本发明属于微流控设备相关领域，更具体地，涉及一种基于共平面线圈组的微流控快速混合器，其能够沿着混合通道轴向方向形成多个旋转磁场域，并使得流体获得高效、高质和更大范围的混合效果。
背景技术：
微量液体的混合是实现临床生化反应的重要步骤。由于微量元素成分和质量的严格要求，许多定量分析的微型生化分析中的液体需要微升、纳升级的控制，传统的混合方式已经很难达到这种需要，相应地，基于微流控芯片的微混合系统研究作为一个全新领域获得了长足发展。目前对于微流体的混合系统从大体上分主要包括静态型与动态型两种，其中前者依靠液体自身的相互扩散，这种方式需要的反应时间长，难以满足快速混合的要求；后者是通过外力加速微流体的流动，现有的研究包括电磁驱动型、热驱动型、超声波驱动型等，由于其总体上混合速度相对更快，因此近年来关于动态型的实验室研究取得了很大的进展，但并未付诸于实际应用领域中，其重要原因是工艺复杂或者应用领域比较窄。
具体而言，例如liang-hsuanlu等人利用mems技术开发出了阵列式的微马达，该微马达可在外部磁力驱动下高速旋转来实现微流体的混合，但其制作工艺复杂，很难实现大范围的推广；evan采用高温产生的水蒸气在多重循环腔内来回流动，使得流体分子混沌充分混合，但该方式对于在热作用下性质受到影响的液体并不适用，因而其应用范围受到了很大的限制；此外，h.monnier等人利用声学气穴现象产生紊流，国内zhenyang的国内人基于聚焦超声波可扰动流场产生小涡旋，从而利用pzt产生振动超声波并聚焦于流场以提高混合效果，然而这类方式同样只能在小范围内引起较好的混合，因而实际中难到充分混合效果。相应地，本领域亟需作出进一步的研究和设计，以便更好地符合实际应用下的复杂需求。
技术实现要素：
针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供了一种基于共平面线圈组的微流控快速混合器，其中通过结合微流控快速混合系统自身的应用需求，针对性地对其关键组件如多个共平面线圈组的组成结构、设置方式和工作原理等多个方面做出设计，同时对混合系统的整体布局构造做出改进，相应能够以结构紧凑、便于质量控制的方式执行实际应用场合下的微流控快速混合功能，并且其混合速度快、节能性能好，便于后期分离，因而尤其适用于面向较大范围执行微流控快速混合的应用场合。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于共平面线圈组的微流控快速混合器，该微流控快速混合器包括第一入口、第二入口、第三入口、出口、混合通道以及多个线圈组单元，其特征在于：
所述第一入口、出口分别设置在所述混合通道的水平两侧，其中该第一入口用于注入磁性纳米粒子，并使其沿着所述混合通道运动直至经由所述出口导出；所述第二入口、第三入口相对于所述第一入口对称设置在其上下两侧，这两个入口分别用于注入待混合的一种流体，两种流体经由支管交汇至所述混合通道，然后沿着此混合通道继续运动直至经由所述出口导出；此外，上述第一入口、第二入口、第三入口、出口和混合通道均被布置处于同一平面p内；
所述多个线圈组单元沿着所述混合通道的轴线方向而依次布置且全部处于所述同一平面p内，其中各个线圈组单元均由水平布置在所述混合通道轴线上方的第一线圈和第二线圈、以及同样水平布置在所述混合通道轴线下方的第三线圈和第四线圈组成，并且所述第一线圈与第四线圈之间、所述第二线圈与第三线圈之间各自相对于所述混合通道轴线呈上下对称布置；此外，在执行流体混合操作时，该第一线圈用于通入预定频率和幅值的交流电流，该第二线圈用于通入与所述第一线圈相同频率和幅值且相位超前或滞后90度的交流电流，该第三线圈用于通入与所述第二线圈相同频率和幅值且相位超前或滞后90度的交流电流，而该第四线圈则用于通入与所述第三线圈相同频率和幅值且相位超前或滞后90度的交流电流。
通过以上构思，基于法拉第电磁感应定律，每一只线圈将会在其周围空间产生磁场，并导致在混合通道所处平面p也将产生混合磁场，由于采用上述布置，当线圈交变电流以一定频率进行变化时，各个线圈在微混合通道平面引起的磁场强度也发生变化；一方面，当四只线圈通入如前所述变化电流时，四只线圈所围的微混合通道平面会产生旋转磁场区域，而磁性纳米粒子运动到此旋转磁场区域时，会在其施加的磁偶力矩作用下产生旋转运动，此旋转运动可进一步有效带动两种不同液体之间的融合，从而加速了其混合方向沿圆周的变化；另一方面，由于沿着微混合通道的流动方向还依次布置有多个上述旋转磁场区域，相应可在不影响操作的前提下根据需求灵活、方便地进行旋转磁场的数量调整，从而在更长距离和范围内获得高质量的流体混合效果。
作为本发明的进一步优选方案，所述磁性纳米粒子优选为四氧化三铁材质。
作为本发明的进一步优选方案，对于所述线圈组单元的各个线圈而言，其所通入的交流电流的频率优选被设定为60hz，其幅值优选被设定为1a。
作为本发明的进一步优选方案，所述第一线圈、第二线圈相对于所述混合通道的间距优选被设计为1mm～3mm。
作为本发明的进一步优选方案，经由所述第二入口、第三入口所注入的两种流体在所述混合通道交汇后，优选以40μm/s～100μm/s的速率继续运动。
作为本发明的进一步优选方案，所述磁性纳米粒子与所述两种流体之间的混合比优选设计如下：磁性纳米粒子的质量：两种流体的总体积＝10μg～25μg：1μl。。
作为本发明的进一步优选方案，所述磁性纳米粒子与所述两种流体的混合物经由所述出口导出后，优选直接采用外部磁场作用使得磁性纳米粒子予以沉淀，由此完成与流体之间的分离。
作为本发明的进一步优选方案，所述两种流体优选为化学或生物医学所用的药品且其颗粒为微米量级。
总体而言，按照本发明所构建的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1、通过对本微流控混合器的关键组件如多个入口、流体通道以及共平面线圈组的布局设计，同时对各个线圈组内部及彼此之间的配合工作方式的研究，测试表明可沿着流体输送的混合路径方向产生不断旋转的磁场，由此经由磁性纳米粒子自身的旋转，从微观层面显著加速搅拌混合过程；此外，还可在不影响操作的前提下根据需求灵活、方便地进行旋转磁场的数量调整，从而在更长距离和范围内获得高质量的流体混合效果；
2、本发明还进一步对影响上述工作机理的一些关键指标参数如线圈间距、磁性纳米粒子与流体的混合比、运动速率等作出了研究和设计，实际测试表明，上述优化参数设计可确保整个基于旋转磁场域的流体混合体系执行更为有效、高效的操作处理，而且由于上述线圈本身均可设计为集成在微流控芯片上的微型结构，可采用mems工艺制备，不仅整体系统体积很小，而且只需要较小的驱动电能即可实现较大的驱动力，因而便于实际产业化制造和使用；
3、按照本发明的上述混合器整体结构紧凑、设计巧妙，便于操作和质量控制，二期采用磁性纳米粒子作为加速混合的中间物易于获得，成本低廉，同时又能充分发挥其与多种流体之间的高效混合效果，最终所获得液体可以直接通过外磁场作用使得磁性纳米粒子沉淀在底部而实现与混合液体的分离，因而尤其适用于大规模工业应用的场合。
附图说明
图1是按照本发明示范性显示的微流控快速混合器的整体结构示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-第一线圈2-第二线圈3-第三线圈4-第四线圈5-第二入口6-第一入口7-第三入口8-混合通道9-出口
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明示范性显示的微流控快速混合器的整体结构示意图，如图1中所示，该微流控快速混合器只要包括第一入口6、第二入口5、第三入口7、出口9、混合通道8以及多个线圈组单元(图中示范性显示了2个线圈组单元的结构)，下面将对这些组件逐一进行具体解释说明。
首先，沿着图1中所示的x轴水平方向布置在用于输送及混合不同流体的混合通道8，并且混合通道8的水平两侧各自布置有第一入口6和出口9。具体而，其中该第一入口6用于注入譬如四氧化三铁的磁性纳米粒子(平均粒径优选为10nm～100nm)，并使其沿着所述混合通道运动直至经由出口8导出。此外，第二入口5、第三入口7相对于第一入口6对称设置在其上下两侧，这两个入口分别用于注入待混合的一种流体，两种流体可经由支管譬如在临近所述第一入口6附近交汇至所述混合通道，然后沿着此混合通道继续运动直至经由出口8导出；此外，设与上述x轴垂直的方向为y轴，x轴和y轴共同组成的平面定义为p，上述第一入口、第二入口、第三入口、出口和混合通道均被布置处于同一平面p内。
作为本发明的关键改进所在，所述多个线圈组单元沿着所述混合通道8的轴线方向而依次布置且全部处于所述同一平面p内，其中各个线圈组单元均由水平布置在所述混合通道轴线上方的第一线圈和第二线圈、以及同样水平布置在所述混合通道轴线下方的第三线圈和第四线圈组成，并且第一线圈与第四线圈之间、第二线圈与第三线圈之间各自相对于所述混合通道轴线呈上下对称布置；更截图而言，如图1中示范性所示，第一线圈组单元包括第一线圈1、第二线圈2、第三线圈3和第四线圈4，并且该第一线圈1、第二线圈2水平布置在混合通道的轴线上方，该第四线圈4和第三线圈3同样水平布置在混合通道的轴线下方，第一线圈1与第四线圈4之间相对于混合通道轴线呈上下对称布置，第二线圈2与第三线圈3之间同样相对于混合通道轴线呈上下对称布置；类似地，第二线圈组单元包括第一线圈1′、第二线圈2′、第三线圈3′和第四线圈4′，并且该第一线圈1′、第二线圈2′水平布置在混合通道的轴线上方，该第四线圈4′和第三线圈3′同样水平布置在混合通道的轴线下方，第一线圈1′与第四线圈4′之间相对于混合通道轴线呈上下对称布置，第二线圈2′与第三线圈3′之间同样相对于混合通道轴线呈上下对称布置。
此外，对于各个线圈组而言，在执行流体混合操作时，其第一线圈用于通入预定频率和幅值的交流电流，该第二线圈用于通入与所述第一线圈相同频率和幅值且相位超前或滞后90度的交流电流，该第三线圈用于通入与所述第二线圈相同频率和幅值且相位超前或滞后90度的交流电流，而该第四线圈则用于通入与所述第三线圈相同频率和幅值且相位超前或滞后90度的交流电流。以此方式，基于法拉第电磁感应定律，每一只线圈将会在其周围空间产生磁场，并导致在混合通道所处平面p也将产生混合磁场，由于采用上述布置，当线圈交变电流以一定频率进行变化时，各个线圈在微混合通道平面引起的磁场强度也发生变化；一方面，当四只线圈通入如前所述变化电流时，四只线圈所围的微混合通道平面会产生旋转磁场区域，而磁性纳米粒子经由第一入口6注入且运动到此旋转磁场区域时，会在其施加的磁偶力矩作用下产生旋转运动，此旋转运动可进一步有效带动经由第二入口5和第三入口7注入的两种不同液体之间的融合，从而加速了其混合方向沿圆周的变化；另一方面，由于沿着微混合通道的流动方向还依次布置有多个上述旋转磁场区域，相应可不影响操作的前提下根据需求灵活、方便地进行旋转磁场的数量调整，从而在更长距离和范围内获得高质量的流体混合效果。
本发明还进一步对影响上述工作机理的一些关键指标参数如线圈间距、磁性纳米粒子与流体的混合比、运动速率等作出了研究和设计。
按照本发明的一个优选实施例，对于所述线圈组单元的各个线圈而言，其所通入的交流电流的频率优选被设定为60hz，其幅值优选被设定为1a。按照本发明的另一优选实施例，所述磁性纳米粒子与所述两种流体之间的混合比优选设计如下：磁性纳米粒子的质量：两种流体的总体积＝10μg～25μg：1μl。
实际测试表明，上述优化参数设计可确保整个基于旋转磁场域的流体混合体系执行更为有效、高效的操作处理，特别是各个水平线圈相对于混合通道的间距、以及直接影响到混合效率和质量，而且由于上述线圈本身均可设计为集成在微流控芯片上的微型结构，可采用mems工艺制备，不仅整体系统体积很小，而且只需要较小的驱动电能即可实现较大的驱动力，因而便于实际产业化制造和使用。
按照本发明的又一优选实施例，经由所述第二入口、第三入口所注入的两种流体在所述混合通道交汇后，优选以40μm/s～100μm/s的速率继续运动。此外，所述磁性纳米粒子与所述两种流体的混合物经由所述出口导出后，优选直接采用外部磁场作用使得磁性纳米粒子予以沉淀，由此完成与流体之间的分离。
综上，按照本发明的上述混合器整体结构紧凑、设计巧妙，便于操作和质量控制，其中通过采用磁性纳米粒子作为加速混合的中间物易于获得，成本低廉，同时又能充分发挥其与多种流体之间的高效混合效果，最终所获得液体可以直接通过外磁场作用使得磁性纳米粒子沉淀在底部而实现与混合液体的分离，因而尤其适用于譬如化学或生物医学上的药品混合应用之类的大规模工业应用场合。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。