專利名稱：非對稱分離重組扇形空腔結構微混合器的制作方法
技術領域：
本發明涉及生物芯片和微全分析系統中液體微混合的技術領域，這種基于平面內非對稱分離重組微混合原理的被動式微混合器結構能有效提高不同液體之間的混合強度， 實現微尺度下流體的快速混合。
背景技術：
伴隨著大量流體系統微型化趨勢的發展，微流控系統特別是微泵、微閥和微混合器的研究得到了重視。基于塑料基底的微細加工技術快速發展為微流控microfIuidics在生物芯片及微全分析系統關于生物分析、化學合成和臨床測試等應用中具有越來越重要的作用。由于在兩股或多股流體進行化學反應時，必須解決它們之間的有效混合，因而微混合器是微流控中的重要組成部分，實現微尺度下流體的快速混合也變得至關重要。根據有無外界動力源的情況，用于微流動系統中的微混合器可分為主動式微混合器和被動式微混合器。而后者區別于前者最大的特點是混合器不需要額外提供動力，通過借助各種不同形狀和結構的微通道來控制混合過程。混沌對流和優化通道結構是加強被動式微混合器中流體擴散和混合的最佳選擇。許多具有較好混合效果的被動式微混合器都借助混沌對流增加了流體間的拉伸與折疊，大大增加流體間的接觸面積加強混合。平面內分離重組微混合是較為常見被動式微混合結構，它通過提高混合工質對流強度以形成大量流體片層，從而增大混合工質的接觸面積利于混合。微混合器借助此方法可以在有限的通道長度內會的較高的混合效果。
發明內容
本發明的目的是從快速高效原則出發，提出了一種結構簡單，加工便易的單一平面式液體微混合器，用于實現在生物芯片或微全分析系統中不同液體之間的快速均勻混合，強化混合效果，加速混合時間。本發明在T型微混合器上等距布置圓環形非對稱分離重組通道和扇形空腔結構， 借助微混合通道幾何形狀變化來加大擾動，即在二維度平面內增加擾流度，大大提高了加工簡便的單一平面式被動微混合器的混合效果。本發明采用如下技術方案非對稱分離重組扇形空腔結構微混合器，在T型微混合器的主 通道3上分離出半圓環形主次通道4和副次通道5，主次通道4的寬度小于副次通道5的寬度，主次通道4和副次通道5構成圓環形非對稱分離重組通道，并在主次通道4上排布扇形空腔結構6，每一個圓環形非對稱分離重組通道采用相對方向交叉排布的方式沿主通道的軸向等距布置。主次通道4與副次通道5的寬度值之和恒等于主通道3寬度。主次通道4和副次通道5所在圓環結構的圓心位置固定在主通道3的中心線上。主次通道4與扇形空腔結構6之間滿足關系w3/wl = 3 1，其中w3表示扇形空腔結構6的寬度，wl表示主次通道4的寬度。
本發明的工作原理是兩種不同組分流體從不同通道入口流進微混合器，在T型通道內匯合并完成極少程度擴散后共同流入主通道。此時的擴散僅限于分子擴散，程度很弱。隨后，主通道分離成不同通道寬度的兩個次通道，經過半圓周長路程后再次匯合。而在主次通道上該微混合器布置了扇形空腔結構。當流體流經次通道時，主次通道內的質量流速遠大于副次通道的質量流速。因此，主次通道內流經流體的慣性力也大于副次通道內流體的慣性力。慣性力的不同導致流體在流經不同寬度次通道后在匯合處形成了不平衡碰撞。每次流體在匯合處發生碰撞后，副次通道內的流體則在主次通道流體慣性力的帶動下改變流動方向，與主次通道內大部分流體一同流入下一單元的主次通道。流體經過N個相同循環單元后從微混合器通道出口流出，完成混合過程。本發明具有下列優點與效果 1非對稱分離重組扇形空腔結構微混合器彎曲通道內Dean渦系運動，交叉通道區分離重組現象和扇形空腔突擴與突縮結構等多種混合機理產生的疊加效應最大程度上提高了液體工質的混合強度；2扇形空腔的突擴結構的存在使混合工質流體在扇形空腔結構的入口處形成了擴展渦系，對微通道內層流流動產生了較大擾動，加大了不同工質流體之間的接觸面積，進而增強其混合效果；3變截面突縮結構提高了扇形空腔內流體的質量流速，加劇了流體進入下一循環單元前的不平衡碰撞，從而進一步加大擾動；4與其他類似的T型結構微混合器相比，由于各種混合機理發生在不同維度平面內，該微混合器的混合效果有明顯提高，這也是其區別于其他T型結構微混合器的創新之處。
圖1為本發明中提到的非對稱分離重組扇形空腔微混合器結構平面示意圖。圖2為微混合器結構的三維示意圖。圖3為微混合器的玻璃底板示意圖。圖4為微混合器的上玻璃蓋板示意圖。圖中1、通道入口，2、通道入口，3、主通道，4、主次通道，5、副次通道，6、扇形空腔結構，7、通道出口，8、分離重組結構循環單元中心節距。
具體實施例方式實施例下面結合附圖及非對稱分離重組扇形空腔微混合器在納米流體制備中的應用對本發明作進一步的描述在納米流體的一步法制備中，為了控制反應生成的納米顆粒粒徑大小，需要對通入T型微通道內的兩種不同反應物進行充分混合。因而用于混合的微混合器是微流控系統中重要組成部分，實現微尺度下流體的快速混合同樣至關重要。該微混合器由玻璃材質加工而成，先在玻璃底板上用化學濕法刻蝕的方法加工出具有非對稱分離重組扇形空腔結構的微混合器通道，然后與在相對通道出入口位置上打孔的耐熱玻璃進行高溫鍵合，封閉玻璃底板的微混合器通道。在玻璃上蓋板預留的三個孔布置接口，連接特氟隆塑料導管后完成實驗件封裝準備。 如圖1所示，本實施例中的微混合器通道深度為200 μ m，由4個相同的非對稱分離重組扇形空腔結構6組成，采用相對方向交叉排布的布置方式。該微混合器的主通道3 的寬度為0. 3mm，為保證流體流經不同寬度通道時質量流量的恒定，主次通道4與副次通道 5的寬度值之和恒等于主通道3的寬度。非對稱分離通道的主次通道4與扇形空腔結構6 之間滿足關系W3ZV1 = 3 1，其中W3表示扇形空腔結構6的寬度，Wl表示主次通道4的寬度。玻璃上蓋板對應出入口的位置三個孔洞直徑為600 μ m。用于制備納米流體兩種不同組分不同濃度的反應物流體在微注射泵的壓力驅動下從圖中所示的通道入口 1和通道入口 2流入T型微通道，并在進入主通道前會合與主通道中心線位置處，且完成了程度很弱的分子擴散，形成明顯的分界面后共同流入主通道3。 隨后，主通道3由于不對稱分離通道結構被分割流入不同通道寬度的兩個次通道，經過半圓周長路程后再次匯合，流體流經主次通道4的過程中會流過布置在其上的扇形空腔結構 6。同時，由于次通道的不對稱布置，主次通道4內的質量流速遠大于副次通道5的質量流速。即主次通道4內流經流體的慣性力也大于副次通道5內流體的慣性力。慣性力的不同導致流體在流經不同寬度次通道后在匯合處形成了不平衡碰撞。每次流體在匯合處發生碰撞后，副次通道5內的流體則在主次通道流體慣性力的帶動下改變流動方向，與主次通道4 內大部分流體一同流入下一單元的主次通道4。流體經過N個相同循環單元后從微混合器通道出口 8流出，完成混合過程。微混合器的混合效能評定標準由混合強度M值來判斷，該值介于0與1之間，其中混合強度為0表示組分間完全無混合發生，混合強度為1表示組分間混合進行的非常徹底，實際中混合強度越大表示混合進行的越充分。通過模擬試驗表明， 在一定入口 Re數條件下，非對稱分離重組扇形空腔微混合器的混合強度值可達到75%左右，完全滿足納米流體制備中的化學反應需求。
權利要求
1.非對稱分離重組扇形空腔結構微混合器，其特征在于在T型微混合器的主通道(3) 上分離出半圓環形主次通道(4)和副次通道(5)，主次通道(4)的寬度小于副次通道(5)的寬度，主次通道(4)和副次通道( 構成圓環形非對稱分離重組通道，并在主次通道(4)上排布扇形空腔結構(6)，每一個圓環形非對稱分離重組通道采用相對方向交叉排布的方式沿主通道的軸向等距布置。
2.根據權利要求1所述的非對稱分離重組扇形空腔結構微混合器，其特征在于主次通道⑷與副次通道(5)的寬度值之和恒等于主通道(3)寬度。
3.根據權利要求1所述的非對稱分離重組扇形空腔結構微混合器，其特征在于主次通道(4)和副次通道(5)所在圓環結構的圓心位置固定在主通道(3)的中心線上。
4.根據權利要求1或權利要求2所述的非對稱分離重組扇形空腔結構微混合器，其特征在于主次通道(4)與扇形空腔結構(6)之間滿足關系W3ZV1 = 3 1，其中W3表示扇形空腔結構(6)的寬度，W1表示主次通道的寬度。
全文摘要
本發明公開了是一種非對稱分離重組扇形空腔結構微混合器，其應用涉及生物芯片和微全分析系統中液體微混合等多個技術領域。該被微混合器的非對稱分離重組扇形空腔結構通過提高混合工質對流強度以形成大量流體片層，從而增大混合工質的接觸面積利于混合。本發明的主要技術方案是在T型微混合器上等距布置圓環形非對稱分離重組通道和扇形空腔結構，借助微混合通道幾何形狀變化來加大擾動，即在二維度平面內增加擾流度，大大提高了加工簡便的單一平面式被動微混合器的混合效果。與其他類似的T型結構微混合器相比，由于各種混合機理發生在不同維度平面內，該微混合器的混合效果有明顯提高。
文檔編號B01F5/06GK102151504SQ20111004839
公開日2011年8月17日 申請日期2011年2月28日 優先權日2011年2月28日
發明者吳宏杰, 周明正, 夏國棟, 李健 申請人:北京工業大學