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)，如何實現(xiàn)微米量級 流體的良好混合這一重要問題受到廣泛關(guān)注，但是，在微米量級管道中，由于尺寸的原因，壓力驅(qū)動流和慣性不穩(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散和對流。盡管較長的混合長度并不意味著有效的混合，但是針對增強樣品混合效果這一目的，增加混合長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)計中。因此，研究彎曲微小管道中的樣品混合很重要，實際上，針對壓力驅(qū)動微管道中的流體混合已經(jīng)開展了很多的工作，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公開了一種芯片內(nèi)微混合器，其使用獨特的凹槽設(shè)計來增強混合效果。近年來，Ajdari研究了不均勻壁面電勢周圍的電滲流現(xiàn)象，并在施加與微管道壁面電勢相反電勢的壁面周圍發(fā)現(xiàn)了渦旋區(qū)域。Fu發(fā)現(xiàn)壁面電勢的突變會導(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在試驗中發(fā)現(xiàn)，并且他們對這些渦旋區(qū)域進行了研究，并將其作為增強T形微流體設(shè)備中混合效果的一種方法。Oddy通過正弦規(guī)律變化的電場對流體進行混合，而Hao Lin則采用了存在電導(dǎo)率梯度的電動微流體流的不穩(wěn)定性來促進樣本混合。通過上述一些研究人員的研究成果，我們可以看至IJ，流場的不穩(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，對于微管道而言，樣本混合和傳輸能力之間有一個權(quán)衡折中。然而，電滲流本身具有一些缺點，比如說，i)為了獲得必要的電場強度，我們必須對整個系統(tǒng)施加很強的外加電場，這樣會產(chǎn)生焦耳熱并且對原有電場以及微管道中的流場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，會產(chǎn)生出零時間平均流量。幸運的是，最近由Ramost et al.和Ajdari發(fā)現(xiàn)，這些缺點不會出現(xiàn)在誘導(dǎo)電滲流(ICEOF)中。與電滲流不同，ICEOF是由于外加電場與靜止可極化表面周圍誘導(dǎo)出的擴散電荷之間的相互作用所產(chǎn)生的。最初的原始方案中，包括一個放置在電解質(zhì)溶液中的可被理想極化并且離子無法滲入的圓柱體。當(dāng)對該溶液施加外加電場時，法拉第電流會另圓柱體的表面帶電，并因此產(chǎn)生一個極化德拜層。于此同時，顆粒本身自己也被極化。電場對顆粒自身誘導(dǎo)出的德拜層施加洛倫茲力，并因此產(chǎn)生出速度場(Squires&Bazant 2004)。和EOF相比，由于誘導(dǎo)電滲流速度與外加電場之間的非線性對應(yīng)關(guān)系，ICEOF可能會具有更高的速度。這些特有的性質(zhì)很有可能會引領(lǐng)出微米量級流體和納米量級流體中的新應(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)以及存進攪拌和混和的對流效應(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)以及懸架動力學(xué)(Saintillan et al. 2006a, b; Rose et al. 2007)。總的來說，ICEOF可以被采用到微流體設(shè)備中的泵以及混合器的設(shè)計中，然而在驅(qū)動和混合效率之間存在一個折中。

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)計方案，實現(xiàn)流體驅(qū)動和混合效率的良好折中。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案來實現(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，兩圓柱體分別發(fā)揮混合器和泵的作用。即，將泵和混合器兩個單元分別進行設(shè)計，并將它們在U形微管道中結(jié)合成一個整體，進而得到具有由于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)點在于(I)實現(xiàn)了有效混合和高流量的良好折中，Mix-eff在各電場強度下保接近于I ;(2)將混合和泵進行了分別設(shè)計，無需將混合效率和流量大小進行取舍對立，真正實現(xiàn)高效；(3) ICEOF的應(yīng)用，使得混合距離顯著減小，實現(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)動部件、混合部件；驅(qū)動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，遠離三通的部分表面沒有金屬鍍層。在上述任一方案中優(yōu)選的是，驅(qū)動部件為圓柱形。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)動部件更靠近三通。在上述任一方案中優(yōu)選的是，驅(qū)動部件和混合部件布置在管道中，靠近三通且遠離出口的一側(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)明的具體實施例。圖I為按照本發(fā)明的第一實施例的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)明的第一實施例的U形微混合器內(nèi)施加403KV/m的電場時，U形微混合器微管道內(nèi)的流線圖；圖4為按照本發(fā)明的第一實施例的U形微混合器內(nèi)施加403KV/m的電場時，U形 微混合器微管道中的濃度場示意圖；圖5為按照本發(fā)明的第一實施例的U形微混合器內(nèi)施加不同強度的電場時，微小管道出口處混合效率(Mix-eff)的曲線圖；圖6按照本發(fā)明的第一實施例的U形微混合器內(nèi)施加403KV/m的電場時,場強矢量圖以及場強大小等值線圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述。實施例一如圖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)動部件4在管道8中的位置更靠近三通9。驅(qū)動部件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之間具有相對較遠的距離。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)動部件4和混合部件5的下游，相對更靠近出口 3。驅(qū)動部件4布置在管道8內(nèi)，驅(qū)動部件可以為任意形狀，優(yōu)選為圓柱形。驅(qū)動部件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)動部件4遠離三通9的部分7，沒有金屬鍍層?；旌喜考?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。混合部件5固定在管道8內(nèi)，優(yōu)選為圓柱形，與驅(qū)動部件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)過三通9、驅(qū)動部件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，建立電壓，則會形成如圖6所示的場強分布圖。在電場的驅(qū)動下，混合器內(nèi)的樣品按圖3所示的流線圖流動。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)動的，流體的動量方程如
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)動部件(4)、混合部件(5);驅(qū)動部件(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，遠離三通(9)的部分(7)表面沒有金屬鍍層。
7.如權(quán)利要求1-6中任一項所述的混合器，其特征在于驅(qū)動部件(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)動部件(4)、混合部件(5)；驅(qū)動部件(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B01L3/00GK102872735SQ20121034708
公開日2013年1月16日 申請日期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 申請人:中國計量學(xué)院