CN110947329A - 一种锯齿型被动式微混合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锯齿型被动式微流控混合器，包含至少两个进液孔、与所述的进液口连通的入口通道、出口通道、用于连通所述入口通道和出口通道的至少一个混合单元；所述混合单元包含多个与水平线呈45度的直线通道一和135度的直线通道二，两种直线通道依次连通，构成锯齿型通道；当所述混合单元数量为两个或两个以上时，第一个混合单元的入口与所述入口通道连通，第一个混合单元的出口为第二个混合单元的入口，以此类推，最后一个混合单元的出口与所述出口通道连通。本发明利用直线通道侧壁上的圆弧凸起产生的迪恩涡，进而引起凸起中流体的二次流效应，促进层流液体的激烈接触，从而提升Re＝1时的微混合效率。

Description

一种锯齿型被动式微混合器

技术领域

本发明涉及微流控芯片技术领域，具体涉及一种锯齿型被动式微混合器。

背景技术

混合不仅是自然界中普遍存在的现象，也是许多化工技术过程中重要的步骤。微混合技术作为微流控芯片领域中基本但极为重要的液体操作技术，被广泛地应用于集成化的微全分析系统中。随着微流控技术的发展，微观尺度下的混合越来越受到研究者的关注，也是微流控技术中的关键环节之一。然而，在微观尺寸下的混合是难以进行的。这是由于微观尺度下雷诺数低，液体呈层流状态，缺乏湍流，液体接触面积少。当微通道的尺寸只有几百微米的时候，基于分子扩散的混合则需要上万秒的时间。特别地，包含大分子的溶液之间的混合效率通常很低，这是由于其扩散系数比大多数液体低一到两个数量级，微尺度下的混合效率难以提升。因此，开发高性能的微混合芯片及方法对于微量珍贵试剂之间精准操作意义重大。

被动式微流控混合器作为一种无需任何外部刺激源的混合方式，特别适用于生物化学领域的液体混合操作，而不会对细胞、细菌等物质产生任何影响。被动式微混合器的设计原理通常是尽可能地使得微通道中的层流液体尽可能地折叠拉伸，促进层流液体之间的扩散程度，使层流液体发生强烈的接触，以促进混合。目前文献报道的被动式混合芯片适用的条件是在高雷诺数条件(通常是提高进液流速，促进液体在微通道中的激烈接触)，而对于低雷诺数条件下的混合效率仍旧难以提高。

专利ZL201621081990.7通过在方波型微混合器的侧壁上增加半圆形凸起结构，通过该结构引起迪恩涡流，进一步引发二次流现象，能够提高低雷诺数条件下的层流混合效率。然而，该混合器对于低雷诺数条件下的混合促进效果并不强烈，仍旧需要20个方波混合单元才能达到74％左右的混合效率。凸起的结构对于混合效果的促进的方法并未明确。

发明内容

本发明所要解决的问题是：提供一种锯齿型被动式微混合器，无需外部任何刺激，平面式结构，易于加工，适用于批量生产。

本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种锯齿型被动式微混合器，包括至少两个进液口，与所述进液口连通的入口通道、出口通道、用于连通所述入口通道和出口通道的至少一个混合单元；所述混合单元包含多个与水平线呈45度的直线通道一和135度的直线通道二，直线通道一和直线通道二依次连通，构成锯齿型通道；当所述混合单元数量为两个或两个以上时，第一个混合单元的入口与所述入口通道连通，第一个混合单元的出口为第二个混合单元的入口，以此类推，最后一个混合单元的出口与所述出口通道连通。

优选的，与水平线呈45度的直线通道一和135度的直线通道二的两侧均设有至少一个凸起，凸起呈交错分布。

优选的，所述凸起为半圆形，用于产生二次流扰动层流液体，促进混合。

优选的，所述直线通道一和直线通道二的宽度为50-200微米之间，所述凸起半径为200-400微米之间，进一步提高整体混合效率。

优选的，所述锯齿型被动式微混合器的蚀刻深度为50-200微米之间，保证采用简单的蚀刻工艺实现微混合通道的蚀刻加工。

与现有技术相比，本发明的优点是：本发明能够显著增强层流液体的混合效率，尤其是能够克服锯齿型方波混合器在低雷诺数条件下混合效率低的问题。相比于主动式微混合器，无需外部任何刺激，平面式结构，易于加工，适用于批量生产。相比于普通的锯齿型微混合器，具有更短的混合长度，易于在微全分析系统中与其他微流控单元集成。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明微混合器的平面示意图；

图2为本发明微混合器的三维结构示意图；

图3(a)为不同半圆凸起结构尺寸下对层流扰动效果的情况示意图；

图3(b)为半圆凸起结构尺寸分别为50微米和200微米时层流分布；

图3(c)为不同半圆凸起结构尺寸下微通道横截面速度分布云图；

图3(d)为不同半圆凸起结构尺寸下微通道横截面速度变化图；

图4(a)为不同半圆凸起结构尺寸下微通道横截面X，Y方向速度变化图；

图4(b)为不同半圆凸起结构尺寸下微混合效率对比图；

图4(c)为半圆凸起结构尺寸为150微米时不同雷诺数条件下的混合效率图；

图4(d)为半圆凸起结构尺寸为200微米时不同雷诺数条件下的混合效率图；

图4(e)为半圆凸起结构尺寸为300微米时不同雷诺数条件下的混合效率图；

图4(f)为半圆凸起结构尺寸为400微米时不同雷诺数条件下的混合效率图；

图5(a)为在三种常规微混合器侧壁上增加半圆形凸起构建新型微混合器示意图；

图5(b)为微混合器一和四在不同雷诺数条件下的混合效果对比；

图5(c)为微混合器二和五在不同雷诺数条件下的混合效果对比；

图5(d)为微混合器三和六在不同雷诺数条件下的混合效果对比；

图6(a)为微混合器四、五、六微混合过程质量分数分布云图；

图6(b)为微混合器四、五、六微混合过程速度矢量分布云图；

图7(a)本发明锯齿形微混合器在Re＝1时，四个混合单元时的混合质量分数云图；

图7(b)为Re＝1和100时，半圆形凸起中的速度矢量分布图；

图7(c)为本发明微混合器在不同混合单元个数时混合效率图。

附图标注：1、入口通道，2、出口通道，3、直线通道一，4、直线通道二，5、进液口，6、凸起。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

如图1、2所示，本发明包括至少两个进液口5以及与所述进液口5相连通的入口通道1、出口通道2、用于连通所述入口通道和出口通道的至少一个混合单元；所述混合单元包含多个与水平线呈45度的直线通道一3和135度的直线通道二4，两种直线通道依次连通，构成锯齿型通道；当所述混合单元数量为两个或两个以上时，第一个混合单元的入口与所述入口通道连通，第一个混合单元的出口为第二个混合单元的入口，以此类推，最后一个混合单元的出口与所述出口通道连通。

如图1所示，所述锯齿型通道的两侧具有半圆形凸起6，产生迪恩涡流，改变液体方向，进而产生二次流扰动层流液体，促进层流之间的扩散，进一步促进混合。所述与水平线呈45度和135度的直线通道两侧均设有至少一个凸起，凸起呈交错分布。

实施例一：微混合通道侧壁半圆型凸起对层流液体的影响

根据计算流体力学仿真软件FLUENT的计算结果，如图3(a)所示，微混合通道侧壁的半圆形凸起，能够改变流体方向，引起层流液体相互接触面积增加，被扰动的层流宽度、体积增加。随着侧壁半圆凸起的半径由50微米增加到200微米，层流液体间的被扰动的体积随之增加，由此可以看出微混合通道侧壁上的半圆凸起的确对层流液体的流动有很大影响。如图3(b)所示，当凸起尺寸较小时，r＝50微米，侧壁中的迪恩涡诱导产生的二次流对于主通道中的层流影响很小，流体仍旧保持平行的层流属性。但是当r＝200微米时，侧壁凸起中的液体方向改变，因此，引起层流液体间的激烈接触，由此促进混合。如图3(c)(d)所示，侧壁凸起的横截面上的速度长分布显示，随着凸起半圆尺寸的增加，横截面上的速度场分布的速度差值(Δ_速度)越大，产生迪恩涡的条件越好，由此可知，产生主通道侧壁凸起横截面上一定的速度差是产生迪恩涡进一步产生迪恩涡的必要条件。

尽管在主通道和侧壁半圆中产生Δ_速度才有可能由此产生迪恩涡进一步产生二次流，从而促进微混合效率。但如图4(a)(b)所示，只有当横截面上X方向的速度差最小的时候，才能产生最佳二次流效应，促进混合效果。这是由于当横截面上X方向，半圆中的速度与主通道中的X方向速度差较小，Y方向的速度差较大时，才能保证在半圆凸起中产生更强的二次流效应。如图4(c-f)所示，在不同雷诺数条件下，r并非越大越好，当r＝300微米时，所导致的混合效率最佳。

实施例二：侧壁半圆型凸起结构在多种微混合器中的应用

如图5(a)所示，侧壁半圆型凸起结构被分别应用在直线型微混合器(微混合器一)，锯齿型微混合器(微混合器二)以及分割重组微混合器(微混合器三)中，由此，分别构成新型的微混合器四、微混合器五以及微混合器六。通过分别对比微混合器一、三(图5(b))，微混合器二、四(图5(c))，以及微混合器三、六(图5(d))在不同雷诺数条件下(Re＝1，4，10，40，100)的混合性能可知，在直线型和锯齿型微混合器的侧壁上增加半圆形凸起结构能够显著提升Re＝1时的混合效率，但对于分割重组型的微混合器而言，混合效率没有提升，反而出现下降。得到该结果的原因是，如图6(a)所示，在直线通道的侧壁上增加半圆形凸起结构能够改变流体方向(微混合器四、五)，从而能够引发激烈的液体间的接触，增进混合效果。而对于分割重组微混合器来说(微混合器六)，在曲线微混合通道上增加半圆形凸起对于促进液体之间的接触是有限的，甚至于弱于增加半圆形凸起结构前的效果，因此，导致混合效率的下降。如图6(b)所示，在三种微混合器半圆形凸起的速度矢量分布可以看出，r＝300微米能够有足够的空间产生迪恩涡，此外微混合器四、五所具有的X方向速度差最小，能够最大限度上发挥迪恩涡流产生的二次流效应。而微混合器六虽然在r＝300微米的情况下，也产生了较大的速度差，有足够的条件产生迪恩涡，但是沿着微混合主通道方向的速度差仍旧较大，意味着圆形凸起中产生的二次流效应很弱。因此，解释了微混合器六混合效率低的问题。

实施例三：锯齿型被动式微流控混合器的混合性能

由上述结果可知，在锯齿形被动式微流控混合器的侧壁上增加圆形凸起结构，能够较大程度上提升Re＝1时的微混合性能。如图7(a)所示，在具有四个混合单元的情况下，Re＝1时，混合效率可以达到48％。但是在高雷诺数条件下，混合效果的提升不佳，如图7(b)所示，这是由于雷诺数较大时，流速较快，在圆形凸起中的液体量少，速度方向与主通道平行，速度小，圆形凸起所起的作用不明显，而对与雷诺数较小时，沿主通道方向圆形凸起中的流体速度较与主通道中的速度差较小，液体在圆形凸起中易于产生二次流，促进混合效果。此外，随着锯齿型的混合单元的个数增加，混合效果进一步增强，呈现的关系如图7(c)所示，Re＝1时，当增加了圆形凸起结构的锯齿型具有八个微混合单元时，混合效率能够达到接近100％。能够满足多种微流控系统中液体操作的需要。

以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。

Claims (5)

1.一种锯齿型被动式微混合器，其特征在于：包括至少两个进液口(5)，与所述进液口连通的入口通道(1)、出口通道(2)、用于连通所述入口通道和出口通道的至少一个混合单元；所述混合单元包含多个与水平线呈45度的直线通道一(3)和135度的直线通道二(4)，直线通道一(3)和直线通道二(4)依次连通，构成锯齿型通道；当所述混合单元数量为两个或两个以上时，第一个混合单元的入口与所述入口通道连通，第一个混合单元的出口为第二个混合单元的入口，以此类推，最后一个混合单元的出口与所述出口通道(2)连通。

2.根据权利要求1所述的一种锯齿型被动式微混合器，其特征在于：与水平线呈45度的直线通道一(3)和135度的直线通道二(4)的两侧均设有至少一个凸起(6)，凸起呈交错分布。

3.根据权利要求2所述的一种锯齿型被动式微混合器，其特征在于：所述凸起为半圆形，用于产生二次流扰动层流液体，促进混合。

4.根据权利要求2所述的一种锯齿型被动式微混合器，其特征在于：所述直线通道一(3)和直线通道二(4)的宽度为50-200微米之间，所述凸起(6)半径为200-400微米之间，进一步提高整体混合效率。

5.根据权利要求1所述的一种锯齿型被动式微混合器，其特征在于：所述锯齿型被动式微混合器的蚀刻深度为50-200微米之间，保证采用简单的蚀刻工艺实现微混合通道的蚀刻加工。

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