专利名称：一种混合器及使用该混合器的微流体芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微混合器，特别是一种U形微混合器。本发明还涉及一种微流体芯片，其使用该微混合器。
背景技术：
随着微流体技术的出现，如何实现微米量级 流体的良好混合这一重要问题受到广泛关注，但是，在微米量级管道中，由于尺寸的原因，压力驱动流和惯性不稳定性都受到了微流体粘性的限制。一般而言，样本混合的方法可以分为两类扩散和对流。尽管较长的混合长度并不意味着有效的混合，但是针对增强样品混合效果这一目的，增加混合长度依旧是被广泛采用的方法之一，而且，弯曲部分的采用也频繁出现在微小管道的设计中。因此，研究弯曲微小管道中的样品混合很重要，实际上，针对压力驱动微管道中的流体混合已经开展了很多的工作，并且研究表明，越高的雷诺数标志着越为有效的样本混合效果。CN101716473公开了一种芯片内微混合器，其使用独特的凹槽设计来增强混合效果。近年来，Ajdari研究了不均匀壁面电势周围的电渗流现象，并在施加与微管道壁面电势相反电势的壁面周围发现了涡旋区域。Fu发现壁面电势的突变会导致速度剖面轮廓以及压力分布的显著变化。这一现象同样被Stoock和Erickson在试验中发现，并且他们对这些涡旋区域进行了研究，并将其作为增强T形微流体设备中混合效果的一种方法。Oddy通过正弦规律变化的电场对流体进行混合，而Hao Lin则采用了存在电导率梯度的电动微流体流的不稳定性来促进样本混合。通过上述一些研究人员的研究成果，我们可以看至IJ，流场的不稳定性以及高雷诺数流体中电渗流作用诱导出的涡旋可以在某种程度上应用到样本混合中，但是，对于微管道而言，样本混合和传输能力之间有一个权衡折中。然而，电渗流本身具有一些缺点，比如说，i)为了获得必要的电场强度，我们必须对整个系统施加很强的外加电场，这样会产生焦耳热并且对原有电场以及微管道中的流场仅具有很少的直接控制效果(Bazant&Squires 2010) ；ii)能够减弱Faradaic反应和焦耳热效应的交流电场，会产生出零时间平均流量。幸运的是，最近由Ramost et al.和Ajdari发现，这些缺点不会出现在诱导电渗流(ICEOF)中。与电渗流不同，ICEOF是由于外加电场与静止可极化表面周围诱导出的扩散电荷之间的相互作用所产生的。最初的原始方案中，包括一个放置在电解质溶液中的可被理想极化并且离子无法渗入的圆柱体。当对该溶液施加外加电场时，法拉第电流会另圆柱体的表面带电，并因此产生一个极化德拜层。于此同时，颗粒本身自己也被极化。电场对颗粒自身诱导出的德拜层施加洛伦兹力，并因此产生出速度场(Squires&Bazant 2004)。和EOF相比，由于诱导电渗流速度与外加电场之间的非线性对应关系，ICEOF可能会具有更高的速度。这些特有的性质很有可能会引领出微米量级流体和纳米量级流体中的新应用。近期的研究包括，将ICEOF应用到混合和流体控制中(Wu&Li 2008a, b)以及存进搅拌和混和的对流效应(Zhao&Bau 2007a，b)，颗粒一壁面之间的相互作用(Wu&Li2009)以及颗粒一颗粒相互作用(Saintillan 2008; Wu et al. 2009)，非球状颗粒(Yariv2005a, b;Squires&Bazant 2006;Saintillan et al. 2006a;Yossifon et al. 2007;Yariv2008)以及悬架动力学(Saintillan et al. 2006a, b; Rose et al. 2007)。总的来说，ICEOF可以被采用到微流体设备中的泵以及混合器的设计中，然而在驱动和混合效率之间存在一个折中。
发明内容
本发明的目的是应用ICEOF在微流体驱动和混合方面的效应，给出U形封闭微管道高效混合器的设计方案，实现流体驱动和混合效率的良好折中。为实现上述目的，本发明是通过如下技术方案来实现的在U形微管道中分别嵌入导电的圆柱体和双面不同性质的圆柱体，向微管道施加直流电场，两圆柱体分别发挥混合器和泵的作用。即，将泵和混合器两个单元分别进行设计，并将它们在U形微管道中结合成一个整体，进而得到具有由于ICEOF诱导出的高流量的高效率混合器。 与现有技术相比，本发明的优点在于(I)实现了有效混合和高流量的良好折中，Mix-eff在各电场强度下保接近于I ;(2)将混合和泵进行了分别设计，无需将混合效率和流量大小进行取舍对立，真正实现高效；(3) ICEOF的应用，使得混合距离显著减小，实现真正意义上的微混合。一种混合器，包括第一入口、第二入口、出口、管道和三通，三通连接第一入口、第二入口和管道，出口位于管道的另一端，其特征在于还包括驱动部件、混合部件；驱动部件和混合部件安装在管道内。优选的是，第一入口、第二入口和出口设置有电极。在上述任一方案中优选的是，第一入口和第二入口的电极为同一极，出口为另外一极。在上述任一方案中优选的是，驱动部件由金属部分和非金属部分组合而成。在上述任一方案中优选的是，金属部分比非金属部分更靠近三通。在上述任一方案中优选的是，驱动部件由非金属制成，其靠近三通的部分表面镀有金属镀层，远离三通的部分表面没有金属镀层。在上述任一方案中优选的是，驱动部件为圆柱形。在上述任一方案中优选的是,混合部件由金属制成。在上述任一方案中优选的是,混合部件为非金属制成，表面镀有金属镀层。在上述任一方案中优选的是，混合部件为圆柱形。在上述任一方案中优选的是，混合部件与驱动部件平行的布置在管道内。在上述任一方案中优选的是，驱动部件比混合部件更靠近三通。在上述任一方案中优选的是，混合部件比驱动部件更靠近三通。在上述任一方案中优选的是，驱动部件和混合部件布置在管道中，靠近三通且远离出口的一侧。在上述任一方案中优选的是，管道由非金属制成。在上述任一方案中优选的是，管道呈U形。在上述任一方案中优选的是，管道的U形弯折部分位于驱动部件和混合部件的下游。
—种芯片,包括上述任一种混合器。优选的是，该芯片由聚二甲基硅氧烷制成。
为了使本发明便于理解，现在结合附图描述本发明的具体实施例。图I为按照本发明的第一实施例的U形微混合器的结构示意图；图2为按照本发明的第一实施例的U形微混合器的数值模拟采用的网格示意图；图3为按照本发明的第一实施例的U形微混合器内施加403KV/m的电场时，U形微混合器微管道内的流线图；图4为按照本发明的第一实施例的U形微混合器内施加403KV/m的电场时，U形 微混合器微管道中的浓度场示意图；图5为按照本发明的第一实施例的U形微混合器内施加不同强度的电场时，微小管道出口处混合效率(Mix-eff)的曲线图；图6按照本发明的第一实施例的U形微混合器内施加403KV/m的电场时,场强矢量图以及场强大小等值线图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述。实施例一如图I所示，微混合器包括第一入口 I、第二入口 2、出口 3、驱动部件4、混合部件
5、管道8和三通9。第一入口 I和第二入口 2通过三通9和管道8连接在一起，三通9和出口 3分别位于管道8的两端。驱动部件4和混合部件5依次安装在管道8内。在一种优选的方案中，驱动部件4在管道8中的位置比混合部件5在管道8中的位置更靠近三通9 ;在另一种优选的方案中，混合部件5在管道8中的位置比驱动部件4在管道8中的位置更靠近三通9。驱动部件4和混合部件5优选为布置在管道8中靠近三通9的部分，与出口 3之间具有相对较远的距离。管道8由非金属制成，可以为任意形状，优选为U形。且U形的弯折部分位于驱动部件4和混合部件5的下游，相对更靠近出口 3。驱动部件4布置在管道8内，驱动部件可以为任意形状，优选为圆柱形。驱动部件4由金属部分6和非金属部分7组合而成，金属部分6比非金属部分7更靠近三通9。在另一优选方案中，驱动部件4由非金属制成，靠近三通9的部分6，表面上镀有金属镀层，驱动部件4远离三通9的部分7，没有金属镀层。混合部件5由金属制成。在另一优选方案中，混合部件5由非金属制成,表面镀有金属镀层。混合部件5固定在管道8内，优选为圆柱形，与驱动部件4平行的布置在管道8内。要混合的样品从第一入口 I和第二入口 2流入后，顺序经过三通9、驱动部件4和混合部件5，最后从出口 3流出。在第一入口 I、第二入口 2和出口 3设置电极，以第一入口 I和第二入口 2为一极，以出口 3为另外一级，建立电压，则会形成如图6所示的场强分布图。在电场的驱动下，混合器内的样品按图3所示的流线图流动。从第一入口 I和第二入口 2流入的不同类型的样品，在管道8内混合，浓度变化如图4所示。图I中，Wl为第一入口 I和第二入口 2之间的距离，W2为圆柱形障碍物中心到侧壁面的距离，W3为微管道的宽度，LI为双面不同性质的圆柱体中心到样本交界面的距离，L2为两圆柱形障碍物之间的距离，L3为U形管道中直管道部分的长度，R为U形管道弯曲部分的半径，Dl为导电圆柱形障碍物5的直径，D2为双面不同性质的圆柱形4障碍物的直径。(I)数学模型假定流体是稳态不可压缩流体，并且流体是靠ICEOF驱动的，流体的动量方程如
下所示
权利要求
1.一种混合器，包括第一入口(I)、第二入口(2)、出口(3)、管道(8)和三通(9)，三通(9)连接第一入口(I)、第二入口(2)和管道(8)，出口(3)位于管道(8)的另一端，其特征在于还包括驱动部件(4)、混合部件(5);驱动部件(4)和混合部件(5)安装在管道(8)内。
2.如权利要求I所述的混合器，其特征在于第一入口(I)、第二入口(2)和出口(3)设置有电极。
3.如权利要求2所述的混合器，其特征在于第一入口(I)和第二入口(2)的电极为同一极，出口(3)为另外一极。
4.如权利要求I所述的混合器，其特征在于驱动部件(4)由金属部分(6)和非金属部分(7)组合而成。
5.如权利要求4所述的混合器，其特征在于金属部分(6)比非金属部分(7)更靠近三通(9)。
6.如权利要求I所述的混合器，其特征在于驱动部件(4)由非金属制成，其靠近三通(9)的部分(6)表面镀有金属镀层，远离三通(9)的部分(7)表面没有金属镀层。
7.如权利要求1-6中任一项所述的混合器，其特征在于驱动部件(4)为圆柱形。
8.如权利要求I所述的混合器，其特征在于混合部件(5)由金属制成。
9.如权利要求I所述的混合器，其特征在于混合部件(5)为非金属制成，表面镀有金属镀层。
10.一种微流体芯片，其包括权利要求1-9中任一种混合器。
全文摘要
本发明涉及一种混合器，包括第一入口(1)、第二入口(2)、出口(3)、管道(8)和三通(9)，三通(9)连接第一入口(1)、第二入口(2)和管道(8)，出口(3)位于管道(8)的另一端，还包括驱动部件(4)、混合部件(5)；驱动部件(4)和混合部件(5)安装在管道(8)内。本发明还涉及采用了按照本发明的混合器的微流体芯片。
文档编号B01L3/00GK102872735SQ20121034708
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月19日 优先权日2012年9月19日
发明者张凯, 林建忠, 于明州, 秘晓静, 邢彦华 申请人:中国计量学院