專利名稱：一種混合器及使用該混合器的微流體芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微混合器，特別是一種U形微混合器。本發(fā)明還涉及一種微流體芯片，其使用該微混合器。
背景技術(shù)：
隨著微流體技術(shù)的出現(xiàn)，如何實(shí)現(xiàn)微米量級(jí) 流體的良好混合這一重要問(wèn)題受到廣泛關(guān)注，但是，在微米量級(jí)管道中，由于尺寸的原因，壓力驅(qū)動(dòng)流和慣性不穩(wěn)定性都受到了微流體粘性的限制。一般而言，樣本混合的方法可以分為兩類擴(kuò)散和對(duì)流。盡管較長(zhǎng)的混合長(zhǎng)度并不意味著有效的混合，但是針對(duì)增強(qiáng)樣品混合效果這一目的，增加混合長(zhǎng)度依舊是被廣泛采用的方法之一，而且，彎曲部分的采用也頻繁出現(xiàn)在微小管道的設(shè)計(jì)中。因此，研究彎曲微小管道中的樣品混合很重要，實(shí)際上，針對(duì)壓力驅(qū)動(dòng)微管道中的流體混合已經(jīng)開(kāi)展了很多的工作，并且研究表明，越高的雷諾數(shù)標(biāo)志著越為有效的樣本混合效果。CN101716473公開(kāi)了一種芯片內(nèi)微混合器，其使用獨(dú)特的凹槽設(shè)計(jì)來(lái)增強(qiáng)混合效果。近年來(lái)，Ajdari研究了不均勻壁面電勢(shì)周圍的電滲流現(xiàn)象，并在施加與微管道壁面電勢(shì)相反電勢(shì)的壁面周圍發(fā)現(xiàn)了渦旋區(qū)域。Fu發(fā)現(xiàn)壁面電勢(shì)的突變會(huì)導(dǎo)致速度剖面輪廓以及壓力分布的顯著變化。這一現(xiàn)象同樣被Stoock和Erickson在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，并且他們對(duì)這些渦旋區(qū)域進(jìn)行了研究，并將其作為增強(qiáng)T形微流體設(shè)備中混合效果的一種方法。Oddy通過(guò)正弦規(guī)律變化的電場(chǎng)對(duì)流體進(jìn)行混合，而Hao Lin則采用了存在電導(dǎo)率梯度的電動(dòng)微流體流的不穩(wěn)定性來(lái)促進(jìn)樣本混合。通過(guò)上述一些研究人員的研究成果，我們可以看至IJ，流場(chǎng)的不穩(wěn)定性以及高雷諾數(shù)流體中電滲流作用誘導(dǎo)出的渦旋可以在某種程度上應(yīng)用到樣本混合中，但是，對(duì)于微管道而言，樣本混合和傳輸能力之間有一個(gè)權(quán)衡折中。然而，電滲流本身具有一些缺點(diǎn)，比如說(shuō)，i)為了獲得必要的電場(chǎng)強(qiáng)度，我們必須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)施加很強(qiáng)的外加電場(chǎng)，這樣會(huì)產(chǎn)生焦耳熱并且對(duì)原有電場(chǎng)以及微管道中的流場(chǎng)僅具有很少的直接控制效果(Bazant&Squires 2010) ；ii)能夠減弱Faradaic反應(yīng)和焦耳熱效應(yīng)的交流電場(chǎng)，會(huì)產(chǎn)生出零時(shí)間平均流量。幸運(yùn)的是，最近由Ramost et al.和Ajdari發(fā)現(xiàn)，這些缺點(diǎn)不會(huì)出現(xiàn)在誘導(dǎo)電滲流(ICEOF)中。與電滲流不同，ICEOF是由于外加電場(chǎng)與靜止可極化表面周圍誘導(dǎo)出的擴(kuò)散電荷之間的相互作用所產(chǎn)生的。最初的原始方案中，包括一個(gè)放置在電解質(zhì)溶液中的可被理想極化并且離子無(wú)法滲入的圓柱體。當(dāng)對(duì)該溶液施加外加電場(chǎng)時(shí)，法拉第電流會(huì)另圓柱體的表面帶電，并因此產(chǎn)生一個(gè)極化德拜層。于此同時(shí)，顆粒本身自己也被極化。電場(chǎng)對(duì)顆粒自身誘導(dǎo)出的德拜層施加洛倫茲力，并因此產(chǎn)生出速度場(chǎng)(Squires&Bazant 2004)。和EOF相比，由于誘導(dǎo)電滲流速度與外加電場(chǎng)之間的非線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，ICEOF可能會(huì)具有更高的速度。這些特有的性質(zhì)很有可能會(huì)引領(lǐng)出微米量級(jí)流體和納米量級(jí)流體中的新應(yīng)用。近期的研究包括，將ICEOF應(yīng)用到混合和流體控制中(Wu&Li 2008a, b)以及存進(jìn)攪拌和混和的對(duì)流效應(yīng)(Zhao&Bau 2007a，b)，顆粒一壁面之間的相互作用(Wu&Li2009)以及顆粒一顆粒相互作用(Saintillan 2008; Wu et al. 2009)，非球狀顆粒(Yariv2005a, b;Squires&Bazant 2006;Saintillan et al. 2006a;Yossifon et al. 2007;Yariv2008)以及懸架動(dòng)力學(xué)(Saintillan et al. 2006a, b; Rose et al. 2007)?？偟膩?lái)說(shuō)，ICEOF可以被采用到微流體設(shè)備中的泵以及混合器的設(shè)計(jì)中，然而在驅(qū)動(dòng)和混合效率之間存在一個(gè)折中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是應(yīng)用ICEOF在微流體驅(qū)動(dòng)和混合方面的效應(yīng)，給出U形封閉微管道高效混合器的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)流體驅(qū)動(dòng)和混合效率的良好折中。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的在U形微管道中分別嵌入導(dǎo)電的圓柱體和雙面不同性質(zhì)的圓柱體，向微管道施加直流電場(chǎng)，兩圓柱體分別發(fā)揮混合器和泵的作用。即，將泵和混合器兩個(gè)單元分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將它們?cè)赨形微管道中結(jié)合成一個(gè)整體，進(jìn)而得到具有由于ICEOF誘導(dǎo)出的高流量的高效率混合器。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(I)實(shí)現(xiàn)了有效混合和高流量的良好折中，Mix-eff在各電場(chǎng)強(qiáng)度下保接近于I ;(2)將混合和泵進(jìn)行了分別設(shè)計(jì)，無(wú)需將混合效率和流量大小進(jìn)行取舍對(duì)立，真正實(shí)現(xiàn)高效；(3) ICEOF的應(yīng)用，使得混合距離顯著減小，實(shí)現(xiàn)真正意義上的微混合。一種混合器，包括第一入口、第二入口、出口、管道和三通，三通連接第一入口、第二入口和管道，出口位于管道的另一端，其特征在于還包括驅(qū)動(dòng)部件、混合部件；驅(qū)動(dòng)部件和混合部件安裝在管道內(nèi)。優(yōu)選的是，第一入口、第二入口和出口設(shè)置有電極。在上述任一方案中優(yōu)選的是，第一入口和第二入口的電極為同一極，出口為另外一極。在上述任一方案中優(yōu)選的是，驅(qū)動(dòng)部件由金屬部分和非金屬部分組合而成。在上述任一方案中優(yōu)選的是，金屬部分比非金屬部分更靠近三通。在上述任一方案中優(yōu)選的是，驅(qū)動(dòng)部件由非金屬制成，其靠近三通的部分表面鍍有金屬鍍層，遠(yuǎn)離三通的部分表面沒(méi)有金屬鍍層。在上述任一方案中優(yōu)選的是，驅(qū)動(dòng)部件為圓柱形。在上述任一方案中優(yōu)選的是,混合部件由金屬制成。在上述任一方案中優(yōu)選的是,混合部件為非金屬制成，表面鍍有金屬鍍層。在上述任一方案中優(yōu)選的是，混合部件為圓柱形。在上述任一方案中優(yōu)選的是，混合部件與驅(qū)動(dòng)部件平行的布置在管道內(nèi)。在上述任一方案中優(yōu)選的是，驅(qū)動(dòng)部件比混合部件更靠近三通。在上述任一方案中優(yōu)選的是，混合部件比驅(qū)動(dòng)部件更靠近三通。在上述任一方案中優(yōu)選的是，驅(qū)動(dòng)部件和混合部件布置在管道中，靠近三通且遠(yuǎn)離出口的一側(cè)。在上述任一方案中優(yōu)選的是，管道由非金屬制成。在上述任一方案中優(yōu)選的是，管道呈U形。在上述任一方案中優(yōu)選的是，管道的U形彎折部分位于驅(qū)動(dòng)部件和混合部件的下游。
—種芯片,包括上述任一種混合器。優(yōu)選的是，該芯片由聚二甲基硅氧烷制成。


為了使本發(fā)明便于理解，現(xiàn)在結(jié)合附圖描述本發(fā)明的具體實(shí)施例。圖I為按照本發(fā)明的第一實(shí)施例的U形微混合器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為按照本發(fā)明的第一實(shí)施例的U形微混合器的數(shù)值模擬采用的網(wǎng)格示意圖；圖3為按照本發(fā)明的第一實(shí)施例的U形微混合器內(nèi)施加403KV/m的電場(chǎng)時(shí)，U形微混合器微管道內(nèi)的流線圖；圖4為按照本發(fā)明的第一實(shí)施例的U形微混合器內(nèi)施加403KV/m的電場(chǎng)時(shí)，U形 微混合器微管道中的濃度場(chǎng)示意圖；圖5為按照本發(fā)明的第一實(shí)施例的U形微混合器內(nèi)施加不同強(qiáng)度的電場(chǎng)時(shí)，微小管道出口處混合效率(Mix-eff)的曲線圖；圖6按照本發(fā)明的第一實(shí)施例的U形微混合器內(nèi)施加403KV/m的電場(chǎng)時(shí),場(chǎng)強(qiáng)矢量圖以及場(chǎng)強(qiáng)大小等值線圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。實(shí)施例一如圖I所示，微混合器包括第一入口 I、第二入口 2、出口 3、驅(qū)動(dòng)部件4、混合部件
5、管道8和三通9。第一入口 I和第二入口 2通過(guò)三通9和管道8連接在一起，三通9和出口 3分別位于管道8的兩端。驅(qū)動(dòng)部件4和混合部件5依次安裝在管道8內(nèi)。在一種優(yōu)選的方案中，驅(qū)動(dòng)部件4在管道8中的位置比混合部件5在管道8中的位置更靠近三通9 ;在另一種優(yōu)選的方案中，混合部件5在管道8中的位置比驅(qū)動(dòng)部件4在管道8中的位置更靠近三通9。驅(qū)動(dòng)部件4和混合部件5優(yōu)選為布置在管道8中靠近三通9的部分，與出口 3之間具有相對(duì)較遠(yuǎn)的距離。管道8由非金屬制成，可以為任意形狀，優(yōu)選為U形。且U形的彎折部分位于驅(qū)動(dòng)部件4和混合部件5的下游，相對(duì)更靠近出口 3。驅(qū)動(dòng)部件4布置在管道8內(nèi)，驅(qū)動(dòng)部件可以為任意形狀，優(yōu)選為圓柱形。驅(qū)動(dòng)部件4由金屬部分6和非金屬部分7組合而成，金屬部分6比非金屬部分7更靠近三通9。在另一優(yōu)選方案中，驅(qū)動(dòng)部件4由非金屬制成，靠近三通9的部分6，表面上鍍有金屬鍍層，驅(qū)動(dòng)部件4遠(yuǎn)離三通9的部分7，沒(méi)有金屬鍍層。混合部件5由金屬制成。在另一優(yōu)選方案中，混合部件5由非金屬制成,表面鍍有金屬鍍層?；旌喜考?固定在管道8內(nèi)，優(yōu)選為圓柱形，與驅(qū)動(dòng)部件4平行的布置在管道8內(nèi)。要混合的樣品從第一入口 I和第二入口 2流入后，順序經(jīng)過(guò)三通9、驅(qū)動(dòng)部件4和混合部件5，最后從出口 3流出。在第一入口 I、第二入口 2和出口 3設(shè)置電極，以第一入口 I和第二入口 2為一極，以出口 3為另外一級(jí)，建立電壓，則會(huì)形成如圖6所示的場(chǎng)強(qiáng)分布圖。在電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，混合器內(nèi)的樣品按圖3所示的流線圖流動(dòng)。從第一入口 I和第二入口 2流入的不同類型的樣品，在管道8內(nèi)混合，濃度變化如圖4所示。圖I中，Wl為第一入口 I和第二入口 2之間的距離，W2為圓柱形障礙物中心到側(cè)壁面的距離，W3為微管道的寬度，LI為雙面不同性質(zhì)的圓柱體中心到樣本交界面的距離，L2為兩圓柱形障礙物之間的距離，L3為U形管道中直管道部分的長(zhǎng)度，R為U形管道彎曲部分的半徑，Dl為導(dǎo)電圓柱形障礙物5的直徑，D2為雙面不同性質(zhì)的圓柱形4障礙物的直徑。(I)數(shù)學(xué)模型假定流體是穩(wěn)態(tài)不可壓縮流體，并且流體是靠ICEOF驅(qū)動(dòng)的，流體的動(dòng)量方程如
下所示
權(quán)利要求
1.一種混合器，包括第一入口(I)、第二入口(2)、出口(3)、管道(8)和三通(9)，三通(9)連接第一入口(I)、第二入口(2)和管道(8)，出口(3)位于管道(8)的另一端，其特征在于還包括驅(qū)動(dòng)部件(4)、混合部件(5);驅(qū)動(dòng)部件(4)和混合部件(5)安裝在管道(8)內(nèi)。
2.如權(quán)利要求I所述的混合器，其特征在于第一入口(I)、第二入口(2)和出口(3)設(shè)置有電極。
3.如權(quán)利要求2所述的混合器，其特征在于第一入口(I)和第二入口(2)的電極為同一極，出口(3)為另外一極。
4.如權(quán)利要求I所述的混合器，其特征在于驅(qū)動(dòng)部件(4)由金屬部分(6)和非金屬部分(7)組合而成。
5.如權(quán)利要求4所述的混合器，其特征在于金屬部分(6)比非金屬部分(7)更靠近三通(9)。
6.如權(quán)利要求I所述的混合器，其特征在于驅(qū)動(dòng)部件(4)由非金屬制成，其靠近三通(9)的部分(6)表面鍍有金屬鍍層，遠(yuǎn)離三通(9)的部分(7)表面沒(méi)有金屬鍍層。
7.如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的混合器，其特征在于驅(qū)動(dòng)部件(4)為圓柱形。
8.如權(quán)利要求I所述的混合器，其特征在于混合部件(5)由金屬制成。
9.如權(quán)利要求I所述的混合器，其特征在于混合部件(5)為非金屬制成，表面鍍有金屬鍍層。
10.一種微流體芯片，其包括權(quán)利要求1-9中任一種混合器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種混合器，包括第一入口(1)、第二入口(2)、出口(3)、管道(8)和三通(9)，三通(9)連接第一入口(1)、第二入口(2)和管道(8)，出口(3)位于管道(8)的另一端，還包括驅(qū)動(dòng)部件(4)、混合部件(5)；驅(qū)動(dòng)部件(4)和混合部件(5)安裝在管道(8)內(nèi)。本發(fā)明還涉及采用了按照本發(fā)明的混合器的微流體芯片。
文檔編號(hào)B01L3/00GK102872735SQ20121034708
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月19日
發(fā)明者張凱, 林建忠, 于明州, 秘曉靜, 邢彥華 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院