一种柔性微混合器及其制备方法

1.本发明涉及微全分析系统技术领域，尤其是一种柔性微混合器及其制备方法。


背景技术：

2.微混合器是芯片实验室(loc)设备和微全分析系统((-tas)的重要组成部分，其高效的混合效率可显著提高检测灵敏度，减少分析时间，在纳米材料的合成、生物工程以及生化系统等领域的应用都是必不可少的。
3.被动微混合器主要通过微流体之间分子扩散和混沌对流进行混合，除了泵送流体外，不需要如磁场，电场，超声波振动等外部能量，可有效节约能源。
4.但是现有技术多采用微流控芯片技术制备微混合器，需要经过微流道模具加工、微流道图案转印、芯片键合等多步工序，其中模具加工通常使用光刻、等离子刻蚀、激光雕刻等技术；微流道图案转印成型通常使用聚合物浇铸、注塑成型、模压成型等技术；芯片键合通常使用热键合、等离子键合、超声波键合等技术。以上技术均需要昂贵设备和耗材，生产成本高，制备周期长，人工操作复杂，可重复利用率不高。此外，现有技术还有利用旋转弹簧式玻璃管道制备微混合器，但玻璃管道材质成本较高，刚性易碎，且表面疏水性较差，导致微流道内流阻较大，影响混合效率。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明实施例提供一种柔性微混合器及其制备方法，能够通过混合管的多级循环缩放式结构有效提升混合效率，且可以通过简单的管道加工和装配制得微混合器，可大幅简化微混合器制备工序，缩短生产周期，降低成本。
6.本发明实施例的第一方面提供了一种柔性微混合器，包括：
7.进液管、管道连接器、混合管、出液管和固定模板，所述进液管、所述管道连接器、所述混合管及所述出液管顺次连接，所述混合管固定于所述固定模板，所述混合管设有多级循环缩放式结构。
8.可选地，所述柔性微混合器还包括试剂槽，所述试剂槽连接于所述进液管的前端。
9.可选地，所述柔性微混合器还包括负压泵送器，所述负压泵送器连接于所述出液管的后端。
10.可选地，所述进液管、出液管和所述混合管为聚合物管。
11.可选地，所述进液管的数量大于或等于2。
12.可选地，所述混合管以三维构型固定于所述固定模板，所述三维构型包括蛇型、正弦型和螺旋型，所述固定模板包括平板结构、圆柱结构、圆锥结构以及柱状阵列结构。
13.本发明实施例第二方面提供了一种柔性微混合器制备方法，包括：
14.选取进液管、管道连接器、混合管和出液管；
15.通过多页加热装置对所述混合管进行加热处理，在所述混合管设置多级循环缩放式结构；
16.将所述进液管、所述管道连接器、所述多级循环缩放式结构的混合管和所述出液管顺次连接；
17.将所述多级循环缩放式结构的混合管固定于固定模板。
18.可选地，所述通过多页加热装置对所述混合管进行加热处理，在所述混合管设置多级循环缩放式结构，包括：
19.将多页加热模具安装于加热台合成多页加热装置；
20.将所述混合管置于所述多页加热装置；
21.启动所述加热台进行预热处理直至达到目标温度；
22.将所述混合管沿轴向转动进行加热处理，在所述混合管设置多级循环缩放式结构。
23.可选地，所述将所述混合管沿轴向转动进行加热处理，包括：
24.将所述混合管沿轴向转动进行拉制法加热处理；
25.或，将所述混合管沿轴向转动进行热缩法加热处理。
26.可选地，所述将所述循环缩放式混合管固定于固定模板，包括：
27.将所述循环缩放式混合管以三维构型固定于固定模板，所述三维构型包括蛇型、正弦型和螺旋型，所述固定模板包括平板结构、圆柱结构、圆锥结构以及柱状阵列结构。
28.本发明实施例提出了一种柔性微混合器及其制备方法，通过简单的管道加工和装配便可制得柔性微混合器，大幅简化了微混合器制备工序，缩短其生产周期，并降低成本，同时柔性微混合器的混合管是一条具有循环缩放式内径的微流道，通过该多级循环缩放式结构的混合管可有效调控微流体的流速变化，并在管径缩放处形成混沌对流，加快不同试剂之间的扩散和传质，提升混合效率。
附图说明
29.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明实施例提供的一种柔性微混合器的结构示意图；
31.图2为本发明实施例提供的一种柔性微混合器制备方法的流程示意图；
32.图3为本发明实施例提供的一种多页加热装置的结构示意图；
33.图4为本发明实施例提供的另一种多页加热装置的俯视图；
34.图5为本发明实施例提供的基于图3的另一种多页加热装置的a-a方向的结构示意图；
35.图6为本发明实施例提供的一种柔性混合器的试剂混合效果光学显微示意图；
36.图7为本发明实施例提供的另一种柔性混合器的试剂混合效果光学显微示意图。
具体实施方式
37.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术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技术，并
不用于限定本技术。
38.为了使本技术内容及技术方案更加清楚明白，对相关术语及含义进行说明：
39.芯片实验室/微全分析系统：芯片实验室(lab-on-a-chip)或称微全分析系统(micro total analysis system，or microtas)是指把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、生物与化学反应、分离检测等基本操作单位集成或基本集成于一块几平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化学反应过程，并对其产物进行分析的一种技术。
40.混沌对流(chaotic advection)：混沌对流通常是通过改变微通道的几何形状，通过操纵或重组流体流动来减少扩散长度，使流体间的界面面积最大化；
41.迪恩涡流(dean vortex)：在通过弯曲通道几何形状的流动中，曲率放大了横向不稳定性，从而驱动二次横截面流场(迪恩流)，其特征是位于通道对称水平平面上方和下方的两个反向旋转涡的存在。
42.混合指数(mixing index)：液体的均匀状况的指标。
43.下面对本发明的装置的结构及功能进行详细说明：
44.本发明实施例提供了一种柔性微混合器，包括进液管、管道连接器、混合管、出液管和固定模板，进液管、管道连接器、混合管及出液管顺次连接，混合管固定于固定模板，混合管设有多级循环缩放式结构。
45.需要说明的是，进液管用于输送待混合试剂，管道连接器用于连接进液管和混合管形成连通结构，其中，管道连接器包括但不局限于三通管连接器，可用于两相流体混合，也可用于多相流体混合，混合管是一条具有循环缩放式内径的柔性微流道，混合管通过聚合物加工成型方法制备而成，包括拉制法、压制法和热缩法等，混合管可用于调控微流体的流速变化，并在管径缩放处形成混沌对流(chaotic advection)，加快不同试剂之间的扩散和传质，提升混合效率。
46.在一些实施例中，柔性微混合器，还包括试剂槽，所述试剂槽连接于进液管的前端。
47.需要说明的是，试剂槽用于盛装待混合试剂，进液管插入试剂槽中。
48.在一些实施例中，柔性微混合器，还包括负压泵送器，负压泵送器连接于出液管的后端。
49.需要说明的是，负压泵送器用于为微混合器提供负压，使不同试剂从试剂槽中通过进液管流入混合管，最后在被吸入负压泵送器的容器之前，无需外力的介入，就已实现了被动式的快速混合。
50.在一些实施例中，进液管、出液管和混合管为聚合物管。
51.需要说明的是，进液管、出液管和混合管的材质均采用疏水性强的聚合物管道，用于降低流体的流动阻力，实现不同试剂的快速混合，此外管道连接器的材质亦采用疏水性强的聚合物管道。聚合物管道包括聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚全氟乙丙烯、硅胶、氟化乙烯丙烯共聚物和聚醚醚酮等。
52.在一些实施例中，所述进液管的数量大于或等于2。
53.需要说明的是，柔性微混合器至少可用于两相流体混合，进液管的数量与待混合流体相量一致，对应的，试剂槽的数量与进液管的数量一致，且一一对应连接。
54.在一些实施例中，混合管以三维构型固定于所述固定模板，三维构型包括蛇型、正
弦型和螺旋型，固定模板包括平板结构、圆柱结构、圆锥结构以及柱状阵列结构。
55.需要说明的是，混合管是一条柔性的微流道，可设置成蛇型、正弦型、螺旋型以及其他复杂的三维构型，用于形成惯性力诱导的迪恩涡流(dean vortex)，加快不同试剂之间的扩散和传质，进一步提升混合效率。对应的，为便于混合管设置成上述的三维构型，固定模板可以为平板结构、圆柱结构、圆锥结构以及柱状阵列结构。
56.具体地，参照图1，在一些实施例中，柔性微混合器，包括第一试剂槽1、第二试剂槽2、第一进液管3、第二进液管4、管道连接器5、试剂混合管6、负压泵送器7以及固定模板8；第一试剂槽1和第二试剂槽2中装入两种不同试剂，第一进液管3一端插入第一试剂槽1所盛的试剂中，另一端与管道连接器5连接；第二进液管4一端插入第二试剂槽2所盛的试剂中，另一端与管道连接器5连接；试剂混合管6一端与管道连接器5连接连接，另一端与负压泵送器7连接；试剂混合管6设置在固定模板上。
57.其中，试剂混合管的出液端可直接连接负压泵送器，也可通过连接一根出液管进而连接负压泵送器，试剂混合管是一条具有多级循环缩放式内径的柔性微流道，可用于调控微流体的流速变化，并在管径缩放处形成混沌对流(chaotic advection)，加快不同试剂之间的扩散和传质，提升混合效率；
58.试剂混合管是一条柔性的微流道，可设置成蛇型、正弦型、螺旋型以及其他复杂的三维构型，用于形成惯性力诱导的迪恩涡流(dean vortex)，加快不同试剂之间的扩散和传质，进一步提升混合效率；
59.固定模板用于设置试剂混合管，基板上可以安装辅助夹具、粘结剂、绕行支柱等工具，使试剂混合管形成并保持特定的流道结构；
60.试剂混合管通过聚合物加工成型方法制备而成，包括拉制法、压制法和热缩法等；
61.第一进液管、第二进液管、管道连接器、试剂混合管的材质均采用疏水性强的聚合物管道，用于降低流体的流动阻力，实现不同试剂的快速混合；
62.聚合物管道包括聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚全氟乙丙烯、硅胶、氟化乙烯丙烯共聚物和聚醚醚酮等；
63.负压泵送器用于为微混合器提供负压，使不同试剂从试剂槽中通过所述进液管流入试剂混合管，最后在被吸入负压泵送器的容器之前，无需外力的介入，就已实现了被动式的快速混合。
64.参照图2，本发明实施例提供了一种柔性微混合器制备方法，包括：
65.选取进液管、管道连接器、混合管和出液管；
66.通过多页加热装置对混合管进行加热处理，在混合管设置多级循环缩放式结构；
67.将进液管、管道连接器、多级循环缩放式结构的混合管和出液管顺次连接；
68.将多级循环缩放式结构的混合管固定于固定模板。
69.在一些实施例中，通过多页加热装置对混合管进行加热处理，在混合管设置多级循环缩放式结构，包括：
70.将多页加热模具安装于加热台合成多页加热装置；
71.将混合管置于多页加热装置；
72.启动加热台进行预热处理直至达到目标温度；
73.将混合管沿轴向转动进行加热处理，在混合管设置多级循环缩放式结构。
74.将混合管沿轴向转动进行加热处理，包括：
75.将混合管沿轴向转动进行拉制法加热处理；
76.或，将混合管沿轴向转动进行热缩法加热处理。
77.需要说明的是，循环缩放式混合管加工工艺流程，拉制法具体为：
78.将加热模具安装于加热台表面，待加工的聚合物管道(混合管6)沿轴线拉直后置于加热模具(多页加热模块9)上，管道壁与加热模具叶片表面接触，如图3所示；
79.设置加热台的成型温度，启动加热台进行预热；
80.待温度稳定后，沿轴向转动待加工的聚合物管道，防止与加热模块粘连，同时使聚合物管道受热均匀；
81.将待加工聚合物管道向两端方向以恒定的速度拉伸，然后脱离加热模具表面进行自然冷却和定型，即可制备得到循环缩放式混合管。
82.循环缩放式混合管加工工艺流程，热缩法具体为：
83.将加热模具安装于加热台表面，待加工的聚合物热缩管道(混合管6)沿轴线拉直后置于加热模具(多页加热模块9)上，管道壁与加热模具叶片表面接触，如图4和图5所示；
84.设置加热台的成型温度，启动加热台进行预热；
85.待温度稳定后，沿轴向转动待加工的聚合物热缩管道，防止与加热模块粘连，同时使聚合物管道受热均匀；
86.受热过程中，热缩管道受热的区域自动发生颈缩效应，内径变小；
87.将成型后的热缩管道移开加热模具进行自然冷却，即可制备得到循环缩放式混合管。
88.在一些实施例中，将循环缩放式混合管固定于固定模板，包括：
89.将循环缩放式混合管以三维构型固定于固定模板，三维构型包括蛇型、正弦型和螺旋型。
90.下面以一些具体的柔性微混合器制备及其使用方法为例，结合附图对本发明作进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明：
91.实施例1：拉制法制备微混合器及其使用方法
92.1.准备3根规格相同的聚四氟乙烯管道和1件t型三通硅胶管道接头，聚四氟乙烯管道的外径为0.6mm，内径为0.3mm，长度为55mm；
93.2.将其中一根聚四氟乙烯管道(混合管6)放置在特制的加热模块(多页加热模块9)上进行局部加热，如图3所示，加热温度为330℃，加热区域宽度为1mm，加热区域间隔为3mm，总受热区域为15个；
94.3.待聚四氟乙烯管道管道受热区域温度均匀后，从管道两端迅速拉伸并远离加热台，由于管道受热的部分拉伸粘度大幅降低，可以被充分地拉伸使管道内径减小至0.1mm，未受热的部分粘度相对较高，受到拉力时管道内径基本不变，因此形成15阶缩放式内径的柔性微流道；
95.4.将加工后试剂混合管在内的三根聚四氟乙烯管道分别与t型三通硅胶管道接头连接和密封，形成微混合器；
96.5.将微混合器的设计混合管安装在固定模板上，设置成正弦结构；
97.6.准备两个试剂器皿容器，一个加入去离子水，另一个加入荧光素溶液；将未加工的两根聚四氟乙烯管道分别插入盛有去离子水和荧光素溶液的器皿中，另一个试剂混合管的出口连接负压泵；
98.7.开启负压泵调节压力为-30kpa，数秒后离子水和荧光素溶液经过试剂混合管不断被吸入负压泵容器中，利用光学显微镜对试剂混合管末端进行拍摄；
99.8.图6为混合效果实施例1的微混合器的混合效果的光学显微示意图，利用图像分析软件对该光学显微示意图像进行分析，可以计算得到两相流体的混合指数为0.98。
100.实施例2：热缩法制备微混合器及其使用方法
101.1.准备2根规格相同的聚四氟乙烯管道和1根铁氟龙热缩管道，聚四氟乙烯管道的外径为0.6mm，内径为0.3mm，长度为55mm；铁氟龙热缩管道的外径为0.8mm，内径为0.7mm，长度为55mm；
102.2.将铁氟龙热缩管道(混合管6)穿过特制的加热模块(多页加热模块9)进行局部加热，如图4所示，加热温度为300℃，加热区域宽度为1mm，加热区域间隔为3mm，总受热区域为15个；
103.3.轴向旋转铁氟龙热缩管道，使其在局部受热过程中受热均匀并不断收缩，受热区域管道内径减小，未受热的部分内径基本不变，因此形成15阶缩放式内径的柔性微流道，如图5所示；
104.4.将加工后试剂混合管在内的三根聚四氟乙烯管道分别与t型三通硅胶管道接头连接和密封，形成微混合器；
105.5.将微混合器的设计混合管安装在固定模板上，缠绕在绕行支柱上形成螺旋结构；
106.6.准备两个试剂器皿容器，一个加入去离子水，另一个加入荧光素溶液；将未加工的两根聚四氟乙烯管道分别插入盛有去离子水和荧光素溶液的器皿中，另一个试剂混合管的出口连接负压泵；
107.7.开启负压泵调节压力为-30kpa，数秒后离子水和荧光素溶液经过试剂混合管不断被吸入负压泵容器中，利用光学显微镜对试剂混合管末端进行拍摄；
108.8.图7为混合效果实施例2的微混合器的混合效果的光学显微示意图，利用图像分析软件对该光学显微示意图像进行分析，可以计算得到两相流体的混合指数为0.96。
109.本发明装置实施例的内容均适用于本方法实施例，本方法实施例所具体实现的功能与上述装置实施例具有的功能相同，并且达到的有益效果与上述装置实施例达到的有益效果也相同。
110.综上所述，针对现有技术的微控制器需要昂贵设备和耗材，生产成本高，制备周期长，人工操作复杂，可重复利用率不高等问题，提出一种柔性微混合器及其制备方法，通过以商用聚合物毛细管为原材料，经过拉伸或压制方法加工成具有循环缩放式内径的柔性微流道，并将其装配成三通或多通管道，用于两相流体或多相流体的快速高效混合。本发明所提供的高效低成本柔性微混合器无需经过制模、转印、封装等复杂制备工序，仅通过简单的管道加工和装配即可制得而成，可大幅简化微混合器制备工序，缩短生产周期，降低成本；所用管道均采用疏水的聚合物材质，摩擦系数低、抗酸碱，可有效降低流体流阻，易清洗，提升可重复利用率；管道加工无需昂贵的设备，工艺条件简单可控，可实现自动化生产，减少
人工造成的误差；混合器的结构设计包含多种混合机制(分子扩散、混沌对流、迪恩涡流)，提升混合效率，可实现双相及多相流体的快速高效混合。
111.在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
112.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
113.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
114.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。