本發(fā)明涉及微流控芯片，尤其涉及一種具有粘度適應(yīng)性的超快微流混合器。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，芯片實(shí)驗(yàn)室(lab-on-a-chip)已經(jīng)在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域獲得廣泛的研究和應(yīng)用，微流混合器是其中重要組成部分，在進(jìn)行快速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究中，必須用到超快微流混合器。

目前大部分超快微流混合器工作時(shí)依靠較大的流速提高混合通道的雷諾數(shù)以增加混合的效果，而當(dāng)流體處于雷諾數(shù)較低的時(shí)候，混合效率會(huì)大幅度降低。而生物反應(yīng)所處的真實(shí)環(huán)境為粘度較大的細(xì)胞環(huán)境，粘度的增大伴隨著微流混合器內(nèi)的雷諾數(shù)的降低，并會(huì)導(dǎo)致微流混合器的混合效率大幅度降低而不滿足實(shí)驗(yàn)要求。并且較大的流速意味著樣品的大量消耗，這對(duì)于昂貴的生物樣品來(lái)說(shuō)耗費(fèi)是巨大的。目前市面上的混合高粘度流體的混合器大部分集中在依靠外部能量以促進(jìn)混合的主動(dòng)式混合器，但是外部能量往往會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品造成不可逆的影響。而能夠混合高粘度流體的被動(dòng)式混合器只有依靠使用復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)和較大的流速以獲得較好的混合效果，不依靠三維結(jié)構(gòu)的被動(dòng)式混合器在獲得高效率混合的前提下所獲得的混合時(shí)間最短在500μs左右。前者對(duì)于混合器的制作會(huì)帶來(lái)較大的困難，后者對(duì)于許多生物動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)混合時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為解決現(xiàn)有技術(shù)不能在高粘度條件下兼?zhèn)浠旌纤俣瓤炫c樣品消耗量小的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種采用圓弧通道拼接形成混合通道以加速流體混合、提高對(duì)流體粘度適應(yīng)性的超快微流混合器。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種具有粘度適應(yīng)性的超快微流混合器，由入口通道、混合通道和觀察通道依次連通而成；其中，所述入口通道包括中央通道以及設(shè)于中央通道兩側(cè)并與其連通的兩個(gè)側(cè)通道；所述混合通道為圓弧型、或者由多個(gè)圓弧型通道聯(lián)結(jié)而成；所述觀察通道和所述混合通道一體成型或拼接連通。

優(yōu)選的，所述混合通道由第一圓弧、第二圓弧和第三圓弧三個(gè)圓弧首尾聯(lián)結(jié)而成，所述第一圓弧與中央通道的末端連通，其直徑大于第二圓弧和第三圓弧的直徑之和；所述第二圓弧和第三圓弧拼接成s型通道，該s型通道與第一圓弧的末端連通，且被第一圓弧包圍；優(yōu)選的，采用半圓通道構(gòu)成所述混合通道。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述側(cè)通道與中央通道垂直。

工作原理：本發(fā)明由入口通道、混合通道和觀察通道(出口通道)三個(gè)通道組成，中央通道通入一種樣品溶液，兩個(gè)側(cè)通道通入另一種樣品溶液，兩種液體之間產(chǎn)生兩個(gè)接觸面，使得液體的接觸面積相較于y型入口通道得到了一倍的提升，進(jìn)一步增大混合效率；混合通道由多個(gè)圓弧型通道組成，流體通過(guò)上述圓弧形通道能夠在不涉及三維結(jié)構(gòu)的前提下形成強(qiáng)烈的混沌對(duì)流；圓弧的聯(lián)接方式使得流體在弧形通道中最大限度地保持同方向?qū)α餍D(zhuǎn)以增加混合效率；混合通道優(yōu)選為由三個(gè)半圓圓弧組成，具體為一個(gè)直徑較大的圓弧和兩個(gè)直徑較小的圓弧，其中大圓弧的直徑大于兩個(gè)小圓弧直徑之和，使得渦流旋轉(zhuǎn)方向最大限度地保持一致，從而極大地提高混合效率。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯著優(yōu)勢(shì)：1、本發(fā)明對(duì)流體的粘度有較強(qiáng)的適應(yīng)性，當(dāng)流體的粘度發(fā)生較大的改變時(shí)候(1-30cp)，仍可以獲得90％以上的高混合效率，且混合時(shí)間短至數(shù)微秒；2、該混合器制作工藝簡(jiǎn)單，僅需一次標(biāo)準(zhǔn)平面光刻工藝即可完成整個(gè)混合器模具的制作，無(wú)需多次曝光、對(duì)準(zhǔn)等復(fù)雜工藝。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的超快微流混合器的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2(a)-(b)為圖1中混合區(qū)域的局部放大示意圖；

圖3為圖2(b)的超快微流混合器的工作過(guò)程示意圖；

圖4為圖3中通道橫截面a處所產(chǎn)生的強(qiáng)烈渦旋示意圖；

圖5為混合器工作時(shí)，雷諾數(shù)＝50的通道內(nèi)稀釋劑濃度分布示意圖；

圖6為不同雷諾數(shù)下的混合效率。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明的一種超快微流混合器，由入口通道1、混合通道2和觀察通道3依次連通而成，觀察通道3亦為出口通道；其中，入口通道1由中央通道101以及設(shè)于中央通道101兩側(cè)并與其連通的兩個(gè)側(cè)通道102組成，優(yōu)選的，兩個(gè)側(cè)通道102與中央通道101垂直。

實(shí)施例1

圖2(a)-(b)所示為圖1中混合區(qū)域的局部放大示意圖，本發(fā)明的混合通道2采用圓弧形設(shè)計(jì)；具體的，混合通道2可為一個(gè)圓弧形通道，如圖2(a)所示，也可以由多個(gè)圓弧通道聯(lián)結(jié)構(gòu)成，圓弧優(yōu)選為半圓；流體通過(guò)彎曲的混合通道時(shí)，在橫截面上會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的“二次流”，這種“二次流”會(huì)在處于層流狀態(tài)下的流體中產(chǎn)生強(qiáng)烈的橫向運(yùn)動(dòng)，而這種橫向運(yùn)動(dòng)將會(huì)大幅度地增加流層之間的運(yùn)動(dòng)，從而增強(qiáng)混合的效果，因此混合通道2采用圓弧形設(shè)計(jì)；為了增強(qiáng)混合效果，混合通道還可以由兩個(gè)圓弧組成，兩個(gè)圓弧優(yōu)選為一個(gè)較大、另一個(gè)較小，且較小圓弧設(shè)于較大圓弧的圓心所在一側(cè)，該組合不僅延續(xù)了一個(gè)圓弧的混合效果，而且充分利用了較大圓弧的圓弧內(nèi)部的空間，有利于減小器件尺寸，進(jìn)而減小死體積，縮短混合時(shí)間。

實(shí)施例2

圓弧數(shù)量的增加，可以增加混合效果，但同時(shí)會(huì)增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及加工和使用難度；除此之外，為使流體順流進(jìn)入觀察通道3，本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選采用三個(gè)圓弧，構(gòu)成如圖2(b)所示的c-s型混合通道；該c-s型混合通道2在采用上述兩個(gè)圓弧的基礎(chǔ)上，引入第三個(gè)圓弧，具體結(jié)構(gòu)如下：由第一圓弧201、第二圓弧202和第三圓弧203順次連接而成；其中，第一圓弧201，即c型通道，與中央通道101的末端連通，其直徑大于第二圓弧202和第三圓弧203的直徑之和；第二圓弧202和第三圓弧203拼接成s型通道，該s型通道與第一圓弧201的末端連通，且被第一圓弧201包圍，形成c-s型的混合通道2，增設(shè)第三圓弧203，繼續(xù)促進(jìn)混合的同時(shí)，流體可被第三圓弧203與第二圓弧202組成的s型通道順流引入觀察通道3。

采用上述c-s型混合通道的超快微流混合器的工作過(guò)程如圖3所示，中央通道通入樣品溶液4，兩個(gè)側(cè)通道通入樣品溶液5，三股流體相遇之后，樣品溶液4受到來(lái)自兩側(cè)的樣品溶液5的壓力形成射流而獲得兩個(gè)不同樣品溶液之間的接觸面。流體進(jìn)入混合區(qū)后，在經(jīng)過(guò)弧形的混合通道2時(shí)，弧形通道產(chǎn)生的強(qiáng)烈迪恩渦流能夠迅速有效地將不同樣品進(jìn)行混合，而由第一圓弧和第二圓弧形成的特殊通道結(jié)構(gòu)可以讓迪恩渦流的旋轉(zhuǎn)方向在通道內(nèi)最大限度地保持一致從而更有效地促進(jìn)混合；第三圓弧在進(jìn)一步混合的基礎(chǔ)上將兩種樣品的混合溶液引入觀察通道3。在混合區(qū)出口，射流不復(fù)存在，兩種溶液在觀察通道內(nèi)已成為均勻的混合溶液6，可供各類實(shí)驗(yàn)研究；如圖4所示為圖3中的混合通道2的橫截面a處產(chǎn)生的強(qiáng)烈的渦旋的示意圖；圖5為本優(yōu)選實(shí)施例c-s型超快微流混合器工作時(shí)，雷諾數(shù)＝50的通道內(nèi)樣品溶液4的濃度分布示意圖。

在相同的流速下，混合區(qū)的體積越小，即死體積越小，則混合時(shí)間越短。在本優(yōu)選實(shí)施例中，綜合考慮混合時(shí)間、通道內(nèi)承受的壓力和制備工藝條件，器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：通道的寬度與深度均設(shè)為15μm，第一圓弧201的通道外徑為120μm，第二圓弧202和第三圓弧203的通道外徑為50μm；該尺寸即不會(huì)給混合器模具的制作帶來(lái)較大困難也不容易在實(shí)際使用當(dāng)中造成通道堵塞，其死體積大小約為6.6×10^-14m³。

本發(fā)明中，優(yōu)選實(shí)施例c-s型超快微流混合器的混合效率隨雷諾數(shù)的變化如圖6所示，在研究范圍內(nèi)混合效率均大于85％，且當(dāng)雷諾數(shù)高于10，或低于1時(shí)，混合效率超過(guò)90％，說(shuō)明本混合器可工作于很寬的雷諾數(shù)范圍。雷諾數(shù)這一特征數(shù)代表著流體慣性力與粘性力的比值，對(duì)于同一流速下的流體，粘度越大，雷諾數(shù)越低。以下的實(shí)驗(yàn)將表明在不同的粘度條件下，該混合器均可以實(shí)現(xiàn)快速混合，且樣品消耗量較小。

稀溶液條件：在一些實(shí)驗(yàn)中樣品的濃度較低使得樣品不會(huì)對(duì)溶液的一些物理性質(zhì)(粘度，密度等)產(chǎn)生影響，即樣品溶液的粘度與水類似，為1cp。在該粘度下，優(yōu)選實(shí)施c-s型超快微流混合器可工作于很寬的雷諾數(shù)范圍，能夠在極低的樣品消耗量(0.25μl/s-8μl/s)下實(shí)現(xiàn)混合，混合效率達(dá)到90％以上，混合時(shí)間幾微秒至百微秒，

表1為稀溶液條件下(1cp)優(yōu)選實(shí)施例c-s型超快微流混合器的工作范圍(雷諾數(shù))、樣品消耗量(流量)、混合時(shí)間與混合效率：

表1

中等粘度條件：在一些生物實(shí)驗(yàn)當(dāng)中需要通過(guò)對(duì)溶液進(jìn)行增加粘度以反正真實(shí)的生物條件。例如正常人的血液粘度為2-10cp。由于粘度越高混合的效果越差，以10cp為例，本優(yōu)選實(shí)施例c-s型超快微流混合器工作于中等大小的雷諾數(shù)(10～53)，混合效率極高，樣品消耗量?jī)H為幾微升，混合時(shí)間幾微秒至幾十微秒，詳見(jiàn)表2。

表2為中等粘度條件下(10cp)優(yōu)選實(shí)施例c-s型超快微流混合器的工作范圍(雷諾數(shù))、樣品消耗量(流量)、混合時(shí)間與混合效率：

表2

高粘度條件：在一些特殊的情況下，所需要仿真的溶液環(huán)境有著較高的粘度值，例如在細(xì)胞增殖過(guò)程中的細(xì)胞質(zhì)環(huán)境是含有大量的生物大分子的活體環(huán)境，一般粘度值會(huì)增加至30cp左右。在此條件下，本優(yōu)選實(shí)施例優(yōu)選實(shí)施例c-s型超快微流混合器工作于低雷諾數(shù)(3～18)，混合效率85％以上，樣品消耗量?jī)H為幾微升，混合時(shí)間幾微秒至幾十微秒，詳見(jiàn)表3。

表3為高粘度條件下(30cp)優(yōu)選實(shí)施例c-s型超快微流混合器的工作范圍(雷諾數(shù))、樣品消耗量(流量)、混合時(shí)間與混合效率：

表3

綜上，本發(fā)明的超快微流混合器對(duì)流體的粘度有較強(qiáng)的適應(yīng)性，無(wú)論在稀溶液、中等粘度還是在高粘度條件下，均可實(shí)現(xiàn)微秒量級(jí)的高效混合，且樣品消耗量?jī)H為數(shù)微升。

如上所述，盡管參照特定的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)表述和闡明了本發(fā)明，但其不得解釋為對(duì)本發(fā)明自身的限制。在不脫離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍前提下，可對(duì)其在形式上和細(xì)節(jié)上作出各種變化。