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      非對(duì)稱分離重組扇形空腔結(jié)構(gòu)微混合器的制作方法

      文檔序號(hào):4991843閱讀:335來源:國知局
      專利名稱:非對(duì)稱分離重組扇形空腔結(jié)構(gòu)微混合器的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及生物芯片和微全分析系統(tǒng)中液體微混合的技術(shù)領(lǐng)域,這種基于平面內(nèi)非對(duì)稱分離重組微混合原理的被動(dòng)式微混合器結(jié)構(gòu)能有效提高不同液體之間的混合強(qiáng)度, 實(shí)現(xiàn)微尺度下流體的快速混合。
      背景技術(shù)
      伴隨著大量流體系統(tǒng)微型化趨勢的發(fā)展,微流控系統(tǒng)特別是微泵、微閥和微混合器的研究得到了重視。基于塑料基底的微細(xì)加工技術(shù)快速發(fā)展為微流控microfIuidics在生物芯片及微全分析系統(tǒng)關(guān)于生物分析、化學(xué)合成和臨床測試等應(yīng)用中具有越來越重要的作用。由于在兩股或多股流體進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時(shí),必須解決它們之間的有效混合,因而微混合器是微流控中的重要組成部分,實(shí)現(xiàn)微尺度下流體的快速混合也變得至關(guān)重要。根據(jù)有無外界動(dòng)力源的情況,用于微流動(dòng)系統(tǒng)中的微混合器可分為主動(dòng)式微混合器和被動(dòng)式微混合器。而后者區(qū)別于前者最大的特點(diǎn)是混合器不需要額外提供動(dòng)力,通過借助各種不同形狀和結(jié)構(gòu)的微通道來控制混合過程。混沌對(duì)流和優(yōu)化通道結(jié)構(gòu)是加強(qiáng)被動(dòng)式微混合器中流體擴(kuò)散和混合的最佳選擇。許多具有較好混合效果的被動(dòng)式微混合器都借助混沌對(duì)流增加了流體間的拉伸與折疊,大大增加流體間的接觸面積加強(qiáng)混合。平面內(nèi)分離重組微混合是較為常見被動(dòng)式微混合結(jié)構(gòu),它通過提高混合工質(zhì)對(duì)流強(qiáng)度以形成大量流體片層,從而增大混合工質(zhì)的接觸面積利于混合。微混合器借助此方法可以在有限的通道長度內(nèi)會(huì)的較高的混合效果。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明的目的是從快速高效原則出發(fā),提出了一種結(jié)構(gòu)簡單,加工便易的單一平面式液體微混合器,用于實(shí)現(xiàn)在生物芯片或微全分析系統(tǒng)中不同液體之間的快速均勻混合,強(qiáng)化混合效果,加速混合時(shí)間。本發(fā)明在T型微混合器上等距布置圓環(huán)形非對(duì)稱分離重組通道和扇形空腔結(jié)構(gòu), 借助微混合通道幾何形狀變化來加大擾動(dòng),即在二維度平面內(nèi)增加擾流度,大大提高了加工簡便的單一平面式被動(dòng)微混合器的混合效果。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案非對(duì)稱分離重組扇形空腔結(jié)構(gòu)微混合器,在T型微混合器的主 通道3上分離出半圓環(huán)形主次通道4和副次通道5,主次通道4的寬度小于副次通道5的寬度,主次通道4和副次通道5構(gòu)成圓環(huán)形非對(duì)稱分離重組通道,并在主次通道4上排布扇形空腔結(jié)構(gòu)6,每一個(gè)圓環(huán)形非對(duì)稱分離重組通道采用相對(duì)方向交叉排布的方式沿主通道的軸向等距布置。主次通道4與副次通道5的寬度值之和恒等于主通道3寬度。主次通道4和副次通道5所在圓環(huán)結(jié)構(gòu)的圓心位置固定在主通道3的中心線上。主次通道4與扇形空腔結(jié)構(gòu)6之間滿足關(guān)系w3/wl = 3 1,其中w3表示扇形空腔結(jié)構(gòu)6的寬度,wl表示主次通道4的寬度。
      本發(fā)明的工作原理是兩種不同組分流體從不同通道入口流進(jìn)微混合器,在T型通道內(nèi)匯合并完成極少程度擴(kuò)散后共同流入主通道。此時(shí)的擴(kuò)散僅限于分子擴(kuò)散,程度很弱。隨后,主通道分離成不同通道寬度的兩個(gè)次通道,經(jīng)過半圓周長路程后再次匯合。而在主次通道上該微混合器布置了扇形空腔結(jié)構(gòu)。當(dāng)流體流經(jīng)次通道時(shí),主次通道內(nèi)的質(zhì)量流速遠(yuǎn)大于副次通道的質(zhì)量流速。因此,主次通道內(nèi)流經(jīng)流體的慣性力也大于副次通道內(nèi)流體的慣性力。慣性力的不同導(dǎo)致流體在流經(jīng)不同寬度次通道后在匯合處形成了不平衡碰撞。每次流體在匯合處發(fā)生碰撞后,副次通道內(nèi)的流體則在主次通道流體慣性力的帶動(dòng)下改變流動(dòng)方向,與主次通道內(nèi)大部分流體一同流入下一單元的主次通道。流體經(jīng)過N個(gè)相同循環(huán)單元后從微混合器通道出口流出,完成混合過程。本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)與效果 1非對(duì)稱分離重組扇形空腔結(jié)構(gòu)微混合器彎曲通道內(nèi)Dean渦系運(yùn)動(dòng),交叉通道區(qū)分離重組現(xiàn)象和扇形空腔突擴(kuò)與突縮結(jié)構(gòu)等多種混合機(jī)理產(chǎn)生的疊加效應(yīng)最大程度上提高了液體工質(zhì)的混合強(qiáng)度;2扇形空腔的突擴(kuò)結(jié)構(gòu)的存在使混合工質(zhì)流體在扇形空腔結(jié)構(gòu)的入口處形成了擴(kuò)展渦系,對(duì)微通道內(nèi)層流流動(dòng)產(chǎn)生了較大擾動(dòng),加大了不同工質(zhì)流體之間的接觸面積,進(jìn)而增強(qiáng)其混合效果;3變截面突縮結(jié)構(gòu)提高了扇形空腔內(nèi)流體的質(zhì)量流速,加劇了流體進(jìn)入下一循環(huán)單元前的不平衡碰撞,從而進(jìn)一步加大擾動(dòng);4與其他類似的T型結(jié)構(gòu)微混合器相比,由于各種混合機(jī)理發(fā)生在不同維度平面內(nèi),該微混合器的混合效果有明顯提高,這也是其區(qū)別于其他T型結(jié)構(gòu)微混合器的創(chuàng)新之處。


      圖1為本發(fā)明中提到的非對(duì)稱分離重組扇形空腔微混合器結(jié)構(gòu)平面示意圖。圖2為微混合器結(jié)構(gòu)的三維示意圖。圖3為微混合器的玻璃底板示意圖。圖4為微混合器的上玻璃蓋板示意圖。圖中1、通道入口,2、通道入口,3、主通道,4、主次通道,5、副次通道,6、扇形空腔結(jié)構(gòu),7、通道出口,8、分離重組結(jié)構(gòu)循環(huán)單元中心節(jié)距。
      具體實(shí)施例方式實(shí)施例下面結(jié)合附圖及非對(duì)稱分離重組扇形空腔微混合器在納米流體制備中的應(yīng)用對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述在納米流體的一步法制備中,為了控制反應(yīng)生成的納米顆粒粒徑大小,需要對(duì)通入T型微通道內(nèi)的兩種不同反應(yīng)物進(jìn)行充分混合。因而用于混合的微混合器是微流控系統(tǒng)中重要組成部分,實(shí)現(xiàn)微尺度下流體的快速混合同樣至關(guān)重要。該微混合器由玻璃材質(zhì)加工而成,先在玻璃底板上用化學(xué)濕法刻蝕的方法加工出具有非對(duì)稱分離重組扇形空腔結(jié)構(gòu)的微混合器通道,然后與在相對(duì)通道出入口位置上打孔的耐熱玻璃進(jìn)行高溫鍵合,封閉玻璃底板的微混合器通道。在玻璃上蓋板預(yù)留的三個(gè)孔布置接口,連接特氟隆塑料導(dǎo)管后完成實(shí)驗(yàn)件封裝準(zhǔn)備。 如圖1所示,本實(shí)施例中的微混合器通道深度為200 μ m,由4個(gè)相同的非對(duì)稱分離重組扇形空腔結(jié)構(gòu)6組成,采用相對(duì)方向交叉排布的布置方式。該微混合器的主通道3 的寬度為0. 3mm,為保證流體流經(jīng)不同寬度通道時(shí)質(zhì)量流量的恒定,主次通道4與副次通道 5的寬度值之和恒等于主通道3的寬度。非對(duì)稱分離通道的主次通道4與扇形空腔結(jié)構(gòu)6 之間滿足關(guān)系W3ZV1 = 3 1,其中W3表示扇形空腔結(jié)構(gòu)6的寬度,Wl表示主次通道4的寬度。玻璃上蓋板對(duì)應(yīng)出入口的位置三個(gè)孔洞直徑為600 μ m。用于制備納米流體兩種不同組分不同濃度的反應(yīng)物流體在微注射泵的壓力驅(qū)動(dòng)下從圖中所示的通道入口 1和通道入口 2流入T型微通道,并在進(jìn)入主通道前會(huì)合與主通道中心線位置處,且完成了程度很弱的分子擴(kuò)散,形成明顯的分界面后共同流入主通道3。 隨后,主通道3由于不對(duì)稱分離通道結(jié)構(gòu)被分割流入不同通道寬度的兩個(gè)次通道,經(jīng)過半圓周長路程后再次匯合,流體流經(jīng)主次通道4的過程中會(huì)流過布置在其上的扇形空腔結(jié)構(gòu) 6。同時(shí),由于次通道的不對(duì)稱布置,主次通道4內(nèi)的質(zhì)量流速遠(yuǎn)大于副次通道5的質(zhì)量流速。即主次通道4內(nèi)流經(jīng)流體的慣性力也大于副次通道5內(nèi)流體的慣性力。慣性力的不同導(dǎo)致流體在流經(jīng)不同寬度次通道后在匯合處形成了不平衡碰撞。每次流體在匯合處發(fā)生碰撞后,副次通道5內(nèi)的流體則在主次通道流體慣性力的帶動(dòng)下改變流動(dòng)方向,與主次通道4 內(nèi)大部分流體一同流入下一單元的主次通道4。流體經(jīng)過N個(gè)相同循環(huán)單元后從微混合器通道出口 8流出,完成混合過程。微混合器的混合效能評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)由混合強(qiáng)度M值來判斷,該值介于0與1之間,其中混合強(qiáng)度為0表示組分間完全無混合發(fā)生,混合強(qiáng)度為1表示組分間混合進(jìn)行的非常徹底,實(shí)際中混合強(qiáng)度越大表示混合進(jìn)行的越充分。通過模擬試驗(yàn)表明, 在一定入口 Re數(shù)條件下,非對(duì)稱分離重組扇形空腔微混合器的混合強(qiáng)度值可達(dá)到75%左右,完全滿足納米流體制備中的化學(xué)反應(yīng)需求。
      權(quán)利要求
      1.非對(duì)稱分離重組扇形空腔結(jié)構(gòu)微混合器,其特征在于在T型微混合器的主通道(3) 上分離出半圓環(huán)形主次通道(4)和副次通道(5),主次通道(4)的寬度小于副次通道(5)的寬度,主次通道(4)和副次通道( 構(gòu)成圓環(huán)形非對(duì)稱分離重組通道,并在主次通道(4)上排布扇形空腔結(jié)構(gòu)(6),每一個(gè)圓環(huán)形非對(duì)稱分離重組通道采用相對(duì)方向交叉排布的方式沿主通道的軸向等距布置。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對(duì)稱分離重組扇形空腔結(jié)構(gòu)微混合器,其特征在于主次通道⑷與副次通道(5)的寬度值之和恒等于主通道(3)寬度。
      3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對(duì)稱分離重組扇形空腔結(jié)構(gòu)微混合器,其特征在于主次通道(4)和副次通道(5)所在圓環(huán)結(jié)構(gòu)的圓心位置固定在主通道(3)的中心線上。
      4.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的非對(duì)稱分離重組扇形空腔結(jié)構(gòu)微混合器,其特征在于主次通道(4)與扇形空腔結(jié)構(gòu)(6)之間滿足關(guān)系W3ZV1 = 3 1,其中W3表示扇形空腔結(jié)構(gòu)(6)的寬度,W1表示主次通道的寬度。
      全文摘要
      本發(fā)明公開了是一種非對(duì)稱分離重組扇形空腔結(jié)構(gòu)微混合器,其應(yīng)用涉及生物芯片和微全分析系統(tǒng)中液體微混合等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。該被微混合器的非對(duì)稱分離重組扇形空腔結(jié)構(gòu)通過提高混合工質(zhì)對(duì)流強(qiáng)度以形成大量流體片層,從而增大混合工質(zhì)的接觸面積利于混合。本發(fā)明的主要技術(shù)方案是在T型微混合器上等距布置圓環(huán)形非對(duì)稱分離重組通道和扇形空腔結(jié)構(gòu),借助微混合通道幾何形狀變化來加大擾動(dòng),即在二維度平面內(nèi)增加擾流度,大大提高了加工簡便的單一平面式被動(dòng)微混合器的混合效果。與其他類似的T型結(jié)構(gòu)微混合器相比,由于各種混合機(jī)理發(fā)生在不同維度平面內(nèi),該微混合器的混合效果有明顯提高。
      文檔編號(hào)B01F5/06GK102151504SQ20111004839
      公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
      發(fā)明者吳宏杰, 周明正, 夏國棟, 李健 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)
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