一种控制两相溶液反应温度及高效微混合的装置的制作方法

本实用新型涉及一种控制两相溶液反应温度及高效微混合的装置，属于微流控技术领域。

背景技术：

微流控芯片是由微通道形成网络，将反应空间受限在尺寸范围为数十到数百微米的通道内部，可控流体贯穿整个系统，将生物、化学等实验室的，基本功能微缩到一块几平方厘米的芯片上，可以实现多种生物、化学分析过程。在生物、化学、材料等科学实验中，经常需要对流体进行操作，如样品DNA的制备、液相色谱、PCR反应、电泳检测等操作都是在液相环境中进行。如果要将样品制备、生化反应、结果检测等步骤集成到生物芯片上，则实验所用流体的量就从毫升、微升级降至纳升或皮升级，这时功能强大的微流体装置就显得必不可少了。因此随着生物芯片技术的发展，微流体技术作为生物芯片的一项关键支撑技术也得到了人们越来越多的关注。但是微流体检测及流体实验时往往需要不同温度条件下的流体，来完成需要的工作，现有技术无法解决对流体温度的控制。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种控制两相溶液反应温度及高效微混合的装置，用于解决现有的多相液体之间反应所需的温度条件及反应速度慢的问题。本实用新型采用PDMS材料制作微通道结构，能够在一定的变形条件下恢复到原来的状态而结构没有发生永久性破坏。采用PDMS材料制作微通道结构，能够在一定的变形条件下恢复到原来的状态而结构没有发生永久性破坏。本实用新型对液体反应环境有重要的应用价值，可高效的提高两相液体之间的反应效率。

本实用新型采用的技术方案是：一种控制两相溶液反应温度及高效微混合的装置，其特征在于：包括玻璃基片1、芯片2、中心液体通道壁3、液体入口Ⅱ4、液体入口Ⅰ5、环形液体通道Ⅰ6、温度控制阀7、长方体形辅助结构8、液体混合腔9、凸点辅助结构10、液体出口11、混合液体通道12、环形液体通道Ⅱ13、温度传感器14、温控流体层15、保温层16；

所述保温层16放置在玻璃基片1上，芯片2放置在保温层16上，芯片2内部设有温控流体层15、液体通道层，液体通道层位于温控流体层15上方，液体通道层设有液体入口Ⅰ5、液体入口Ⅱ4、环形液体通道Ⅰ6、环形液体通道Ⅱ13、混合液体通道12、液体混合腔9、液体出口11；液体入口Ⅰ5与环形液体通道Ⅰ6相连通，液体入口Ⅱ4与环形液体通道Ⅱ13相连通，环形液体通道Ⅰ6和环形液体通道Ⅱ13以中心液体通道壁3为中心轴上下对称设置，中心液体通道壁3与芯片2的中心线重合，环形液体通道Ⅰ6和环形液体通道Ⅱ13的出口交汇处通过温度控制阀7与混合液体通道12的入口一端连通，混合液体通道12的末端与液体出口11相连通，且混合液体通道12中间设有液体混合腔9，温度传感器14安装在温度控制阀7前端，温度控制阀7、温度传感器14均与外部的控制器连接，液体入口Ⅰ5、液体入口Ⅱ4、环形液体通道Ⅰ6、环形液体通道Ⅱ13、混合液体通道12、液体出口11处于同一水平面上。

优选地，所述的环形液体通道Ⅰ6和环形液体通道Ⅱ13均为由管道壁围成的多层折叠的半环形微通道，且随着进液方向，每层半圆环形微通道的长度逐渐增加。

优选地，所述的混合液体通道12内部壁面两侧交错设置有长方体形辅助结构8。

优选地，所述的液体混合腔9内部设置多排凸点辅助结构10。

优选地，所述芯片2采用PDMS聚二甲基硅氧烷材料制成。

优选地，所述芯片2长45mm，宽20mm，厚5mm；所述玻璃基片1长60mm，宽30mm，厚5mm。

优选地，所述环形液体通道Ⅰ6和环形液体通道Ⅱ13中每条通道的宽度相同，且环形液体通道Ⅰ6和环形液体通道Ⅱ13中每条通道的宽度是混合液体通道12的宽度的一半，环形液体通道Ⅰ6和环形液体通道Ⅱ13中每条通道的宽度及混合液体通道12的宽度均大于各自的高度。

优选地，所述芯片2长45mm，宽20mm，厚5mm，所述液体入口Ⅰ5和液体入口Ⅱ4的直径为0.2mm，液体出口11的直径为0.5mm，中心液体通道壁3的宽度d1为0.1mm，环形液体通道Ⅰ6和环形液体通道Ⅱ13中每条通道的尺寸宽为0.5mm，高为0.35mm，而混合液体通道12的尺寸宽d3为1.1mm，高h4为0.35mm，玻璃基片1高h1为5mm，保温层16高h2为3mm，温控流体层15尺寸高h3为5mm，宽度15mm，温度控制阀7的尺寸高h5为2mm，宽度d4为2mm，长度L1为3mm，

优选地，长方体形辅助结构8的尺寸宽度d2为0.5mm，长度L2为0.2mm，相邻两个长方体形辅助结构8的间距L3为0.4mm。

本实用新型的有益效果是：

（1）本装置对流体温度的准确性，能够快速准确地实现对微流体的温度控制，通过温度传感器14对混合液体温度的传出信号，当流体温度达到温度控制阀7的设定温度阀门才可打开。

（2）本装置利用长方体形辅助结构8以及液体混合腔9内凸点辅助结构10对两相混合反应的液体起到很强的扰流作用，高效提升了两相混合效率。

（3）本装置在玻璃基板1上方芯片内设置了一层保温层装置16，可以实现通入温控流体层15温度在特定时间内温度不变。

（4）该装置中液体通道Ⅰ6和液体通道Ⅱ13采用对称半环折叠形通道，节省了芯片材料且增加了通道长度，而且能够实现均匀控制液体温度，提高装置的温控精密性。

（5）液体温控流体层15设置的长宽尺寸和芯片长宽尺寸一样，能够使得芯片内被传热的环形液体通道Ⅰ6、环形液体通道Ⅱ13、混合液体通道12、液体混合腔9两相液体传热更加均匀。

（6）本实用新型使用PDMS聚二甲基硅氧烷材料制作芯片，材料透光性好、生物相容性佳以及良好的化学惰性，该材料韧性比较高，弹性好。

（7）本实用新型装置使用简单，成本低，是一种广泛应用于微流控等领域的聚合物材料。

附图说明

图1是本实用新型装置的芯片整体结构示意图；

图2是液体混合通道内部结构的放大图；

图3是图2沿A-A线的剖视图。

图中各标号：1-玻璃基片、2-芯片、3-中心液体通道壁、4-液体入口Ⅱ、5-液体入口Ⅰ、6-环形液体通道Ⅰ、7-温度控制阀、8-长方体形辅助结构、9-液体混合腔、10-凸点辅助结构、11-液体出口、12-混合液体通道、13-环形液体通道Ⅱ、14-温度传感器、15-温控流体层、16-保温层；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步说明。

实施例1：如图1-3所示，一种控制两相溶液反应温度及高效微混合的装置，其特征在于：包括玻璃基片1、芯片2、中心液体通道壁3、液体入口Ⅱ4、液体入口Ⅰ5、环形液体通道Ⅰ6、温度控制阀7、长方体形辅助结构8、液体混合腔9、凸点辅助结构10、液体出口11、混合液体通道12、环形液体通道Ⅱ13、温度传感器14、温控流体层15、保温层16；

所述保温层16放置在玻璃基片1上，芯片2放置在保温层16上，芯片2内部设有温控流体层15、液体通道层，液体通道层位于温控流体层15上方，液体通道层设有液体入口Ⅰ5、液体入口Ⅱ4、环形液体通道Ⅰ6、环形液体通道Ⅱ13、混合液体通道12、液体混合腔9、液体出口11；液体入口Ⅰ5与环形液体通道Ⅰ6相连通，液体入口Ⅱ4与环形液体通道Ⅱ13相连通，环形液体通道Ⅰ6和环形液体通道Ⅱ13以中心液体通道壁3为中心轴上下对称设置，中心液体通道壁3与芯片2的中心线重合，环形液体通道Ⅰ6和环形液体通道Ⅱ13的出口交汇处通过温度控制阀7与混合液体通道12的入口一端连通，混合液体通道12的末端与液体出口11相连通，且混合液体通道12中间设有液体混合腔9，温度传感器14安装在温度控制阀7前端，温度控制阀7、温度传感器14均与外部的控制器连接，液体入口Ⅰ5、液体入口Ⅱ4、环形液体通道Ⅰ6、环形液体通道Ⅱ13、混合液体通道12、液体出口11处于同一水平面上。

进一步地，所述的环形液体通道Ⅰ6和环形液体通道Ⅱ13均为由管道壁围成的多层折叠的半环形微通道，且随着进液方向，每层半圆环形微通道的长度逐渐增加。

进一步地，所述的混合液体通道12内部壁面两侧交错设置有长方体形辅助结构8。

进一步地，所述的液体混合腔9内部设置多排凸点辅助结构10。

进一步地，所述芯片2采用PDMS聚二甲基硅氧烷材料制成。

进一步地，所述芯片2长45mm，宽20mm，厚5mm；所述玻璃基片1长60mm，宽30mm，厚5mm。

进一步地，所述环形液体通道Ⅰ6和环形液体通道Ⅱ13中每条通道的宽度相同，且环形液体通道Ⅰ6和环形液体通道Ⅱ13中每条通道的宽度是混合液体通道12的宽度的一半，环形液体通道Ⅰ6和环形液体通道Ⅱ13中每条通道的宽度及混合液体通道12的宽度均大于各自的高度。

进一步地，所述芯片2长45mm，宽20mm，厚5mm，所述液体入口Ⅰ5和液体入口Ⅱ4的直径为0.2mm，液体出口11的直径为0.5mm，中心液体通道壁3的宽度d1为0.1mm，环形液体通道Ⅰ6和环形液体通道Ⅱ13中每条通道的尺寸宽为0.5mm，高为0.35mm，而混合液体通道12的尺寸宽d3为1.1mm，高h4为0.35mm，玻璃基片1高h1为5mm，保温层16高h2为3mm，温控流体层15尺寸高h3为5mm，宽度15mm，温度控制阀7的尺寸高h5为2mm，宽度d4为2mm，长度L1为3mm，

进一步地，长方体形辅助结构8的尺寸宽度d2为0.5mm，长度L2为0.2mm，相邻两个长方体形辅助结构8的间距L3为0.4mm。

本实用新型温度的可控性体现在：温度传感器14检测从环形液体通道Ⅰ6、环形液体通道Ⅱ13流出液体的温度，并将检测到的温度传给装置外部的控制器，只有当流体温度达到控制阀的设定温度时，控制器控制温度控制阀7打开。

所述流体温度的传热性体现在：通过对控制温控流体层15内通入设定温度的温热流体，通过液体之间的传热，可以液体通道层中液体的温度。

所述流体通过液体之间的传热过程中，温控流体层15下端设有保温层16，保温层16可以稳定所需设置的流体温度。

优选地，本实用新型不仅可以对流体温度进行控制，而且可以对流体进行混合，液体通道层部分，在混合液体通道12内部壁面两侧我们设置了长方体形辅助结构8，且在与混合液体通道12相连接的液体混合腔9内部设置多排凸点辅助结构10，从而可高效的提高两液体之间的反应效率。

本实用新型的工作原理：

将芯片2放置在玻璃基片1上，先给液体入口Ⅰ5和液体入口Ⅱ4通入所需反应的两相液体，两相液体沿各自半环形液体通道Ⅰ6和环形液体通道Ⅱ13流进被控温环形管道内，环形通道由中心液体通道壁3组成，且被控温环形管道下端与温控流体层15之间隔着一层芯片薄膜，达到两通道液体之间的传热效果，而温控流体层15下端设置有保温层16来恒定温控流体层15的流体温度，从而来控制液体通道内反应液体的温度，当两相液体到达混合液体通道12入口前，当两相液体温度通过温度传感器14检测达到温度控制阀7所设置的温度后，阀门打开，两相液体进入混合液体通道12，其通道内两侧上设置有一个以上的非对称长方体形辅助结构8，待两相液体混合后进入液体混合腔9内继续混合反应，腔内设有多排凸点辅助结构10，使得两相液体反应充分，提高混合效率，液体经过混合腔后再次进入混合液体通道12继续反应，再次进行扰流，待混合结束后液体从液体出口11流出。

本实用新型通过COMSOL Multiphysics有限元模拟仿真软件分析了有辅助结构的微通道中的流体的流线和矢量分布，通过在微芯片中增加辅助结构，可以极大地提高两相液体之间的反应效率。

本实用新型采用PDMS材料制作芯片2，能够在一定的变形条件下恢复到原来的状态而结构没有发生永久性破坏，本装置集控制两相液体温度、提高混合效率集于一体，对液体管道中两个入口端分别接通有一个半环形通道，且从进液口至进入混合管道前，环形管道内每段折叠通道的长度逐步递增，大大节省了芯片材料且增加了液体通道的有效长度，且通过对两相液体的管道下端设置温控流体层15和保温层16来控制通道中待反应两相液体的温度，而凸点辅助结构和长方形辅助结构可以使两相液体充分混合，从而提高了两相液体反应的环境及可控地实现液体运动、内部混合和反应，可靠性高，模型简化，容易理解，操作简单方便。

上面结合附图对本实用新型的具体实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。