TWI322032B - Microfluid mixer - Google Patents

Description

九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種微流體混合裝置，且特別是有 關於一種採用非線性電動（non-linear electrokinetics)流動設計原理的微流體混合裝置。 【先前技術】 如何在微小尺度下，使二種或多種流體在盡量短的時間内完 成混合的課題，近十年來在總體分析系統(TAS)、藥物輸送、生醫 檢驗以及快速的藥物偵測與化學偵測等領域引起了廣泛的興趣。 然而傳統上用來幫助混合的手段，例如I流、流場的三維性、與 以外力方式來擾動流場，均無法有效的應用在微尺度的情況。 其中，導致在微流體裝置中液體間混合困難的因素在於：一般 的操作條件下’例如，管道寬度丨„„„且流速丨咖/s，微管道中流 體的雷諾數(Reynolds number，Re)很低，流體於微管道中僅能用 層流(laminar flow)的形式移動，在紐流加加㈣fi〇w)的 作用下’流_親合通常只能藉由分子的擴散作絲達成。因 此’雖··裝置只有小的流動單元，但是單純靠擴散 作用來進行混合仍需魏長的咖，例如，對於-些低擴散係數 之生物分子’如大型蛋白質，其擴散係數㈣跡6 ▲，在寬度 ^ 1咖的管道中’生物分子間所需的混合時間t = //d大概要 +小時以上，這樣的混合_通常大於反應_，整個反應 1322032 過程屬擴散限制。 所以近年有許多人努力在設計不同的微流體混合裝置，以克 服系統中的擴散限制，其中微流體混合裝置可分為被動式混合器 (passive mixer)及主動式混合器（active mixer)。 被動式混合器主要是在微管道加入一些複雜的幾何結構，藉 以增加二流體間的接觸面積，縮短擴散距離來達到混合效果。根 據前言所述 Jacobson et al.，1999; Schwesinger et al.，1996;

Strook et al.，2002等人利用分流（fi〇w Spiitting)的概念設計 出平行並列的分支管道，以電壓驅動流體，並藉由流體在一連串 十子交錯的官道内產生分流的現象，達到增加流體的接觸面積， 如第1圖所示’圖被動式混合器i係利用分流技術來減少擴 散長度L或是利用管道底部的斜向溝槽來增加流體物質11、12的 橫向移動。但是此種被動式之複雜的幾何結構將會使得流場阻力 變大，而且製程更是困難，實行起來並不容易。 此外’當應用於電滲(electro-osmosis)或電泳 (electrophoresis)生物晶片上時，這些管道在角落處(c〇rner)有 很高的電位降’容易造成如蛋白f這些巨大分子聚集於拐角處。 主動式混合||這_混合H主要是#由在流場加人一可移動 的元件(moving parts)或是利用一外加電場、壓力來達到混合的 目的’如第2圖所示，其係繪示根據崎&吐&漏提出 一種電動流動不穩定現象（Instability 〇f electrQkinetic 6 icrochannel flows with conductivity gradients)來達到混合 目的之混合器2之示意圖。首先以嘴動幫浦2()將微流體A 231及 微流體B 232推至混合槽2卜接著藉由一高電壓放大器22在混合 糟21兩侧施加1〇3 v/cm及頻率2〇Hz之交流電壓，使混合槽21 内之兩微趙(微流體A、微流體B)產生不穩定的擾動現象，加速 兩流體之混合。此種具電滅動不穩定現象之混合麟有不錯的 成效，但在這混合器中需要很高的電位降（1〇3v/cm)，而這麼高的 電位降是很難應用到生物晶片進行生物分析的，容易使蛋白質分 子產生聚集現象。若欲克服上述的困難，可使用目前廣泛被利用 的電動流動技術來作為驅動力，而所產生之渦流強度會被電泳和 電滲的低速所限制。這樣的系統下，典型的電場1〇〇 v/cm，所產 生的電滲流流速仍小於Imm/s，混合強度是相當微弱的。 請參閱第3a圖，其係繪示根據Last〇chkin et al.，2004提 出 Electrokinetic micropump and micromixer design based on AC faradaic polarization所設計之混合器，在此圖中顯示於施 加AC電％強度下，於一底板3〇(b〇tt〇mwall)上設有呈不對稱之 正極(+)31及負極(-)32 (asymmetric亦指正極(+)31、負極(-)32 二電極配置於同平面且呈一直線狀），而產生一電滲流渦流 Celectro-osmotic flow)現象，以驅動微液體（未見於圖式）的流 動。其中，第3a圖中’線條較細之曲線代表電場，線條較粗實線 代表流場’且在一半週期期間，左側電極為正極(+)3i，右侧電極 1322032 根據本發明之上述目的’此微流體混合裝置包含一平板、一 - 電源供應器及一電極單元，其中平板設有一第一、一第二微流體 . 元件（fluidic element)、一腔室及一微通道單元，其中腔室係位 於第一與第二流體元件之間，而微通道單元具有至少二控制通 道，分別連通第一與第二微流體元件及腔室。電源供應器係提供 不同之電壓模式以提供前些微流體元件驅動之用。電極單元具有 二個分別位於該微通道單元之控制通道兩側之電極，其中，藉由 • 電源供應器供給兩電極之電壓以改變前述控制通道内的兩微流體 之電滲透(electro-osmosis)流場，致使兩微流體在混合槽製造出 劇烈的混沌(chaotic)混合效應。 【實施方式】 以下詳細地討論目前較佳的實施例。然而應被理解 的是，本發明提供許多可適用的發明觀念，而這些觀念 φ 能被體現於很寬廣多樣的特定具體背景中。所討論的特 定具體的實施例僅是說明使用本發明的特定方式，而且 不會限制本發明的範圍。 一般而5 ’大部分固液界面（s〇Hd-liquid interface)皆有電荷存在’而這些電荷將吸引電中性液 體中的異性離子（counter-ions)，如此一來靠近固體表 面的液體異性離子濃度將高於同性離子（co_ions)，因此 產生了 電雙層（electrical double layer，EDL)，亦稱 Debye layer。若以矽基（Sinca)材料而言，其管道壁面 9 1322032 的Sl-〇iI官能基在水溶液中進行解離時，會使得壁面產 '生負電荷（Si0_)，因而吸引電解液中帶正電荷的離子聚 - 集於壁面附近。 立如第4圖所示，係為電雙層及電位勢之離子分佈示 〜圖電雙層大致可分為兩部分：一是被吸附於管道壁 面固疋不動的帶正電荷離子，此層稱為固定層41 lay+er)。另一則為離管壁較遠且可移動的擴散離子，其 電荷密度隨著徑向距離的增加而急速遞減，此層稱為^ •散層 42(Diffuse layer)。而 Deybe length 則是代表電 雙層j特徵厚度43。電位勢在壁面時為最大，而隨著通 過固定層時迅速下降，在固定層41與擴散層42交界處 的電位勢稱為界面電位勢44r(Zeta potential)。 而當液體表面施加一個切線方向的電場，電雙層内 擴散層之淨電荷受到Maxwell應力的作用，由於電雙層 外側是電中性，所以Maxwel 1的應力是零。在電雙層中 的Maxwell應力正比於切線方向的電場強度，與黏^力 • 相平衡後會產生一個滑移速度（Sro〇l〇uch〇wski SUP)， 亦稱電渗透流流速，可被定義如下： V eo =/zeoE el fiecr ε ζ / η 其中’ Veo為溶液本身的電滲透泳動率，Eei為所始 加的電場強度，ε為溶液介電常數，= 為溶液的黏度，並如第5圖所示’該電滲透流流速移動 的狀態是由高壓電場51(施加的電場Eel)朝向低電位方 向以等速度流動。而電滲透流流逮大小的增減，除了改 1322032 變電場的強度之外，也可改變緩衝溶液的pH值，或是添 ‘- 加有機溶質，界面活性劑等，都可以用來改變電滲透流 •的大小。 依上述所言，本發明提出的一微流體混合裝置，藉 由一外加電場使其改變混合離子之電動移動率 (electrokineticmobility)，來作為技術實施說明，而 可以理解的是於下文中一些措辭（Item)如流體、微流體 及，及腔室、混合槽，及混合裝置、混合器，及微通道、 φ 微管道，及電極、微電極於本實施中皆可交互使用。 由第6圖所示，此圖顯示本發明微流體混合裝置之 示意圖。此微流體混合裝置6包含一平板7、一腔室73、 一具有一第一控制通道741及一第二控制通道742之微 通道單元、一電源供應器75及一具有陰陽極771 (cathodeanode)及陽陰極 772 (anodecathode)之電極 單元。平板7上設有一第一微流體元件71與一第二微流 體元件72。腔室73位於第一流體元件71與第二流體元 φ 件72之間，第一控制通道741用以連通第一微流體元件 71及腔室73,而第二控制通道742用以連通第二微流體 元件72及腔室73。電源供應器75可提供不同之電壓模 式DC/AC以作為微流體元件驅動之用。陰極771及陽極 772分別位於第一微流體元件71及第二微流體元件72 之周圍，藉由電源供應器75供給二電極之電壓以改變控 制通道内之前些微流體的電渗透（electro-osmosis)流 場，其中前述電極係為白金、銅、鈦、鉻、鋁或其他導 電性材料所製成，於本實施例以白金材料為代表例。以 1322032 下為本實施例之各實驗數值及各實驗圖示說明。 \ 生物晶片經常用來作為檢測’且為了方便觀察微流 ，-道中流體流動的狀態，所以選擇透明的高分子材料可方 便觀測。而在本實施中所採用的製程方式則類似一般的 模具製造方式。 如第7圖，此圖根據第6圖而繪示實驗—微流體混 合裝置之示意圖。首先在一塊熱塑十生的平板7(為介電材 料所製成，本實施例之平板係是共聚酯塑膠板 • (Co-polyester plastic sheet) ? 20mm x 40mm x 2mm) 上以機械方式鑽出三個相同大小直徑（3mm)的圓槽，此三 個圓槽係分別做為第一微流體元件71、第二微流體元件 72及混合槽73，並藉由直徑1 X lmm，長度12顏，且 呈筆直（straight)狀之一第一控制通道741及一第二控 制通道742分別與混合槽73相連，在第一微流體元件 71與混合槽73距離長度D1及第二微流體元件72與混 合槽73之間的距離長度！)2，兩者之間的距離長度比率 φ 範圍可為Dl: D2為1: 1至1:1〇，反之，亦使距離長度 比率範圍D2: D1為1 : 1至1:1〇(以本實施例為di: D2 為1.1)。其中經由前述兩微流體元件及兩控制通道之 直徑數據可知’此兩微流體元件之圓槽之直徑大於兩控 制通道之直徑1至3倍。 而為了減少此實驗中氣泡（bubbles)被產生，兩電極 77〗、772分別被放置在第一微流體元件71及第二微流體 兀*件72相隔距離一樣之處，且分別連接到電源供應器 75之正極（+)、負極（-)。 12 1322032 為將兩微流體於混合槽進行混合後，而能進行分析 本實驗之混合效益，本發明亦提供一種微流體混合樣品 分析之系統，如第8圖所示，其繪示本實驗之微流體混 合樣品分析之系統之架設示意圖。其中此系統80包含一 控制裝置81，及一取像裝置82，此取像裝置82係電性 連接於控制裝置81，前述控制裝置81係為一個人電腦， 及取像裝置82係為一攝影機或一照相機其中之一者，用 以拍攝出兩微流體於混合過程中之至少一影像訊號。並 利用個人電腦所内建一數位影像分析軟體（Sc i on I mage beta)來對實驗所擷取之影像圖來作分析。 下列敘述準備各實驗器材之工作條件： 1.選擇染色劑：除了微流體混合裝置本身的設計 外，對於混合的效益的評估亦是非常重要，目前評估的 方法，大致上藉由觀察染色劑或是酸驗度指示劑在混合 槽内的顏色變化，以進行量化分析。主要的分析方式包 含色度分析、螢光強度分析及酸鹼度指示，而本發明遂 採用色度分析方式，即係將兩微流體分別染上不同的顏 色，在混合的同時，藉由觀察兩微流體的顏色變化，來 評估混合情形。此本實驗中染色劑選用藍色及紅色的食 用色素（food-color)，所使用的食用色素之擴散係數比 小分子（less than 1000 Dal ton)在水裏的擴散係數小一 個量級（order)。此外利用 methylene blue 及 Rhodamine-6G將甘油（Glycerin)染色，以便看清微流體 流動的情形。染色劑的選用上，必需考慮染色劑的帶電 性，選擇不會穿透進入離子而阻塞所有重要的離子通道 之染色劑，所以在使用陽離子交換顆粒時選用一帶負電 13 1322032 荷的染色劑Rhodamine-6G，使用陰離子交換顆粒，採用 ‘ 正電荷methylene blue的染色劑，這二種染色劑於使用 ，前分別混進甘油試劑，藉由具有顏色的甘油試劑混合的 _ 情形來定量非線性電動混合器的混合效率。 2. 設定電源供應器可輸出不同之電壓模式（DC/AC) 範圍在 10 - 1000 Vrms/OD。 3. 在此第一微流體元件71與一第二微流體元件72 及腔室73内注滿去離子水（Deionized water)。 4. 使用一波形產生器，用以提供各式頻率、相位之 • 正弦波形、三角波形、方波形或其他類似功能之信號， 以提供一交流信號使前述電極產生介電泳力。 於實驗前，將一顆離子放置中間的混合槽，接著， 取二滴不同顏色的染料滴到中間的混合槽後，打開電源 供應器之交流電場或波形產生器，產生振幅為± 100 Vrms/cin之交流（AC)信號。於整個混合過程藉由攝影機拍 下，及使用數位影像分析軟體來對實驗所擷取之影像圖 來作分析，以進行混合效率的評估。 φ 當施加一正弦波之交流電場（94 Vrms/cm，100 kHz) 於混合槽時，時間經過Os、10s、20s、30s的混合情形， 其中二分離甘油試劑染色劑於30秒内能均勻混合。且於 交流電場下不產生具有淨電滲流、離子之淨電遷移，且 染色劑不會離混合槽太遠，如此一來可減少樣品被稀釋 的情形，而可將電極反應所釋放的氣泡（bubb 1 es)及污染 物降到最低。 經上述於交流電場下之混合實驗發現，離子之介電 質表面亦可藉由誘導極化的現象在表面上形成消散層而 U22O52 產生極化電位。當介電質表面被電場極化時，電解液中 -相反電性的離子會遷移到表面上並形成場誘導電雙層 ' (field—lnduced electrical double layer)。由於電雙 層就像電容器一樣具有蓄電的性質，可稱為電容蓄電 (capacitive charging)。對於在介電質表面產生Ac蓄 電的，點為電極可放置在另—個溶液槽裡，施加頻 率夠咼時，則電極表面產生的氣泡可以降低。 最佳的混合效率需要離子本身的移動現象，以及極 ♦ 化仙下產生的義二者同時存在才能達成、然而離子 產生的電遷移速度比離子的電泳速度快很多，因此，太 低的頻率會導致過多的染料滲漏出混合槽，所以，最佳 交流電場頻率大概i kHz t〇 i MHz之間，但此頻率數值 會因離子的大小及混合槽的尺寸而有所變動。 而為得到兩微流體較佳之螢光亮度辨識效果，本發 明之微流體混合裝置還須搭配前述混合樣品分析之系統 才可實施。再者，於使用此混合樣品分析之系統中，本 • 發明亦提供一種微流體混合樣品分析之方法，如第10 圖所示’圖繪示兩微流體混合樣品分析之方法之流程 圖’其中分析方法包含： 一/步驟100:提供一取像裝置，用以擷取混合樣品之 一彩色影像，並將彩色影像轉換為一相對應的灰階圖片； 步驟110:選取混合槽中間部分之混合樣品的灰階 圖片之灰階值（Gray scale)以進行數位化處理，以便分 析混合槽内染色劑的混合濃度。而為了避免計算到邊緣 處陰影處，於選取混合槽中間20個像素進行處理，此 15 20個像素大概包含混合槽之直徑的9〇%左右，以及 步'驟120:藉由個人電腦（亦指控制裝置）計算前些 ^階值之像素標準偏差值（standard deviation)，其中 月’J些像素標準偏差值可被用來描述一個影像區塊的顏色 複雜情形。 經由本發明的技術内容可知，所設計出微流體混合裝置經由 施加一交流(AC)信號於約10/zL的混合槽，可使介電質表面藉由 誘導極化的現象在表面上形成消散層而產生極化電位。當介電質 表面被電場極化時’電解液中相反電性的離子會遷移到表面上並 形成％誘導電雙層（field-induced electrical double layer)， 此％誘導電雙層如一電容蓄電(capacitive charging)—般❶而電 容蓄電效應的發生，可使陽極及陰極電極單元設置在混合槽的外 侧，如此可降低氣泡的產生，也可避免電極單元與樣品直接接觸。 藉此’再由一微流體混合樣品分析之系統與微流體混合裝置 整合下，可輕易的同時觀察兩微流體混合之影像訊號及評估混合 效率的量化情形。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用 以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之 精神和範圍内，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明 之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 1322032 【圖式簡單說明】 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施 例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下： 第1圖繪示習知之具有十字交錯管道之混合器。 第2圖繪示另一習知之具電動流動不穩定現象之混 合器。 第3圖繪示電極呈不對稱（asymmetric)產生AC電滲 流渦流現象。 第4圖繪示電雙層及電位勢之離子分佈示意圖。 第5圖繪示電滲流場速度分佈示意圖。 第 6 圖繪示依非線性電動（non-linear e 1 ectrokinet ics)流動機制所設計一微流體混合裝置之 示意圖。 第7圖係根據第6圖繪示實驗微流體混合裝置之示 意圖。 第8圖繪示之微流體混合樣品分析之系統之量測架 設不意圖。 第9圖繪示微流體混合樣品分析之方法之流程圖。 22 :高電壓放大器； 20 :微流體混合樣品分析之 系統； 21 :控制裝置； 【主要元件符號說明】 L ·擴散長度， 11、12 :流體物質； 2 ： 混合器； 20 :蠕動幫浦； 21 :混合槽； 17 1322032 22 :取像裝置； 231 : 第一微流體； 232 : 第二微流體； 30 :底板； 31 :正極（+); 32 :負極（-); 41 :固定層； 42 .擴散層， 43 :電雙層之特徵厚度； 44 :電位勢Γ ; 5 1 :高壓電場； 6 :微流體混合裝置； 7 :平板； 71 :第一微流體元件； 72 :第二微流體元件； 73 :腔室； 74 :微通道單元； 741 :第一控制通道； 742 :第二控制通道； 75 :電源供應器； 77 :電極單元； 771 :陰極； 772 :陽極；以及 100〜120 :步驟。

Claims (1)

1 11322032 十、申請專利範圍： !· 一種微流體混合裝置，包含 一平板，其中該平板設有： 一第一與一第二微流體元件（microfluid element); 一腔室，其係位於該第一與該第二微流體元件之 間’且該第一微流體元件、該第二微流體元件與該腔室 係呈直線狀排列； 一微通道單元，具至少二控制通道，分別連通該 第一與該第二微流體元件及該腔室； 一電源供應器，提供不同之電壓模式以產生一交 流信號’並作為該些微流體元件驅動之用，該交流信 號之操作頻率係界於ΙΚΗζ至1MHz之間；以及 一電極單元，具有二分別位於該微通道單元之控 制通道兩側之電極，藉由該電源供應器供給該些電極 之電壓’以改變該些控制通道内之該些微流體電滲透 (electro-osmosis)流場。 2.如申請專利範圍第1項所述之微流體混合裝置，其 中該平板為介電材料所製成。 Π •如申請專利範圍第1項所述之微流體混合裝置，其 中該電極單元係為白金、銅、鈦、鉻、銘之任一導 電性材料所製成。 4·如申請專利範圍第1項所述之微流體混合裝置，其 中該微流體混合裝置更包含一波形產生器，用以提 供各式頻率、相位之正弦波形、三角波形、方波形 Va2032 、 4年(yfl A修(¾正替換g 或其他類似功能之信號。 - — 如申請專利範圍第1項所述之微流體混合裴置， 中該些控制通道係呈筆直（straight)狀。、，/、 如申請專利範圍第1項所述之微流體混合裝 中該二控制通道之-控制通道連通 ：、 :及=之距離與另一控制通道連通該第= 體牛及該腔室之距離之距離比的範 1:10。 上•丄主 t申請專利範㈣1項所述之微流體混合裝置，其 該些微㈣7C件之直徑大於該些㈣通道之直徑 約1至3倍。 20