一種用於被動微混合器的倒V形多級混合陣列結構的製作方法
2023-06-05 05:51:41
本發明屬於微流控系統控制技術領域，具體涉及一種用於被動微混合器的倒V形多級混合陣列結構。
背景技術：
自20世紀90年代微全分析系統(μTAS，Micro total analysis systems)被提出，作為其重要組成的微流控(microfluidics)晶片是集採樣、稀釋、混合、反應、檢測、分離等於一體的系統，以其小巧、廉價、便攜、低試樣消耗量、反應速率快、分析精度高等諸多優點，在化學工程、生物檢測、便攜醫療等領域得到廣泛的應用前景。
作為分析、檢測功能為主的微流控晶片的重要組件——微混合器在微流控晶片功能實現過程中起到至關重要的作用。如，在生物檢測等應用領域，樣品與檢測液在到達反應室之前能否充分混合直接關係到分析速率以及分析結果的準確性。
由於微流控溝道一般在微米及微納範圍內，該尺度下，雷諾係數基本處於0-1之間，液體處於層流狀態，液體主要依靠組分間相互擴散進行混合，導致其混合效率低。為了提高溶液混合效率，科研人員研究製造出多種不同結構類形的微混合器。
目前，常見的微流控混合器可分為主動式微混合器和被動式微混合器。主動式微混合器主要通過施加外力實現溶液的混合，如磁致、電致和超聲混合器等；被動式微混合器主要通過變換微通道幾何形狀來促使流體混合，如T-Y構形微混合器、分流合併式微混合器、混沌式微混合器等，由於被動式微混合器是一種無外部影響的獨立混合系統，這樣避免了外界因素對混合溶液的影響，並且該類混合器相對於主動式混合器具有結構簡單、加工成本低、使用簡單。
但是，目前被動混合器仍然存在混合效率低、製備工藝仍然不夠簡化等問題。因此，設計一種既能提高混合效率、同時製作簡單的微混合器具有重大的現實意義。
技術實現要素：
針對被動微混合器混合效率低問題，本發明公開了一種用於平面被動式微混合器的倒V形多級混合陣列結構，通過在微混合器流道中製作倒V形多級矩形陣列，破壞液體流動狀態，產生渦流效果和分合流效果，促進流體的混合。
本發明採用的技術方案如下：
一種用於被動微混合器的倒V形多級混合陣列結構，包括若干擋板，所述若干擋板按照倒V形排列成多級擋板結構，其中第一級為一塊擋板，在V形的底部，其它每一級含有兩塊擋板，位於同一級的兩塊擋板之間隔開一定距離。
優選地，所述擋板為矩形。
優選地，第一級擋板位於流道的正中間且其長邊與流體流動方向垂直，其它各級擋板平行於第一級擋板；同一級的兩塊擋板關於流道的中間呈鏡像對稱；同一級的兩塊擋板間的距離大於上一級的兩塊擋板間的距離；同一級的兩塊擋板的遠離流道中間的一側較上一級擋板更靠近流道側壁。
一種被動式微混合器，在其流道內設有如上所述的用於被動微混合器的倒V形多級混合陣列結構。
進一步地，所述倒V形多級混合陣列結構為單個，或者為串聯的多個。
進一步地，根據流道實際走勢設置所述倒V形多級混合陣列結構的排布方式及分布位置，保持其結構為倒V形或類似倒V形；所述倒V形多級混合陣列結構位於平直流道中，或者位於彎曲流道的拐彎處。
本發明的工作原理是：進入混合器流道的多組分流體流經各個擋板兩側時，在擋板後面形成兩個小渦流，液體改變其原有流動狀態，增強各組分之間的混合；同時，溶液流經各級擋板時，均由擋板靠近流道側壁一側分開，部分溶液在該級擋板靠近流道中線一側混合，使得溶液完成第二次混合；接下來溶液在各級擋板靠近流道中線一側實現第三次混合。
本發明的有益效果如下：
本發明的倒V形多級混合陣列結構，通過在微混合器流道中製作倒V形多級矩形陣列，破壞液體流動狀態，產生渦流效果和分合流效果，促進流體的混合；其結構簡單、加工容易，能夠實現微流控晶片中多種液體之間的快速均勻混合，縮短混合時間，提高混合效率。
本發明設計的倒V形多級混合陣列結構，不僅用於單一微混合器，還可以方便地集成到更為複雜的微流控系統製作過程中；並且，其在微流通道中的排布，可以是單個倒V形，亦可為多個倒V形結構串聯使用，以實現在有限的流道長度內增強混合效果的目的。本發明的倒V形多級混合陣列結構可以用於平面被動微混合器，也可以用於立體微流道的平面單元部分。
附圖說明
圖1是倒V形多級混合陣列結構以及微流體在該結構中的流動方式示意圖。
圖2是單個用於平直流道的被動式微混合器的倒V形多級混合陣列結構示意圖。
圖3是單個用於彎曲流道的被動式微混合器的倒V形多級混合陣列結構示意圖。
圖4是多個用於平直流道被動式微混合器的倒V形多級混合陣列結構示意圖。
具體實施方式
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面通過具體實施例和附圖，對本發明做進一步說明。
圖1是本發明的倒V形多級混合陣列結構以及微流體在該結構中的流動方式示意圖。對該結構具體說明如下：
1.用於被動式微混合器的倒V形多級混合陣列結構由矩形擋板按照倒V形排布在流道內，V形結構的開口方向與流體流動方向相反。本發明中擋板優選採用矩形，其混合效果好，但本發明不受此限制，在其它實施例中也可以採用其它形狀的擋板。在構成倒V形的多級擋板結構中，各級擋板間可以等間距排布，也可以不採用等間距的形式。
2.位於V字形底部的擋板稱為第一級擋板，由一塊位於混合器溝道正中間且其長邊與流道中線垂直的矩形擋板構成。
3.倒V形多級混合陣列結構可以位於微混合器的平直流道，也可以位於彎曲流道的拐彎處。位於平直流道時，第二級擋板由兩塊平行於第一塊擋板的矩形擋板構成，二者之間拉開一定距離，且關於流道中間鏡像對稱，並且遠離流道中間的一側較第一塊擋板更靠近流道側壁。位於彎曲流道時，只要保證兩塊擋板距離流道中心的間距相等且擋板垂直於流道中線即可。本發明的倒V形多級混合結構可以根據流道實際走勢，靈活設計其排布方式及分布位置，只要保持其結構為倒V形或類似倒V形均可。
4.第三級擋板同樣由兩塊平行於第一塊擋板的矩形擋板構成，中間間距大於第二級擋板，且兩塊擋板的遠離流道中間一側較第二級擋板更靠近流道側壁。
5.之後各擋板依次排布，直至遠離中間的側邊與側壁重合，倒V形多級混合陣列結構排布結束。本發明通過在微混合器流道內製作與入口呈倒V形的矩形陣列擋板，當流體流經倒V形的矩形陣列擋板時會產生渦流、分合流混合和十字形混合效果，破壞液體原流動狀態，促進流體的混合。
6.優選地，各級擋板中，第一級擋板最長，但其長度不大於溝道寬度的二分之一，其餘各級擋板長度相等且小於第一級擋板；各級擋板距離流道兩側壁的間距由第一級擋板按照等差數列遞減，直至與側壁重合。在其它實施例中，除第一級擋板外，其餘各級擋板的長度也可以不等長；各級擋板距離流道兩側壁的間距也可以不按照等差數列遞減，只要與側壁的間距逐漸縮小即可。
7.每塊擋板均為一個成渦結構；且除第一級擋板外，各擋板與其兩側的狹縫以及整個倒V形結構構成分合流結構；兩級擋板之間的流道以及各級擋板之間的流道構成十字形混合結構。
8.本發明的工作原理是：進入混合器流道的多組分流體流經各個擋板兩側時，在擋板後面形成兩個小渦流，液體改變其原有流動狀態，增強各組分之間的混合；同時，溶液流經各級擋板時，均由擋板靠近流道側壁一側分開，部分溶液在該級擋板靠近流道中線一側混合，使得溶液完成第二次混合；接下來溶液在各級擋板靠近流道中線一側實現第三次混合。
本發明的倒V形多級混合陣列結構，其在微流通道中的排布，可以是單個倒V形，亦可為多個倒V形串聯使用，以實現在有限的流道長度內增強混合效果的目的。圖2中示意了在平直微流道中單個倒V形多級混合陣列結構，流體A和流體B經過該結構後混合成流體AB。圖3中示意了在彎曲微流道中單個倒V形多級混合陣列結構，流體A和流體B經過該結構後混合成流體AB。圖4中示意了三個(也可以是更多個)倒V形多級混合陣列結構。
以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其進行限制，本領域的普通技術人員可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明的精神和範圍，本發明的保護範圍應以權利要求書所述為準。