一種仿葉脈通道結構被動式微混合器的製作方法

2023-05-05 15:22:27 1

本發明涉及微型流控晶片和生物晶片中微流體混合技術領域，尤其是一種被動式微混合器。

背景技術：

微流控晶片是一種以在微米尺度空間對流體進行操控為主要特徵的科學技術，具有將生物、化學等實驗室的基本功能集成到一個幾平方釐米晶片上的能力。微流控晶片將傳統生化監測過程的分離、富集、加樣、混合、檢測等功能進行集成，廣泛應用於微量分析化學、生物醫藥、環境監測等領域。微混合器作為微流控晶片的重要組成部分，憑藉其高效快速的混合性能，可以顯著縮短試劑預處理時間，提高微流控晶片的分析速度和檢測效率。微流體微混合器中的微通道尺寸在幾十到幾百微米範圍之間，微通道中的流體通常處於層流狀態，其混合主要是通過分子擴散來實現，對於兩股或多股流體混合時，流體間藉助分子擴散很難完成充分混合，因此實現微尺度下實現流體的高效快速混合非常有必要。

根據是否有外加能量場，微混合器大致可分為：主動式微混合器和被動式微混合器兩大類。主動式微混合器主要依靠外加擾動源促進混合，而被動式微混合器的混合則主要依靠通道結構對流層的擾動來實現。雖然主動式微混合器的混合較為高效，但其除驅動裝置還需要外加擾動源，並且結構複雜、不易加工和維護，不利於微流控晶片的集成；被動式微混合器則除驅動裝置外不需其它外接設備，且結構相對簡單、製造工藝簡化，易於微流控晶片集成，因此在微流控晶片上的應用較為廣泛。

為了提高被動式微混合器的混合效率，通常使用對流體進行多次分流再聚合的方式來增加流體間的有效接觸面積，通過增進流體間的有效接觸面積來提高流體的擴散效率，提高混合強度。目前常用的方式有枝狀分流和迭加式分流等。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種仿葉脈通道結構被動式微混合器，其結構簡單、易於加工，可通過多次分流聚合實現微流控系統中不同微流體混合。

本發明解決其技術問題採用的技術方案是：一種仿葉脈通道結構被動式微混合器，由蓋板和基體組成，在蓋板上蝕刻有入口圓通道和出口圓通道，在基體上刻蝕有入口通道、直通道、仿葉脈通道、出口通道；所述入口圓通道至少兩個，且入口圓通道與入口通道相通，在仿葉脈通道的左、右兩邊分布有阻擋塊微結構，通過阻擋塊微結構的阻隔作用使微通道形成相互連通的葉脈網絡結構，最終連接於出口通道，出口通道與出口圓通道相通。

進一步，葉脈通道左、右兩邊阻擋塊微結構的尺寸大小、數量均相同，且各微結構成列狀分布，並在整個微通道結構中分布有若干列；左、右兩入口通道、直通道、左、右阻擋塊微結構、仿葉脈通道、出口通道均關於同一中心軸對稱分布。

本發明的技術構思為：低雷諾數下，流體在微通道內的流動為層流狀態，混合主要依靠分子擴散來實現，效率較低，為增加混合強度通常採用引入擾動的方式強化混合。強化混合的方法主要是通過破壞層流流動來增強各層流間的摻混。因此，對於被動式微混合器可利用微通道的幾何結構對流體的擾動增加待混合流體間的接觸面積、碰撞、對流、拉伸摺疊等，以此增進流體分子間接觸面積，加快流體分子的擴散，強化流體間混合。本發明採用可以產生多次分流、聚合的微通道結構，通過增加待混合流體間的接觸面積提高混合強度。

由於上述技術方案的運用，本發明具有下述優點：

在本發明中，當流體由入口通道進入混合通道時，在直通道內產生少部分的擴散混合，待流體進入仿葉脈通道後，一部分待混合流體會發生分流，進入仿葉脈通道結構被動式微混合器的左、右兩部分，並藉助微阻擋塊的影響進一步分流、聚合，另一部分則沿著微通道的主幹道繼續向前流動，由於受主幹道錐度的影響，流體在流動時受壓力的影響會逐漸向左、右兩側的枝狀通道進行擴散，由此增大流體間的接觸面積。

在本發明中，藉助微通道幾何形狀對流層的擾動強化混合。由於待混合流體在每次分離、聚合時均會發生不同程度的對流混合，因此，可藉助多次對流混合達到在不引入複雜通道結構的基礎上提高微混合器的混合強度。

附圖說明

圖1為本發明主體結構剖視圖；

圖2為基體通道平面結構剖視圖；

圖3為微通道尺寸示意圖；

圖4為微通道三維結構示意圖；

圖5雷諾數與混合強度關係曲線示意圖。

圖中:1.蓋板；2.基體；3.左入口圓通道；4.右入口圓通道；5.左入口通道；6.右入口通道；7.直通道；8.仿葉脈通道；9.左邊阻擋塊微結構；10.右邊阻擋塊微結構；11.主葉脈通道；12.左葉脈通道；13.右葉脈通道；14.出口通道；15.出口圓通道。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步描述。

如圖1和圖2所示，本發明主要結構包括上、下兩部分，上部為微混合器的蓋板1，下部為微混合器的基體2，蓋板1與基體2鍵合在一起；蓋板1上刻蝕有左入口圓通道3、右入口圓通道4和出口圓通道15，基體2上刻蝕有完整的微混合器微通道結構。微混合器的微通道主要由左入口通道5、右入口通道6、直通道7、仿葉脈通道8、出口通道14組成，其中仿葉脈微通道8主要包括左邊阻擋塊微結構9、右邊阻擋塊微結構10、主葉脈通道11、左葉脈通道12、右葉脈通道13；在葉脈通道左、右兩邊的左阻擋塊微結構9和右阻擋塊微結構10成列狀分布，並在整個微通道結構中分布有若干列；主葉脈通道11、左葉脈通道12、右葉脈通道13分別由左邊阻擋塊微結構9和右邊阻擋快微結構10阻隔得到。

在整個微通道結構中左入口圓通道3和右入口圓通道4、左入口通道5和右入口通道6、直通道7、仿葉脈通道8、出口通道14均關於仿葉脈通道8的中心軸對稱，直通道7的軸線與仿葉脈通道8的軸線共線。

如圖1、圖2和圖3所示，左入口圓通道3、右入口圓通道4貫穿蓋板1和基體2，兩入口圓通道的直徑相等，其值為d1(100μm≤d1≤500μm)；左入口通道5和右入口通道6的長度、寬度均相等，且長度為l1(800μm≤l1≤1000μm)，寬度與入口圓通道直徑相等為d1；左入口通道5和右入口通道6之間存在夾角α(20°≤α≤90°)；直通道7連接於入口通道與仿葉脈通道之間，其寬度與左入口圓通道3和右入口圓通道4直徑相等為d1，長度為l2(500μm≤l1≤1000μm)；左阻擋塊微結構9和右阻擋塊微結構10中各阻塊的相對面相互平行，兩相鄰阻擋塊橫向距離為s1，縱向距離為s2，且s2≤s1(100μm≤s2≤200μm)；左阻擋塊微結構9、右阻擋塊微結構10與通道邊界壁面存在夾角β(1°≤β≤3°)；主葉脈通道8的寬度由寬到窄漸縮，且相互之間成一定角度θ(1°≤θ≤3°)；出口通道14的長為l3(1000μm≤l2≤2000μm)，寬為d2，且d2＝d1；出口圓通的15直徑與出口通道14的寬度相等，為d2。

本實施例中一種仿葉脈通道結構被動式微混合器工作時，兩種不同的流體通過左入口圓通道3和右入口圓通道4分別進入左入口通道5和右入口通道6，兩入口通道連通直通道7，當兩入口通道內的流體進入直通道7內時會完成少部分擴散混合，在流體進入仿葉脈通道8時，一部分待混合流體會發生分流，分別進入左葉脈通道12和右葉脈通道13，另一部分則繼續沿著微通道的主葉脈通道8繼續向前流動，由於會受到主葉脈通道錐度θ的影響，導致主葉脈通道內的壓強逐漸增加，使得主葉脈通道8內混合液體絕大部分都進入左、右兩側的葉脈通道中參與進一步的混合；進入左葉脈通道12和右葉脈通道13中的混合液體會分別受到左阻擋塊微結構9、右阻擋塊微結構10的分流作用，產生更多的支流，流體間具有更多的接觸面積；在各支流聚合時，相互聚合的支流間會產生對流作用，這種對流作用會加快混合的進行；兩側葉脈通道內的混合液體分別匯聚於最外側邊界通道內，與主葉脈通道8內剩餘的液體形成三股射流進入到出口通道14前的空腔內，藉助射流成渦效應再次加劇混合的進行，最終完成混合的液體進入出口通道14，從出口圓通道流出，完成整個混合過程。

實例1：利用comsol軟體針對兩種不同組分的液體a、b的混合進行仿真，採用可溶性色素與去離子水混合溶液(diwater，密度ρ＝998kg·m-3，動力粘度係數μ＝1.002×10-3n·s/m-2，擴散係數d＝3.23×10-10m2·s-1，運動粘度係數ν＝1.003×10-6m2·s-1)作為流體a，去離子水作為流體b，混合器的模型為三維，如圖4所示。模擬設定流體為穩態、定常流動，無滑移邊界條件，待混合液體在求解中處於層流狀態，忽略重力影響，流體為不可壓縮牛頓流體，通過觀察速度的方向確定兩股流體的流向，通過監測混合後出口平面上的平均質量分數變化判斷混合狀況。

對給定一組尺寸的微混合器結構進行數值仿真，得到混合強度與雷諾數的大小關係曲線，如圖5所示。

造成微流體在不同雷諾數下混合不均勻的主要原因是低流速，因此評價一個微混合器是否設計合理及是否具有使用價值時，可以通過兩個標準：低流速下的混合效果以及大雷諾數範圍的混合強度。通過comsol仿真低流速下仿葉脈通道結構被動式微混合器得混合強度證明其可行性。

混合強度是仿葉脈通道結構被動式微混合器性能的一個重要指標，通常用出口截面上組分濃度方差對混合進行數值化評定。多分支通道對微流體的分流，在很大程度上增加了流體間的接觸面積，增大了流體分子的擴散速率，加快了混合的進行；分流、聚合時的對流作用，對混合的進行起到了積極的作用。仿葉脈通道結構被動式微混合器的結構尺寸及入口速度等條件對混合強度的大小均有不同程度的影響。

以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入本發明要求保護的範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。