一种利用振荡的微流体混合强化装置

1.本发明属于微流控技术领域，尤其涉及一种利用振荡的微流体混合强化装置。

背景技术：

2.混合技术是现代化工、冶金、医药等多个领域的核心技术需求之一。其中在微尺度流体方面，微流控技术为微尺度流体的混合技术的实施提供了一种全新的发展机遇。此技术涉及生物、化学、医学等多个领域，可以将样品制备、混合、反应、分离、检测、分析等多个操作集成到一块微米尺度的芯片上自动完成。解决了在进行常规的样品制备、混合、反应、分离、检测、分析操作时有较大污染风险的技术难题，为以上操作提供了一种较为简单的实施方式。同时，微流控这一技术可以大大减少以上操作时样品/试剂的消耗，减少了实验所需的成本。
3.综上所述，微流控技术具有节省试剂、提高效率、仪器设备小型化便携化、减小危险性等优点。微流控技术在近年发展较为快速。其中微流体混合强化装置是微流控芯片技术中较为重要的一种应用形式。常见的微流体混合强化装置主要依靠被动混合和主动混合两种混合方式。
4.目前，这两种混合方式仍具有不少缺陷。被动混合装置经常存在混合效果差的区域，甚至死区，所以难以克服混合效果差的短板。同时，被动混合装置造价高，且制造工艺复杂。至于主动混合方面，设备体积大且难以集成化阻碍了主动混合装置的推广、应用。
5.因此，亟需提出一种混合效率高、结构简单、体积小且集成化的微混合装置。

技术实现要素：

6.本发明所解决的技术问题是克服现有存在的缺陷，提供一种利用振荡流改善混合效果的微流体混合强化装置，利用动态腔与振荡流强化流动不稳定性进而优化混合效果。本发明首次将动态腔与振荡流应用于微混合强化，利用动态腔与振荡流诱发涡流，涡流产生沿溶质浓度梯度方向的流动，通过强化对流进而优化两种/多种溶液之间混合效果。首先，动态腔上壁面振动在腔室内诱发非稳态涡流，并驱动流体在涡流诱发通道内产生前向振荡流(在往复振荡的同时逐步前进的流动)。同时，振荡流在涡流诱发通道内诱发旋转方向交变的涡流。本发明的混合装置(包括流体的驱动与混合)完全集成在一个芯片上，结构简单、集成度高、体积小。
7.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种利用振荡的微流体混合强化装置，包括入口端、中部混合段和出口端，入口端和出口端的结构相同，分别通过连接管与中部混合段的两端连接，整个装置是在一个芯片基底上刻蚀形成对应的通道结构。
9.所述的入口端和出口端均包括振荡器和振荡微腔室，入口端还包括多根入口管，出口端还包括多根出口管，入口管和出口管均与对应的振荡微腔室连通；所述的振荡器包括电磁铁、受控磁极和弹性膜，所述的弹性膜位于振荡微腔室内，弹性膜的边缘固定在振荡
微腔室的内壁上，受控磁极固定在弹性膜上表面，受控磁极的上表面贴近振荡微腔室内顶面；所述的电磁铁固定在振荡微腔室顶面上，位于振荡微腔室外部。
10.所述的中部混合段为涡流诱发通道，为直通道，通道两侧壁设有三角形或梯形的凹凸结构。
11.所述的振荡微腔室，主体为三角形，其顶角与连接管相连。
12.所述的连接管为锥形结构，其顶端与振荡微腔室相连，其底面与涡流诱发通道相连。
13.所述的振荡微腔室为三角形，入口管和出口管为锥形。
14.所述的振荡器、振荡微腔室、入口管、出口管和涡流诱发通道位于同一平面。
15.本发明采用电驱动弹性膜的方式制造振荡流。电磁铁是一种由电流控制磁力大小的结构，当对其施加正向电流时，电磁铁对粘贴在弹性膜上的控制受控磁极产生吸引力，牵引弹性膜产生形变，从而使振荡微腔室内空间增大，使流体流入振荡微腔室。反之，当对其施加反向电流时，电磁铁对粘贴在弹性膜上的控制受控磁极产生排斥力，牵引弹性膜产生形变，从而使振荡微腔室内空间被压缩，使流体流出振荡微腔室。调控对控制电磁铁施加的电流大小，使之以t为周期呈简谐变化。同时，调控对控制电磁铁施加的电流大小，使之以t为周期呈简谐变化，并使其相较于控制电磁铁的控制电流延迟0.5t。使微流体混合强化装置内流体呈同步变化趋势。
16.本发明具有如下有益效果：
17.1.混合效果好。本发明利用非稳态涡流与方向交变的涡流强化了对流，产生沿浓度梯度方向的流动，通过沿浓度梯度方向的流动强化溶质扩散，从而大大增加了混合效果。
18.2.装置的结构简单，加工方便。本发明用到的各部件在实验室内都易获得，所用的pdms芯片加工与组装在多数实验室均可实现。同时，结简单，易与其他片上装置做进一步集成。
19.3.体积小，集成度高。本发明将微流体的驱动混合一体化，在保证混合效果的同时，大大减少的产品体积。振荡腔室在驱动流体的同时强化混合效果，涡流诱发腔室在传导流体的同时通过涡流强化混合效果。
附图说明
20.图1为本发明一种利用振荡的微流体混合强化装置的结构示意图。
21.图2(a)和图2(b)为本发明一种利用振荡的微流体混合强化装置的涡流诱发通道的不同流向时内部流体流动情况示意图。
22.图3为本发明一种利用振荡的微流体混合强化装置的振荡器结构示意图。
23.图4为本发明一种利用振荡的微流体混合强化装置的振荡微腔室a内溶液混合情况示意图。
24.图5为本发明一种利用振荡的微流体混合强化装置的振荡微腔室b内溶液混合情况示意图。
25.图6(a)～图6(e)为本发明一种利用振荡的微流体混合强化装置的不同结构的涡流诱发通道示意图。
26.图7为本发明一种利用振荡的微流体混合强化装置的应用实例示意图。
27.图中：1振荡器a、2振荡微腔室a、3入口管a、4入口管b、5连接管a、6涡流诱发通道、7连接管b、8振荡器b、9振荡微腔室b、10出口管a、11出口管b；
28.101电磁铁a、102受控磁极a、103弹性膜a；
29.801电磁铁b、802受控磁极b、803弹性膜b。
具体实施方式
30.以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
31.本实施例以混合两种溶液为例进行说明，利用振荡流的微流体混合强化装置如图1所示，包括振荡器a1、振荡微腔室a2、入口管a3、入口管b4、连接管a5、涡流诱发通道6、连接管b7、振荡器b8、振荡微腔室b9、出口管a10、出口管b11；如图3所示，振荡器a1包括电磁铁a101、受控磁极a102、弹性膜a103，振荡器b8包括电磁铁b801、受控磁极b802、弹性膜b803。
32.以振荡微腔室a2和连接管a5为例进行说明，振荡微腔室a2主体为三角形，其顶角与连接管a5相连，其左右两边分别设置入口管a3和入口管b4，且二者其一设置于靠近顶点端，另一设置于远离顶点端。振荡微腔室a2为三角形，入口管a5为锥形，连接于振荡微腔室a2侧壁面距顶点1/3处或顶点；振连接管a5为锥形，其顶端与振荡微腔室a2相连，其底面与涡流诱发通道6相连，振荡微腔室a2内液体从连接管a5顶角方向进入，从连接管a5底面方向流入涡流诱发通道6。
33.如图7所示，混合时，先向振荡微腔室a2中注入溶液1和溶液2，然后启动振荡器a1和振荡器b8，工作过程如下：
34.溶液1由入口管a3进入振荡微腔室a2，溶液2由入口管b4进入振荡微腔室a2，控制电磁铁a101控制受控磁极a102带动弹性膜a103随电压频率上下振动，振荡微腔室a2内液体流动过程可以分为吸入过程和排出过程。当弹性膜a103向上振动时，两种液体在振荡微腔室a2中混合后经连接管a5流入涡流诱发通道6，由于各通道的正反向流阻不同，从而使从入口管a3与入口管b4吸入的液体量大于从连接管a5吸入的液体量。此时液体主要从入口管a3与入口管b4吸入；相反，弹性膜a103向下振动时，从连接管a5流出的液体量大于从入口管a3与入口管b4流出的液体量，液体主要从连接管a5流出。从而实现液体主要从入口管a3与入口管b4流入，从连接管a5流出，实现了液体的由振荡微腔室a2至涡流诱发通道6单向运输。随后，液体进入涡流诱发通道6，涡流诱发通道6的梯形锐边结构进一步扰乱流体的层流状态，提高混合效果。然后，混合完成的溶液从连接管b7流入振荡微腔室b9。振荡微腔室b9内液体流动过程同样可以分为吸入过程和排出过程。当弹性膜b803向上振动时，液体经涡流诱发通道6和连接管b7流入振荡微腔室b9，由于各通道的正反向流阻不同，从而使从出口管a10与出口管b11吸出的液体量小于从连接管b7吸入的液体量，此时液体主要从连接管b7吸入。相反，弹性膜b803向下振动时，从连接管b7流出的液体量小于从出口管a10与出口管b11流出的液体量，液体主要从出口管a10与出口管b11流出。从而实现液体主要从连接管b7流入，从出口管a10与出口管b11流出，实现了液体的由涡流诱发通道6至振荡微腔室b7单向运输。最后，得到混合完成的溶液1、溶液2混合液。工作时，弹性膜a103和弹性膜b803的运动方向相反。
35.其中，振荡微腔室a2和振荡微腔室b9内溶液混合情况分别如图4和图5所示。
36.其中，涡流诱发通道6的不同流向时内部流体流动情况如图2(a)和图2(b)所示，图
6(a)～图6(e)为涡流诱发通道6的五种不同结构变体，具体介绍如下：
37.图6(a)：管内倒梯形结构，此结构涡流诱发通道6总宽为3.79mm，通道内具有相交错的n个倒梯形结构，其倒梯形为顶边长0.5mm，底边长1.7mm高为2.4mm的等腰梯形，同侧梯形结构梯形截面中线间相距5mm，异侧梯形结构梯形截面中线相距2.25mm。
38.图6(b)：管内正梯形结构，此结构涡流诱发通道6总宽为3.79mm，通道内具有相交错的n个正梯形结构，其正梯形为顶边长0.5mm，底边长1.7mm高为2.4mm的等腰梯形，同侧梯形结构梯形截面中线间相距5mm，异侧梯形结构梯形截面中线相距2.25mm。
39.图6(c)：管外倒梯形结构，此结构涡流诱发通道6总宽为6.19mm，内部通道宽为1.39mm，内部通道外具有相交错的n个倒梯形结构，其倒梯形为顶边长0.5mm，底边长1.7mm高为2.4mm的等腰梯形，同侧梯形结构梯形截面中线间相距5mm，异侧梯形结构梯形截面中线相距2.25mm。
40.图6(d)：管外正梯形结构，此结构涡流诱发通道6总宽为6.19mm，内部通道宽为1.39mm，内部通道外具有对称分布的n个正梯形结构，其正梯形为顶边长0.5mm，底边长1.7mm高为2.4mm的等腰梯形。
41.图6(e)：十字结构，此结构涡流诱发通道6总宽为5.3mm，内部通道为多个等边梯形首与首尾与尾相连组成。在每组梯形首与首相连处对称分布的2个正梯形结构，其正梯形为顶边长0.5mm，底边长1.7mm高为2.4mm的等腰梯形。

技术特征：

1.一种利用振荡的微流体混合强化装置，其特征在于，所述的利用振荡流的微流体混合强化装置包括入口端、中部混合段和出口端，入口端和出口端的结构相同，分别通过连接管与中部混合段的两端连接，整个装置是在一个芯片基底上刻蚀形成对应的通道结构；所述的入口端和出口端均包括振荡器和振荡微腔室，入口端还包括多根入口管，出口端还包括多根出口管，入口管和出口管均与对应的振荡微腔室连通；所述的振荡器包括电磁铁、受控磁极和弹性膜，所述的弹性膜位于振荡微腔室内，弹性膜的边缘固定在振荡微腔室的内壁上，受控磁极固定在弹性膜上表面，受控磁极的上表面贴近振荡微腔室内顶面；所述的电磁铁固定在振荡微腔室顶面上，位于振荡微腔室外部；所述的中部混合段为涡流诱发通道，为直通道，通道两侧壁设有三角形或梯形的凹凸结构。2.根据权利要求1所述的一种利用振荡的微流体混合强化装置，其特征在于，所述的振荡微腔室，主体为三角形，其顶角与连接管相连。3.根据权利要求1或2所述的一种利用振荡的微流体混合强化装置，其特征在于，所述的连接管为锥形结构，其顶端与振荡微腔室相连，其底面与涡流诱发通道相连。4.根据权利要求1或2所述的一种利用振荡的微流体混合强化装置，其特征在于，所述的振荡微腔室为三角形，入口管和出口管为锥形。5.根据权利要求3所述的一种利用振荡的微流体混合强化装置，其特征在于，所述的振荡微腔室为三角形，入口管和出口管为锥形。6.根据权利要求1或2或5所述的一种利用振荡的微流体混合强化装置，其特征在于，所述的振荡器、振荡微腔室、入口管、出口管和涡流诱发通道位于同一平面。7.根据权利要求3所述的一种利用振荡的微流体混合强化装置，其特征在于，所述的振荡器、振荡微腔室、入口管、出口管和涡流诱发通道位于同一平面。8.根据权利要求4所述的一种利用振荡的微流体混合强化装置，其特征在于，所述的振荡器、振荡微腔室、入口管、出口管和涡流诱发通道位于同一平面。

技术总结

本发明属于微流控技术领域，尤其涉及一种利用振荡的微流体混合强化装置，包括入口端、中部混合段和出口端，入口端和出口端的结构相同，分别通过连接管与中部混合段的两端连接，整个装置是在一个芯片基底上刻蚀形成对应的通道结构。入口端和出口端均包括振荡器和振荡微腔室，入口端还包括多根入口管，出口端还包括多根出口管，入口管和出口管均与对应的振荡微腔室连通；振荡器包括电磁铁、受控磁极和弹性膜。中部混合段为涡流诱发通道，为直通道，通道两侧壁设有三角形或梯形的凹凸结构。本发明具有混合效果好、结构简单、加工方便、体积小、集成度高等优势。集成度高等优势。集成度高等优势。