān)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于共平面線圈組的微流控快速混合器，其能夠沿著混合通道軸向方向形成多個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)域，并使得流體獲得高效、高質(zhì)和更大范圍的混合效果。

背景技術(shù)：

微量液體的混合是實(shí)現(xiàn)臨床生化反應(yīng)的重要步驟。由于微量元素成分和質(zhì)量的嚴(yán)格要求，許多定量分析的微型生化分析中的液體需要微升、納升級(jí)的控制，傳統(tǒng)的混合方式已經(jīng)很難達(dá)到這種需要，相應(yīng)地，基于微流控芯片的微混合系統(tǒng)研究作為一個(gè)全新領(lǐng)域獲得了長(zhǎng)足發(fā)展。目前對(duì)于微流體的混合系統(tǒng)從大體上分主要包括靜態(tài)型與動(dòng)態(tài)型兩種，其中前者依靠液體自身的相互擴(kuò)散，這種方式需要的反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，難以滿足快速混合的要求；后者是通過(guò)外力加速微流體的流動(dòng)，現(xiàn)有的研究包括電磁驅(qū)動(dòng)型、熱驅(qū)動(dòng)型、超聲波驅(qū)動(dòng)型等，由于其總體上混合速度相對(duì)更快，因此近年來(lái)關(guān)于動(dòng)態(tài)型的實(shí)驗(yàn)室研究取得了很大的進(jìn)展，但并未付諸于實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中，其重要原因是工藝復(fù)雜或者應(yīng)用領(lǐng)域比較窄。

具體而言，例如liang-hsuanlu等人利用mems技術(shù)開(kāi)發(fā)出了陣列式的微馬達(dá)，該微馬達(dá)可在外部磁力驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)微流體的混合，但其制作工藝復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)大范圍的推廣；evan采用高溫產(chǎn)生的水蒸氣在多重循環(huán)腔內(nèi)來(lái)回流動(dòng)，使得流體分子混沌充分混合，但該方式對(duì)于在熱作用下性質(zhì)受到影響的液體并不適用，因而其應(yīng)用范圍受到了很大的限制；此外，h.monnier等人利用聲學(xué)氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生紊流，國(guó)內(nèi)zhenyang的國(guó)內(nèi)人基于聚焦超聲波可擾動(dòng)流場(chǎng)產(chǎn)生小渦旋，從而利用pzt產(chǎn)生振動(dòng)超聲波并聚焦于流場(chǎng)以提高混合效果，然而這類方式同樣只能在小范圍內(nèi)引起較好的混合，因而實(shí)際中難到充分混合效果。相應(yīng)地，本領(lǐng)域亟需作出進(jìn)一步的研究和設(shè)計(jì)，以便更好地符合實(shí)際應(yīng)用下的復(fù)雜需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上不足或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于共平面線圈組的微流控快速混合器，其中通過(guò)結(jié)合微流控快速混合系統(tǒng)自身的應(yīng)用需求，針對(duì)性地對(duì)其關(guān)鍵組件如多個(gè)共平面線圈組的組成結(jié)構(gòu)、設(shè)置方式和工作原理等多個(gè)方面做出設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)混合系統(tǒng)的整體布局構(gòu)造做出改進(jìn)，相應(yīng)能夠以結(jié)構(gòu)緊湊、便于質(zhì)量控制的方式執(zhí)行實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合下的微流控快速混合功能，并且其混合速度快、節(jié)能性能好，便于后期分離，因而尤其適用于面向較大范圍執(zhí)行微流控快速混合的應(yīng)用場(chǎng)合。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種基于共平面線圈組的微流控快速混合器，該微流控快速混合器包括第一入口、第二入口、第三入口、出口、混合通道以及多個(gè)線圈組單元，其特征在于：

所述第一入口、出口分別設(shè)置在所述混合通道的水平兩側(cè)，其中該第一入口用于注入磁性納米粒子，并使其沿著所述混合通道運(yùn)動(dòng)直至經(jīng)由所述出口導(dǎo)出；所述第二入口、第三入口相對(duì)于所述第一入口對(duì)稱設(shè)置在其上下兩側(cè)，這兩個(gè)入口分別用于注入待混合的一種流體，兩種流體經(jīng)由支管交匯至所述混合通道，然后沿著此混合通道繼續(xù)運(yùn)動(dòng)直至經(jīng)由所述出口導(dǎo)出；此外，上述第一入口、第二入口、第三入口、出口和混合通道均被布置處于同一平面p內(nèi)；

所述多個(gè)線圈組單元沿著所述混合通道的軸線方向而依次布置且全部處于所述同一平面p內(nèi)，其中各個(gè)線圈組單元均由水平布置在所述混合通道軸線上方的第一線圈和第二線圈、以及同樣水平布置在所述混合通道軸線下方的第三線圈和第四線圈組成，并且所述第一線圈與第四線圈之間、所述第二線圈與第三線圈之間各自相對(duì)于所述混合通道軸線呈上下對(duì)稱布置；此外，在執(zhí)行流體混合操作時(shí)，該第一線圈用于通入預(yù)定頻率和幅值的交流電流，該第二線圈用于通入與所述第一線圈相同頻率和幅值且相位超前或滯后90度的交流電流，該第三線圈用于通入與所述第二線圈相同頻率和幅值且相位超前或滯后90度的交流電流，而該第四線圈則用于通入與所述第三線圈相同頻率和幅值且相位超前或滯后90度的交流電流。

通過(guò)以上構(gòu)思，基于法拉第電磁感應(yīng)定律，每一只線圈將會(huì)在其周圍空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，并導(dǎo)致在混合通道所處平面p也將產(chǎn)生混合磁場(chǎng)，由于采用上述布置，當(dāng)線圈交變電流以一定頻率進(jìn)行變化時(shí)，各個(gè)線圈在微混合通道平面引起的磁場(chǎng)強(qiáng)度也發(fā)生變化；一方面，當(dāng)四只線圈通入如前所述變化電流時(shí)，四只線圈所圍的微混合通道平面會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)區(qū)域，而磁性納米粒子運(yùn)動(dòng)到此旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)區(qū)域時(shí)，會(huì)在其施加的磁偶力矩作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可進(jìn)一步有效帶動(dòng)兩種不同液體之間的融合，從而加速了其混合方向沿圓周的變化；另一方面，由于沿著微混合通道的流動(dòng)方向還依次布置有多個(gè)上述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)區(qū)域，相應(yīng)可在不影響操作的前提下根據(jù)需求靈活、方便地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的數(shù)量調(diào)整，從而在更長(zhǎng)距離和范圍內(nèi)獲得高質(zhì)量的流體混合效果。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述磁性納米粒子優(yōu)選為四氧化三鐵材質(zhì)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，對(duì)于所述線圈組單元的各個(gè)線圈而言，其所通入的交流電流的頻率優(yōu)選被設(shè)定為60hz，其幅值優(yōu)選被設(shè)定為1a。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述第一線圈、第二線圈相對(duì)于所述混合通道的間距優(yōu)選被設(shè)計(jì)為1mm～3mm。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，經(jīng)由所述第二入口、第三入口所注入的兩種流體在所述混合通道交匯后，優(yōu)選以40μm/s～100μm/s的速率繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述磁性納米粒子與所述兩種流體之間的混合比優(yōu)選設(shè)計(jì)如下：磁性納米粒子的質(zhì)量：兩種流體的總體積＝10μg～25μg：1μl。。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述磁性納米粒子與所述兩種流體的混合物經(jīng)由所述出口導(dǎo)出后，優(yōu)選直接采用外部磁場(chǎng)作用使得磁性納米粒子予以沉淀，由此完成與流體之間的分離。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，所述兩種流體優(yōu)選為化學(xué)或生物醫(yī)學(xué)所用的藥品且其顆粒為微米量級(jí)。

總體而言，按照本發(fā)明所構(gòu)建的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

1、通過(guò)對(duì)本微流控混合器的關(guān)鍵組件如多個(gè)入口、流體通道以及共平面線圈組的布局設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)各個(gè)線圈組內(nèi)部及彼此之間的配合工作方式的研究，測(cè)試表明可沿著流體輸送的混合路徑方向產(chǎn)生不斷旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，由此經(jīng)由磁性納米粒子自身的旋轉(zhuǎn)，從微觀層面顯著加速攪拌混合過(guò)程；此外，還可在不影響操作的前提下根據(jù)需求靈活、方便地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的數(shù)量調(diào)整，從而在更長(zhǎng)距離和范圍內(nèi)獲得高質(zhì)量的流體混合效果；

2、本發(fā)明還進(jìn)一步對(duì)影響上述工作機(jī)理的一些關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)如線圈間距、磁性納米粒子與流體的混合比、運(yùn)動(dòng)速率等作出了研究和設(shè)計(jì)，實(shí)際測(cè)試表明，上述優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)可確保整個(gè)基于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)域的流體混合體系執(zhí)行更為有效、高效的操作處理，而且由于上述線圈本身均可設(shè)計(jì)為集成在微流控芯片上的微型結(jié)構(gòu)，可采用mems工藝制備，不僅整體系統(tǒng)體積很小，而且只需要較小的驅(qū)動(dòng)電能即可實(shí)現(xiàn)較大的驅(qū)動(dòng)力，因而便于實(shí)際產(chǎn)業(yè)化制造和使用；

3、按照本發(fā)明的上述混合器整體結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)巧妙，便于操作和質(zhì)量控制，二期采用磁性納米粒子作為加速混合的中間物易于獲得，成本低廉，同時(shí)又能充分發(fā)揮其與多種流體之間的高效混合效果，最終所獲得液體可以直接通過(guò)外磁場(chǎng)作用使得磁性納米粒子沉淀在底部而實(shí)現(xiàn)與混合液體的分離，因而尤其適用于大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的場(chǎng)合。

附圖說(shuō)明

圖1是按照本發(fā)明示范性顯示的微流控快速混合器的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：

1-第一線圈2-第二線圈3-第三線圈4-第四線圈5-第二入口6-第一入口7-第三入口8-混合通道9-出口

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1是按照本發(fā)明示范性顯示的微流控快速混合器的整體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1中所示，該微流控快速混合器只要包括第一入口6、第二入口5、第三入口7、出口9、混合通道8以及多個(gè)線圈組單元(圖中示范性顯示了2個(gè)線圈組單元的結(jié)構(gòu))，下面將對(duì)這些組件逐一進(jìn)行具體解釋說(shuō)明。

首先，沿著圖1中所示的x軸水平方向布置在用于輸送及混合不同流體的混合通道8，并且混合通道8的水平兩側(cè)各自布置有第一入口6和出口9。具體而，其中該第一入口6用于注入譬如四氧化三鐵的磁性納米粒子(平均粒徑優(yōu)選為10nm～100nm)，并使其沿著所述混合通道運(yùn)動(dòng)直至經(jīng)由出口8導(dǎo)出。此外，第二入口5、第三入口7相對(duì)于第一入口6對(duì)稱設(shè)置在其上下兩側(cè)，這兩個(gè)入口分別用于注入待混合的一種流體，兩種流體可經(jīng)由支管譬如在臨近所述第一入口6附近交匯至所述混合通道，然后沿著此混合通道繼續(xù)運(yùn)動(dòng)直至經(jīng)由出口8導(dǎo)出；此外，設(shè)與上述x軸垂直的方向?yàn)閥軸，x軸和y軸共同組成的平面定義為p，上述第一入口、第二入口、第三入口、出口和混合通道均被布置處于同一平面p內(nèi)。

作為本發(fā)明的關(guān)鍵改進(jìn)所在，所述多個(gè)線圈組單元沿著所述混合通道8的軸線方向而依次布置且全部處于所述同一平面p內(nèi)，其中各個(gè)線圈組單元均由水平布置在所述混合通道軸線上方的第一線圈和第二線圈、以及同樣水平布置在所述混合通道軸線下方的第三線圈和第四線圈組成，并且第一線圈與第四線圈之間、第二線圈與第三線圈之間各自相對(duì)于所述混合通道軸線呈上下對(duì)稱布置；更截圖而言，如圖1中示范性所示，第一線圈組單元包括第一線圈1、第二線圈2、第三線圈3和第四線圈4，并且該第一線圈1、第二線圈2水平布置在混合通道的軸線上方，該第四線圈4和第三線圈3同樣水平布置在混合通道的軸線下方，第一線圈1與第四線圈4之間相對(duì)于混合通道軸線呈上下對(duì)稱布置，第二線圈2與第三線圈3之間同樣相對(duì)于混合通道軸線呈上下對(duì)稱布置；類似地，第二線圈組單元包括第一線圈1′、第二線圈2′、第三線圈3′和第四線圈4′，并且該第一線圈1′、第二線圈2′水平布置在混合通道的軸線上方，該第四線圈4′和第三線圈3′同樣水平布置在混合通道的軸線下方，第一線圈1′與第四線圈4′之間相對(duì)于混合通道軸線呈上下對(duì)稱布置，第二線圈2′與第三線圈3′之間同樣相對(duì)于混合通道軸線呈上下對(duì)稱布置。

此外，對(duì)于各個(gè)線圈組而言，在執(zhí)行流體混合操作時(shí)，其第一線圈用于通入預(yù)定頻率和幅值的交流電流，該第二線圈用于通入與所述第一線圈相同頻率和幅值且相位超前或滯后90度的交流電流，該第三線圈用于通入與所述第二線圈相同頻率和幅值且相位超前或滯后90度的交流電流，而該第四線圈則用于通入與所述第三線圈相同頻率和幅值且相位超前或滯后90度的交流電流。以此方式，基于法拉第電磁感應(yīng)定律，每一只線圈將會(huì)在其周圍空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，并導(dǎo)致在混合通道所處平面p也將產(chǎn)生混合磁場(chǎng)，由于采用上述布置，當(dāng)線圈交變電流以一定頻率進(jìn)行變化時(shí)，各個(gè)線圈在微混合通道平面引起的磁場(chǎng)強(qiáng)度也發(fā)生變化；一方面，當(dāng)四只線圈通入如前所述變化電流時(shí)，四只線圈所圍的微混合通道平面會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)區(qū)域，而磁性納米粒子經(jīng)由第一入口6注入且運(yùn)動(dòng)到此旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)區(qū)域時(shí)，會(huì)在其施加的磁偶力矩作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可進(jìn)一步有效帶動(dòng)經(jīng)由第二入口5和第三入口7注入的兩種不同液體之間的融合，從而加速了其混合方向沿圓周的變化；另一方面，由于沿著微混合通道的流動(dòng)方向還依次布置有多個(gè)上述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)區(qū)域，相應(yīng)可不影響操作的前提下根據(jù)需求靈活、方便地進(jìn)行旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的數(shù)量調(diào)整，從而在更長(zhǎng)距離和范圍內(nèi)獲得高質(zhì)量的流體混合效果。

本發(fā)明還進(jìn)一步對(duì)影響上述工作機(jī)理的一些關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)如線圈間距、磁性納米粒子與流體的混合比、運(yùn)動(dòng)速率等作出了研究和設(shè)計(jì)。

按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，對(duì)于所述線圈組單元的各個(gè)線圈而言，其所通入的交流電流的頻率優(yōu)選被設(shè)定為60hz，其幅值優(yōu)選被設(shè)定為1a。按照本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，所述磁性納米粒子與所述兩種流體之間的混合比優(yōu)選設(shè)計(jì)如下：磁性納米粒子的質(zhì)量：兩種流體的總體積＝10μg～25μg：1μl。

實(shí)際測(cè)試表明，上述優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)可確保整個(gè)基于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)域的流體混合體系執(zhí)行更為有效、高效的操作處理，特別是各個(gè)水平線圈相對(duì)于混合通道的間距、以及直接影響到混合效率和質(zhì)量，而且由于上述線圈本身均可設(shè)計(jì)為集成在微流控芯片上的微型結(jié)構(gòu)，可采用mems工藝制備，不僅整體系統(tǒng)體積很小，而且只需要較小的驅(qū)動(dòng)電能即可實(shí)現(xiàn)較大的驅(qū)動(dòng)力，因而便于實(shí)際產(chǎn)業(yè)化制造和使用。

按照本發(fā)明的又一優(yōu)選實(shí)施例，經(jīng)由所述第二入口、第三入口所注入的兩種流體在所述混合通道交匯后，優(yōu)選以40μm/s～100μm/s的速率繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。此外，所述磁性納米粒子與所述兩種流體的混合物經(jīng)由所述出口導(dǎo)出后，優(yōu)選直接采用外部磁場(chǎng)作用使得磁性納米粒子予以沉淀，由此完成與流體之間的分離。

綜上，按照本發(fā)明的上述混合器整體結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)巧妙，便于操作和質(zhì)量控制，其中通過(guò)采用磁性納米粒子作為加速混合的中間物易于獲得，成本低廉，同時(shí)又能充分發(fā)揮其與多種流體之間的高效混合效果，最終所獲得液體可以直接通過(guò)外磁場(chǎng)作用使得磁性納米粒子沉淀在底部而實(shí)現(xiàn)與混合液體的分離，因而尤其適用于譬如化學(xué)或生物醫(yī)學(xué)上的藥品混合應(yīng)用之類的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。