一种用于样品浓度精确调节的微混合器

1.本发明属于微机电系统(micro-electro mechanical systems,mems)领域，涉及一种用于微全分析系统(micro total analysis systems，μtas)芯片的微流体混合器。


背景技术：

2.兴起于上世纪末的微全分析系统(micro total analysis systems,μtas)具有体积小、集成度高、兼容性优良等特点，结合质谱、光学、电化学等检测方法已经成为生物、医药、化学及环境等领域不可或缺的分析手段，混合作为生化样品分析、检测的重要环节，精确调节样品浓度以满足后续功能模块所需浓度样品成为μtas芯片摆脱实验室条件束缚，满足实时化、小型化检测需求，拓展应用场景的关键技术。
3.微混合器按是否添加外部驱动可分为主动式微混合器和被动式微混合器，相对于主动式微混合器，被动式混合器混合过程完全基于通过流体与微混合器壁之间的相互作用或通过随着接触面积和不同混合物种之间停留时间的增加而增强的分子扩散而实现的混沌对流效应，无需添加除外部驱动外的其它激励，但同时也会产生混合时间过长、混合路径过长、混合效果不理想等缺陷。
4.为评估不同几何模型对被动式微混合器性能的影响，拓宽生化反应等微混合器应用场景，一种恰当而有效的调节混合程度的方式为对微混合器的进液口进行设计，常见的进液口有t-型，y-型，u-型等。基于常见的平面t形入口，shakawat等人提出了一个切向对齐的输入通道，可以产生垂直流动，以提高蛇形微混合器的性能。张等人设计了带涡流入口的t型混合器、带矩形收缩的t型混合器以及带涡流入口和矩形收缩的t型混合器，以进一步研究入口对混合效率、混合长度和压降的影响。rahbarshahlan等人研究了混合器入口的六种不同几何形状，然后发现影响混合质量的主要因素是位置、大小、旋转方向、涡流数量以及雷诺数。除上述因素外，学者们还关注入口数量、入口角度、入口通道截面形状等对混合效率的影响因素。如此多的研究集中在混合器入口设计上，由此可见其对混合效果的重要性。
5.另一种调节混合程度的方式为对微混合器的混合单元进行设计，常用的策略有添加障碍、迪恩流、sar及诱导混沌流等，以上方案都有一个共同的特点，即周期性重复的混合单元结构，可以提高混合效果。但是，两个混合单元的交界处，既是前一个单元的出口，又是下一个单元的入口，在设计过程中没有得到重视。


技术实现要素：

6.发明目的
7.为解决现有技术微混合器的问题，本发明提供一种用于样品浓度精确调节的微混合器。依托流体在经过截面尺寸突变会形成高流速的液体流束，从而改变连接单元位置可以操纵流体轨迹路线的原理，将连接单元位置进行多样化改变，成功操纵流体轨迹路线，以诱导不同程度的混沌流产生，进而混合调节液体的浓度。
8.技术方案
9.一种用于样品浓度精确调节的微混合器，包括在树脂芯片设置的t型预混合沟道、微混合结构、第一芯片进液口、第二芯片进液口、芯片出液沟道和芯片出液口，t型预混合沟道、微混合结构和芯片出液沟道位于树脂芯片的内部，第一芯片进液口和第二芯片进液口竖直设置在t型预混合沟道的左右两端，第一芯片进液口和第二芯片进液口的上端与树脂芯片的外部相连通，t型预混合沟道位于中间侧的端部连接微混合结构的一端，微混合结构的另一端连接芯片出液沟道的一端，芯片出液沟道的另一端竖直设置有芯片出液口，芯片出液口的上端与树脂芯片的外部相连通。
10.进一步的，所述第一芯片进液口、第二芯片进液口和芯片出液口为圆柱形。
11.进一步的，所述t型预混合沟道的形状为“t”型，“t”型的左右两侧分别为第一进液沟道和第二进液沟道，“t”型的的中间侧为预混合沟道，第一进液沟道和第二进液沟道之间不直接连通，第一进液沟道和第二进液沟道与预混合沟道连通，第一进液沟道和第二进液沟道分别连通第一芯片进液口和第二芯片进液口，预混合沟道与微混合结构相连通。
12.进一步的，所述微混合结构由三组相同的结构单元组成，每一组结构单元由两个相同正方体型的微混合单元和两个相同长方体型的连接沟道组成；
13.微混合单元和连接沟道连通处连接沟道的截面积小于微混合单元的截面积；
14.第一组结构单元包括第一微混合单元、第二微混合单元、第一连接沟道和第二连接沟道，第二组结构单元包括第三微混合单元、第四微混合单元、第三连接沟道和第四连接沟道，
15.第三组结构单元包括第五微混合单元、第六微混合单元、第五连接沟道和第六连接沟道；
16.第一微混合单元的前端连通预混合沟道的后端，第一微混合单元的后端连通第一连接沟道前端，第一连接沟道的后端连通第二微混合单元的前端，第二微混合单元的后端连通第二连通沟道的前端，第二连接沟道的后端连通第二组结构单元的第三微混合单元的前端；第三微混合单元的后端连通第三连接沟道前端，第三连接沟道的后端连通第四微混合单元的前端，第四微混合单元的后端连通第四连接沟道的前端，第四连接沟道的后端连通第三组结构单元的第五微混合单元的前端，第五微混合单元的后端连通第五连接沟道的前端，第五连接沟道的后端连通第六微混合单元的前端，第六微混合单元的后端连通第六连接沟道的前端，第六连接沟道的后端连通芯片出液沟道。
17.进一步的，所述预混合沟道的后端连通在第一微混合单元的前端右上角，第一微混合单元的后端左上角与第一连接沟道的前端连通，第二微混合单元的前端左上角与第一连接沟道的后端连通，第二微混合单元的后端右上角与第二连接沟道的前端连通，第三微混合单元的前端右上角与第二连接沟道的后端连通，第三微混合单元的后端左上角与第三连接沟道的前端连通，第四微混合单元的前端左上角与第三连接沟道的后端连通，第四微混合单元的后端右上角与第四连接沟道的前端连通，第五微混合单元的前端右上角与第四连接沟道的后端连通，第五微混合单元的后端左上角与第五连接沟道的前端连通，第六微混合单元的前端左上角与第五连接沟道的前端连通的后端连通，第六微混合单元的后端右上角与第六连接沟道的前端连通。
18.进一步的，所述预混合沟道的后端连通在第一微混合单元的前端左上角，第一微混合单元的后端右上角与第一连接沟道的前端连通，第二微混合单元的前端右上角与第一
连接沟道的后端连通，第二微混合单元的后端左上角与第二连接沟道的前端连通，第三微混合单元的前端左上角与第二连接沟道的后端连通，第三微混合单元的后端右上角与第三连接沟道的前端连通，第四微混合单元的前端右上角与第三连接沟道的后端连通，第四微混合单元的后端左上角与第四连接沟道的前端连通，第五微混合单元的前端左上角与第四连接沟道的后端连通，第五微混合单元的后端右上角与第五连接沟道的前端连通，第六微混合单元的前端右上角与第五连接沟道的前端连通的后端连通，第六微混合单元的后端左上角与第六连接沟道的前端连通。
19.进一步的，前后方向定义为长度的方向，左右方向定义为宽度的方向，上下方向定义为高度的方向，a为任意正数；
20.所述t型预混合沟道：第一进液沟道的长为2.5a，高为2.5a，宽为任意数；第二进液沟道的长为2.5a，高为2.5a，宽为任意数；预混合沟道的长为15a，高为a，宽为a；
21.所述微混合结构：第一微混合单元、第二微混合单元、第三微混合单元、第四微混合单元、第五微混合单元和第六微混合单元为边长5a的正方体；第一连接沟道、第二连接沟道、第三连接沟道、第四连接沟道、第五连接沟道和第六连接沟道的长为2.5a，高为a，宽为a；
22.所述第一芯片进液口、第二芯片进液口和芯片出液口为底面半径为5a，高为5a的圆柱体；
23.所述芯片出液沟道的长为10a，高为a，宽为a。
24.一种使用如所述的用于样品浓度精确调节的微混合器混合液体的方法：通过双通道注射泵将两种相同或不同成分不同浓度的液体分别注入第一进液口和第二进液口，在t型预混合沟道内相遇后流入微混合结构，截面尺寸在a与5a之间反复突变会形成高速度的液体流束，通过如此轨迹路线得到了充分混合的均匀浓度的液体，经芯片出液沟道流入到芯片出液口，从芯片出液口流出。
25.一种如所述的用于样品浓度精确调节的微混合器的制备方法：
26.步骤一、利用计算机辅助设计软件comsol multiphysics 5.6绘制出用于样品浓度精确调节的微混合器的三维模型，并以.stl格式传输到sparkstudio切片系统中，通过切片3d微混合器结构设计图得到一系列二维位图文件；
27.步骤二、基于以上二维位图文件，由p150打印系统中的数字微镜设备生成数字动态掩模版；
28.步骤三、波长uv at 405nm的紫外光通过数字动态掩模版时，感光树脂材料被曝光并固化，一次曝光可制作一层精密结构层；
29.步骤四、分层固化后的结构依次叠加，得到了用于样品浓度精确调节的微混合器。
30.优点及效果
31.本发明依据流体在经过截面尺寸突变会形成高流速的液体流束，从而改变连接单元位置可以操纵流体轨迹路线的原理设计微米级混合芯片结构，通过更改连接沟道位置成功在层流条件下诱发可调节混沌强度的混沌流，最终实现浓度精确调节。本发明可在不增加微全分析系统芯片体积及加工、装配难度的情况下，提高其集成化、便携化程度，为该技术在可穿戴医疗设备、智能化精密检测等领域的推广应用奠定基础。利用3d打印技术制备不同连接沟道位置的微混合器芯片，并通过可视化测试技术验证了其样品浓度调节性能。
附图说明
32.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。
33.图1为用于样品浓度精确调节的微混合器整体结构的立体透视示意图；
34.图2为用于样品浓度精确调节的微混合器整体结构的俯视示意图；
35.图3为t型进液口的结构示意图；
36.图4为微混合结构的结构单元共线的连通方式连通时的结构示意图；
37.图5为微混合结构的结构单元左右上角依次连通的方式连通时的结构示意图；
38.图6为微混合结构共线的连通方式连通时的整体结构示意图；
39.图7为微混合结构左右上角依次连通的方式连通时的整体结构示意图。
40.附图标记说明：1.t型预混合沟道、2.微混合结构、3.第一芯片进液口、4.第二芯片进液口、5.芯片出液沟道、6.芯片出液口、1-1.第一进液沟道、1-2.第二进液沟道、1-3.预混合沟道、2-1.第一微混合单元、2-2.第二微混合单元、2-3.第三微混合单元、2-4.第四微混合单元、2-5.第五微混合单元、2-6.第六微混合单元、201.第一连接沟道、202.第二连接沟道、203.第三连接沟道、204.第四连接沟道、205.第五连接沟道、206.第六连接沟道。
具体实施方式
41.如图1、图2、图3、图5和图7所示，一种用于样品浓度精确调节的微混合器，包括在树脂芯片设置的t型预混合沟道1、微混合结构2、第一芯片进液口3、第二芯片进液口4、芯片出液沟道5和芯片出液口6，第一芯片进液口3、第二芯片进液口4和芯片出液口6为圆柱形，t型预混合沟道1、微混合结构2和芯片出液沟道5位于树脂芯片的内部，第一芯片进液口3和第二芯片进液口4竖直设置在t型预混合沟道1的左右两端，第一芯片进液口3和第二芯片进液口4的上端与树脂芯片的外部相连通，t型预混合沟道1位于中间侧的端部连接微混合结构2的一端，微混合结构2的另一端连接芯片出液沟道5的一端，芯片出液沟道5的另一端竖直设置有芯片出液口6，芯片出液口6的上端与树脂芯片的外部相连通。
42.t型预混合沟道1的形状为“t”型，“t”型的左右两侧分别为第一进液沟道1-1和第二进液沟道1-2，“t”型的的中间侧为预混合沟道1-3，第一进液沟道1-1和第二进液沟道1-2之间不直接连通，第一进液沟道1-1和第二进液沟道1-2与预混合沟道1-3连通，第一进液沟道1-1和第二进液沟道1-2分别连通第一芯片进液口3和第二芯片进液口4，预混合沟道1-3与微混合结构2相连通。微混合结构2由三组相同的结构单元组成，每一组结构单元由两个相同正方体型的微混合单元和两个相同长方体型的连接沟道组成；微混合单元和连接沟道连通处连接沟道的截面积小于微混合单元的截面积；第一组结构单元包括第一微混合单元2-1、第二微混合单元2-2、第一连接沟道201和第二连接沟道202，第二组结构单元包括第三微混合单元2-3、第四微混合单元2-4、第三连接沟道203和第四连接沟道204，第三组结构单元包括第五微混合单元2-5、第六微混合单元2-6、第五连接沟道205和第六连接沟道206；第一微混合单元2-1的前端连通预混合沟道1-3的后端，第一微混合单元2-1的后端连通第一连接沟道201前端，第一连接沟道201的后端连通第二微混合单元2-2的前端，第二微混合单元2-2的后端连通第二连通沟道202的前端，第二连接沟道202的后端连通第二组结构单元的第三微混合单元2-3的前端；第三微混合单元2-3的后端连通第三连接沟道203前端，第三
连接沟道203的后端连通第四微混合单元2-4的前端，第四微混合单元2-4的后端连通第四连接沟道204的前端，第四连接沟道204的后端连通第三组结构单元的第五微混合单元2-5的前端，第五微混合单元2-5的后端连通第五连接沟道205的前端，第五连接沟道205的后端连通第六微混合单元2-6的前端，第六微混合单元2-6的后端连通第六连接沟道206的前端，第六连接沟道206的后端连通芯片出液沟道5。
43.预混合沟道1-3的后端连通在第一微混合单元2-1的前端右上角，第一微混合单元2-1的后端左上角与第一连接沟道201的前端连通，第二微混合单元2-2的前端左上角与第一连接沟道201的后端连通，第二微混合单元2-2的后端右上角与第二连接沟道202的前端连通，第三微混合单元2-3的前端右上角与第二连接沟道202的后端连通，第三微混合单元2-3的后端左上角与第三连接沟道203的前端连通，第四微混合单元2-4的前端左上角与第三连接沟道203的后端连通，第四微混合单元2-4的后端右上角与第四连接沟道204的前端连通，第五微混合单元2-5的前端右上角与第四连接沟道204的后端连通，第五微混合单元2-5的后端左上角与第五连接沟道205的前端连通，第六微混合单元2-6的前端左上角与第五连接沟道205的前端连通的后端连通，第六微混合单元2-6的后端右上角与第六连接沟道206的前端连通。
44.相应的，左右两侧颠倒的连接也是可以的：预混合沟道1-3的后端连通在第一微混合单元2-1的前端左上角，第一微混合单元2-1的后端右上角与第一连接沟道201的前端连通，第二微混合单元2-2的前端右上角与第一连接沟道201的后端连通，第二微混合单元2-2的后端左上角与第二连接沟道202的前端连通，第三微混合单元2-3的前端左上角与第二连接沟道202的后端连通，第三微混合单元2-3的后端右上角与第三连接沟道203的前端连通，第四微混合单元2-4的前端右上角与第三连接沟道203的后端连通，第四微混合单元2-4的后端左上角与第四连接沟道204的前端连通，第五微混合单元2-5的前端左上角与第四连接沟道204的后端连通，第五微混合单元2-5的后端右上角与第五连接沟道205的前端连通，第六微混合单元2-6的前端右上角与第五连接沟道205的前端连通的后端连通，第六微混合单元2-6的后端左上角与第六连接沟道206的前端连通。
45.前后方向定义为长度的方向，左右方向定义为宽度的方向，上下方向定义为高度的方向，a为任意正数；
46.t型预混合沟道1：第一进液沟道1-1的长为2.5a，高为2.5a，宽为任意数；第二进液沟道1-2的长为2.5a，高为2.5a，宽为任意数；预混合沟道1-3的长为15a，高为a，宽为a；
47.微混合结构2：第一微混合单元2-1、第二微混合单元2-2、第三微混合单元2-3、第四微混合单元2-4、第五微混合单元2-5和第六微混合单元2-6为边长5a的正方体；第一连接沟道201、第二连接沟道202、第三连接沟道203、第四连接沟道204、第五连接沟道205和第六连接沟道206的长为2.5a，高为a，宽为a；第一芯片进液口3、第二芯片进液口4和芯片出液口6为底面半径为5a，高为5a的圆柱体；
48.芯片出液沟道5的长为10a，高为a，宽为a。
49.一种使用用于样品浓度精确调节的微混合器混合液体的方法：通过双通道注射泵将两种相同或不同成分不同浓度的液体分别注入第一进液口101和第二进液口102，在t型预混合沟道1内相遇后流入微混合结构2，截面尺寸在a与5a之间反复突变会形成高速度的液体流束，通过如此轨迹路线得到了充分混合的均匀浓度的液体，经芯片出液沟道5流入到
芯片出液口6，从芯片出液口6流出。
50.用于样品浓度精确调节的微混合器的制备方法：
51.步骤一、利用计算机辅助设计软件comsol multiphysics 5.6绘制出用于样品浓度精确调节的微混合器的三维模型，并以.stl格式传输到sparkstudio切片系统中，通过切片3d微混合器结构设计图得到一系列二维位图文件；
52.步骤二、基于以上二维位图文件，由p150打印系统中的数字微镜设备(dmd)生成数字动态掩模版；
53.步骤三、波长uv at 405nm的紫外光通过数字动态掩模版时，感光树脂材料被曝光并固化，一次曝光可制作一层精密结构层；
54.步骤四、分层固化后的结构依次叠加，得到了用于样品浓度精确调节的微混合器。
55.如图4和图6所示，预混合沟道1-3、微混合结构2和芯片出液沟道5也可以是中心处一条直线设置的，但如此设置的混合效果要弱于左右上角依次交替设置的结构。
56.实施例：
57.通过comsol multiphysics 5.6建立数值仿真模型，分别通过第一进液口和第二进液口注入浓度为1mol/l和2mol/l的样品，用以确定本发明样品浓度可调节范围。原中心处一条直线设置的微混合器结构与左右上角依次交替设置的微混合器结构各出口截面浓度可调范围如下表所示。
[0058][0059]
由两结构浓度可调范围对比可知，当连接单元位置均位于混合单元中心时，样品浓度可调范围可控制在0.32mol/l之内，改变连接单元位置，使其交替处于混合单元右上角-左上角时，样品浓度可调范围可精确控制在0.029mol/l之内。能够有效的控制液体浓度。
[0060]
显然，本发明的上述实施方式仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。