专利名称：微通道内利用低频间歇性磁场强化微混合的方法
技术领域：
本发明涉及的是微电子技术领域的一种方法，特别是通过低频间歇性磁场激发微流控芯片上的集成软磁体阵列以增强微混合效果的方法。
背景技术：
随着科学技术的飞速发展，微纳技术迅速向各个学科渗透，进而由于多学科的交叉发展而催生出新兴的前沿科技领域，微流控技术就是在这样的背景下产生和发展起来的。该技术将化学、生物及医学等领域中所涉及的采样、混合、反应、分离、检测以及细胞的培养、分选、裂解等基本操作集成到数厘米见方的芯片上，从而取代传统的生化实验室的功能，具有试剂耗量极微，检测速度极快，获取信息极多等优点。因此，微流控分析系统在生物、医学、节能、环境监测与保护等众多领域都具有十分广阔的应用前景。混合是任何生化反应得以进行的必要条件，也是微流控芯片中最基本和必需的操作。在微流控芯片内，复杂的生化样品中的目标物在得到分离和检测前，须先进行混合与反应，使得功能磁珠与样品中的目标物质通过生化反应的方式结合在一起，混合效果的好坏决定了生化反应的程度，反应进行的程度进而又决定了后续的分离与检测的效率。在微通道内，流体的雷诺数通常很小(一般小于10)，因而不能发生常规尺度下的湍动混合。在没有外在的扰动因素下，流体的混合仅仅靠扩散完成，混合效率很低，混合时间过长。混合不充分导致了生化反应进行得不完全，以至整个微系统分析效率低下；混合时间过长也成为了整个微分析系统的瓶颈，从而使微流控技术分析速度快的优势大为削弱。为提高混合效率，国内外学者对微通道内的混合进行了大量的研究。总体来说，可将强化混合的方式分为两类，即被动式混合和主动式混合。被动式混合利用微通道结构的变化(凹、凸、障碍物等)强化混合，其优点是不耗能，但强化混合的效果有限；主动式混合是利用外加热力、压力、电场力以及磁场力等扰动强化微混合的方式。与被动式混合相比， 主动方式强化微混合的效果更加理想。通过文献调研发现，目前对于利用磁场强化微混合效率的方式还存在以下不足(I)磁场扰动的方式多采用交变磁场甚至恒定的磁场，而事实上，磁珠受到的磁场力并不随外加磁场的方向改变而改变，而是与磁场梯度的方向相同， 因此间歇性的磁场扰动比交变磁场更有利于强化微通道内的混合效果；(2)目前的微混合器内的磁场由电线圈产生，受到焦耳热的限制，产生的磁场一般较弱，在流速较大时，磁场力不足以扰动流场，从而达不到强化混合的目的。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种利用间歇性磁场激发集成在微流控芯片上的软磁体阵列以强化微混合效率的方法，集成软磁体阵列在外加磁场的激发下产生较大的磁场梯度，使得原本轴向运动的磁珠在较强的磁场力下产生横向运动(与微通道轴向垂直)，磁珠的运动扰乱了微通道内的层流状态，间歇性的磁场力使得流体的横向运动和轴向运动周期性的交替发生，从而达到强化混合的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的，包括步骤如下步骤一，采用电镀等微加工工艺，在微通道的一侧集成软磁体阵列，软磁体之间等距布置。所述微通道的宽度为100-200 μ m,长度为l_3mm。所述的微通道一侧加工2-10个软磁体构成软磁体阵列，软磁体阵列厚度为 10-100 μ m,宽度为 50-100 μ m。所述的软磁体材料为镍或镍铁合金，软磁体大小均为ΙΟΟΧΙΟΟμπι，间距为 50 μ m0步骤二，在微通道内注入两股流体，两股流体具有相同的初速度和流量。一股为含有超顺磁磁珠的悬浮液，位于集成软磁阵列的对侧，一股为生化样品溶液，位于集成软磁体阵列的同侧。所述流体的初速度在O. 2mm/s O. 6mm/s之间变化。所述磁珠悬浮液浓度为IXlO16 I X IO17个/m3，质扩散系数为O. 9X10_nm2/ s-1. 7X 10 nm2/s 之间。步骤三，在芯片外施加间歇性的均匀磁场(由电磁线圈产生)，该均匀磁场激发软磁体阵列后，软磁体会产生一个高梯度的磁场，两磁场叠加后使得微通道内磁珠受到的磁场力增强，并诱发两股流体的轴向运动和横向运动交替出现，从而达到强化混合的目的。所述的外加均匀磁场的大小为O. 01T,频率在O. 5 20Hz之间变化。本发明利用磁珠受到的磁场力方向决定于磁场的梯度方向，而不随外磁场本身的方向改变而改变的特点，同时配合集成软磁体能够在微通道局部范围内产生较大的磁场梯度的优势，提出了间歇性磁场强化微混合的方式。由于常用磁珠的超顺磁性，即施加磁场时，磁珠的磁性较强，撤出磁场时，磁珠的磁性消失，这使得磁珠在施加磁场的半个周期内横向运动从而带动流体的横向扰动，而在未施加磁场的半个周期内磁珠又只沿着微通道轴向运动，如此交替往复(即间歇性的施加磁场力)，使得微通道内的混合效率大大提高。综合这些物理现象的机理和特点，设计了本发明的强化混合方法。本发明的混合方法，可以建立数学模型，通过耦合求解磁场方程，流体的连续性方程和动量方程以及浓度方程，分析间歇性磁场强化微混合的特性。本发明集成软磁体必须在外置磁场激发下才能产生磁场，因此，总磁场包括两部分，即外置磁场和软磁体在外磁场磁化下产生的磁场。总磁通密度B为外加均勻磁场的磁通密度Btl与软磁体产生的磁通密度B1的矢量叠加，即B = BcrHB1(I)考虑到软磁体的高磁导率及施加的外磁场较强，本发明的软磁体被饱和磁化,软磁体产生的磁场B1为
μ0^+^0Mes (in Q1)(2a)B1 =
{μ0Ηλ(in q)(2b)其中μ Q为真空磁导率(μ Q = 4 X 1(Γ7Ν/Α2) 为软磁体产生的磁场强度；Mes为软磁体饱和磁化强度；Q1表示软磁体区域；Ω2表示除软磁体外的其它计算区域。考虑到 H1 = - V φ1及\7 · B1 = O (高斯定律)，可得到磁标势Φ !满足
权利要求
1.一种利用低频间歇性磁场强化微混合的方法，其特征在于包括如下步骤步骤一，采用电镀等微加工工艺，在微通道的一侧集成软磁体阵列，软磁体之间等距布置；步骤二，在微通道内注入两股流体，两股流体具有相同的初速度和流量，一股为含有超顺磁磁珠的悬浮液，位于集成软磁阵列的对侧，一股为生化样品溶液，位于集成软磁体阵列的同侧；步骤三，在芯片外施加间歇性的均匀磁场，该均匀磁场激发软磁体阵列后，软磁体会产生一个高梯度的磁场，两磁场叠加后使得微通道内磁珠受到的磁场力增强，并诱发两股流体的轴向运动和横向运动交替出现，从而达到强化混合的目的。
2.根据权利要求I所述的微通道内利用间歇性磁场强化微混合的方法，其特征是，所述的微通道一侧加工2-10个软磁体构成软磁体阵列，软磁体阵列厚度为10-100 μ m,宽度为 50-100 μ m。
3.根据权利要求I或2所述的微通道内利用间歇性磁场强化微混合的方法，其特征是， 所述微通道的宽度为100-200 μ m，长度为l-3mm。
4.根据权利要求I或2所述的微通道内利用间歇性磁场强化微混合的方法，其特征是， 所述的软磁体材料为镍或镍铁合金，软磁体大小均为100X 100 μ m,间距为50 μ m。
5.根据权利要求I所述的微通道内利用间歇性磁场强化微混合的方法，其特征是，所述流体的初速度在O. 2mm/s O. 6mm/s之间变化。
6.根据权利要求I所述的微通道内利用间歇性磁场强化微混合的方法，其特征是，所述的磁珠悬浮液浓度为I X IO16 2 X IO17个/m3。
7.根据权利要求I或6所述的微通道内利用间歇性磁场强化微混合的方法，其特征是， 所述的磁珠悬浮液的质扩散系数为O. 9X 10_nm2/S-l. 7X 10_nm2/s之间。
8.根据权利要求I所述的微通道内利用间歇性磁场强化微混合的方法，其特征是，所述的间歇性的外加均匀磁场频率在O. 5 20Hz之间变化。
9.根据权利要求I或8所述的微通道内利用间歇性磁场强化微混合的方法，其特征是， 所述的间歇性的外加均匀磁场的大小为O. OlTo
10.根据权利要求I所述的微通道内利用间歇性磁场强化微混合的方法，其特征是，连续流入微通道内的两股流体在经过混合后又连续的从微通道出口流出。
全文摘要
本发明公开一种微通道内利用低频间歇性磁场强化微混合的方法，该方法在微通道的一侧壁面加工微小的软磁体阵列；在微通道内注入具有相同的初速度和流量的两股流体，即含有超顺磁磁珠的悬浮液和生化样品溶液；在芯片外施加间歇性的均匀磁场，使软磁体在外加均匀磁场的激发下产生新的磁场。由于软磁体阵列中各个磁体产生的磁场的相互叠加以及与外加磁场的叠加，使得微通道内磁珠受到的磁场力沿着微通道轴线方向呈现出正负交替的空间变化，这种空间正负交替变化的磁场力随着外加间歇性磁场而时有时无，从而诱导微通道内的磁珠横向运动和轴向运动的交替出现，磁珠的运动扰乱了微通道内的层流流动，达到强化微混合的目的。
文档编号B01F13/08GK102580603SQ20121005878
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月7日 优先权日2012年3月7日
发明者吴信宇, 吴慧英, 胡定华 申请人:上海交通大学