基于增強(qiáng)彎道二次流效應(yīng)的扭曲弧形微混合器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微型混合器芯片，具體地，涉及一種基于增強(qiáng)彎道二次流效應(yīng)的扭曲弧形微混合器。
【背景技術(shù)】
[0002]微型混合器是用于混合流動(dòng)在十分狹窄的通道內(nèi)的小容量流體的設(shè)備。目的是用于生物化學(xué)分析、藥物遞送和核酸系列化或合成的許多微觀流體系統(tǒng)中，微混合器是必須的。例如細(xì)胞活化、酶反應(yīng)和蛋白質(zhì)折疊等生物過(guò)程經(jīng)常涉及要求以混合反應(yīng)物開(kāi)始的反應(yīng)。在進(jìn)行復(fù)雜化學(xué)合成的多種微觀制造的化學(xué)系統(tǒng)中，混合也是必須的。參見(jiàn)“PassiveMixing in a Three-Dimens1nal Serpentine MicroChannel, ?,R.H.Liu, M.A.Stremler, K.V.Sharp, Journal of Microelectromechanical System, Vol.9, N0.1, June 2000。
[0003]與在宏觀世界內(nèi)流動(dòng)的流體相比，當(dāng)流體在近似于人類(lèi)頭發(fā)大小的通道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，稱為層流的現(xiàn)象呈現(xiàn)出十分不同的性質(zhì)。層流還與低雷諾數(shù)(Reynolds number)相關(guān)，該層流使得在稍微混合或沒(méi)有混合的情況下在通道中流體的不同層或者相互相鄰的顆粒發(fā)生運(yùn)動(dòng)(擴(kuò)散除外)。
[0004]如Liu等人利用分類(lèi)法所解釋的，在本文中采用該分類(lèi)法，微觀混合器可分成主動(dòng)或被動(dòng)混合器。被動(dòng)攪拌方案包括簡(jiǎn)單的面內(nèi)分層和混亂的平流攪拌(Liu等人將其定義為材料界面的快速變形和伸長(zhǎng))。主動(dòng)混合器具有移動(dòng)的部件或外部施加的強(qiáng)制函數(shù)，例如壓力、電場(chǎng)或超聲波。被動(dòng)混合器通常利用通道的幾何形狀，增加待混合流體之間的界面面積，或增強(qiáng)流體的混沌效應(yīng)，從而改進(jìn)擴(kuò)散混合的可能性。這些混合器可分成兩種小類(lèi):面內(nèi)混合器和面外或分層混合器，面內(nèi)混合器在限制在一個(gè)平面的流體網(wǎng)絡(luò)內(nèi)分開(kāi)并混合物流，面外或分層混合器利用三維通道幾何形狀。上述引用的Liu等人的論文描述了三維曲折通道的面外被動(dòng)混合器，該混合器依賴于混亂的平流，以及兩個(gè)面內(nèi)混合器:矩形波通道和直線通道。最簡(jiǎn)單的面內(nèi)混合器將兩個(gè)液體流合并到單個(gè)通道內(nèi)，借助于分子擴(kuò)散、取決于時(shí)間和高擴(kuò)散系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)混合，從而混合流體或在流體之間移動(dòng)溶質(zhì)。對(duì)構(gòu)成分子通常是復(fù)雜的低聚或聚合結(jié)構(gòu)的生物試樣來(lái)說(shuō)，這是困難的。面外、分層混合器連續(xù)地分開(kāi)液體流并將液體流堆積在三維流體網(wǎng)絡(luò)中。分層混合器通常要求多層微觀制造技術(shù)，這使得它們對(duì)目標(biāo)為簡(jiǎn)單制造、平面設(shè)計(jì)和容易整合成微觀流體系統(tǒng)的生物分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，不具有吸引力。
[0005]近來(lái)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種微觀流體混合設(shè)備，這些流體設(shè)備試圖改進(jìn)微尺度設(shè)備內(nèi)流體混合。2000年10月24日頒布的、轉(zhuǎn)讓給University of Washington的美國(guó)專(zhuān)利6，136，272描述了在微觀流體通道內(nèi)快速連接和分開(kāi)流體層的裝置，這允許在兩個(gè)方向(深度方向和寬度方向)上進(jìn)行擴(kuò)散混合。不幸的是，該專(zhuān)利中描述的裝置涉及“混合模式”中使用的彎曲的橋連通道(curved bridge channel)，該裝置沒(méi)有描述在這些通道中的離心混合，實(shí)際上表現(xiàn)出致力于將分離的層流流動(dòng)保持在橋連通道中。在這些裝置中出現(xiàn)的唯一混合表現(xiàn)出存在于平行的直通道中，平行的直通道位于任何橋連通道的下游。
[0006]增強(qiáng)二次流效應(yīng)是一種提高混合效率比較有效的方法，當(dāng)流體經(jīng)過(guò)弧形彎道時(shí)，由于同橫截面上的壓力和流速不同，會(huì)產(chǎn)生橫截面上的二次流，這種二次流可以有效增強(qiáng)液體混合程度。本發(fā)明就是基于二次流效應(yīng)，設(shè)計(jì)盡可能多的彎道形成二次流而提高混合效率。
[0007]盡管近年來(lái)的微型混合器有了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但在多個(gè)領(lǐng)域中仍存在未滿足的需要，不足以在微觀流體裝置中有效、可靠和可重復(fù)地混合一種或多種實(shí)際和試樣。例如，生物化學(xué)分析、藥物遞送和核酸系列化或合成、例如細(xì)胞活化、酶反應(yīng)和蛋白質(zhì)折疊等生物過(guò)程通常涉及要求在微空間中混合反應(yīng)物以開(kāi)始的反應(yīng)。在進(jìn)行復(fù)雜化學(xué)合成(例如組合化學(xué))的多種微觀制造的化學(xué)系統(tǒng)中，混合也是必須的。除滿足生化反應(yīng)的要求外，如何利用盡可能簡(jiǎn)單的工藝制備出高效的微混合器也是擴(kuò)展混合器應(yīng)用范圍的有效途徑，現(xiàn)有的大部分微混合器并不能完全滿足以上要求。
[0008]隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)技術(shù)與生命科學(xué)、分析科學(xué)等學(xué)科的迅猛發(fā)展，生物MEMS (B1-MEMS)技術(shù)以及基于B1_MEMS技術(shù)的微全分析系統(tǒng)(Micro Total Analysis System, μ TAS)逐步成為人們的研究熱點(diǎn)。本發(fā)明就是基于MEMS技術(shù)制備而成的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于增強(qiáng)彎道二次流效應(yīng)的扭曲弧形微混合器。
[0010]根據(jù)本發(fā)明提供的基于增強(qiáng)彎道二次流效應(yīng)的扭曲弧形微混合器，包括多個(gè)進(jìn)口、混合管道、弧形彎道混合矩陣以及出口 ；
[0011]其中，所述多個(gè)進(jìn)口通過(guò)所述混合管道連通所述弧形彎道混合矩陣的一端；所述弧形彎道混合矩陣的另一端連通所述出口；
[0012]所述弧形彎道混合矩陣包括多個(gè)依次連通的弧形彎道混合單元。
[0013]優(yōu)選地，所述弧形彎道混合單元包括第一弧形通道、第二弧形通道、第三弧形通道和第四弧形通道；
[0014]其中，所述第一弧形通道、所述第二弧形通道、所述第三弧形通道和所述第四弧形通道依次相連；
[0015]多個(gè)所述弧形彎道混合單元依次相連構(gòu)成弧形彎道混合陣列，其中相鄰的兩個(gè)所述弧形彎道混合單元中，兩個(gè)中的一所述弧形彎道混合單元連接兩個(gè)中的另一弧形彎道混合單元的第一弧形通道或第四弧形通道；
[0016]多個(gè)所述弧形彎道混合陣列依次相連構(gòu)成弧形彎道混合矩陣，其中相鄰的兩個(gè)弧形彎道混合陣列中，兩個(gè)中的一弧形彎道混合陣列連接兩個(gè)中的另一弧形彎道混合陣列的一端或另一端。
[0017]優(yōu)選地，所述第一弧形通道、所述第二弧形通道和所述第三弧形通道呈半圓弧形；所述第四弧形通道呈1/4圓弧形；
[0018]所述第一弧形通道和所述第四弧形通道的曲率半徑為0.15mm至1mm ;所述第二弧形通道和所述第三弧形通道的曲率半徑為0.05mm至0.3_。
[0019]優(yōu)選地，所述多個(gè)進(jìn)口、所述混合管道、所述弧形彎道混合陣列和所述出口通過(guò)將聚二甲基硅氧烷澆鑄體鍵合在所述玻璃基底制成。
[0020]優(yōu)選地，所述聚二甲基硅氧烷澆鑄體通過(guò)澆鑄模板制成；
[0021]所述澆鑄模板采用如下方法制成:
[0022]-在硅片上面旋涂負(fù)性光刻膠進(jìn)行烘干處理，通過(guò)光刻機(jī)透過(guò)帶有圖形的掩模板曝光、顯影圖形化后，在硅片上面形成具有流道的澆鑄模板；
[0023]所述聚二甲基硅氧烷澆鑄體采用如下方法制成:
[0024]-將二甲基硅氧烷預(yù)聚體和固化劑混勻后澆鑄在所述澆鑄模板上，保溫處理若干個(gè)小時(shí)后取出，揭下澆鑄體，并切割成所述聚二甲基硅氧烷澆鑄體。
[0025]優(yōu)選地，所述弧形混合彎道單元包括多個(gè)不同曲率半徑的弧形彎道順次相連而成。
[0026]優(yōu)選地，所述混合管道為寬度20 μπι至150 μm，高度為20 μπι至50 μπι的矩形管道。
[0027]優(yōu)選地，所述進(jìn)口和所述出口為圓柱形空腔結(jié)構(gòu)，所述圓柱形空腔結(jié)構(gòu)直徑為0.5至 2mm。
[0028]優(yōu)選地，多個(gè)所述弧形混合彎道單元按照先左扭曲再右扭曲的原則相連構(gòu)成弧形彎道混合陣列；
[0029]多個(gè)所述弧形彎道混合陣列按照先左扭曲再右扭曲的原則相連構(gòu)成弧形彎道混合矩陣。
[0030]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0031]1、混合速度快，本發(fā)明與較常用的S型混合管道相比，此混合器的混合速度隨著混合長(zhǎng)度增加呈非線性增長(zhǎng)；
[0032]2、利用率高，一般混合器混合速率和芯片利用率無(wú)法兼具，要求混合速率則需要復(fù)雜的混合結(jié)構(gòu)和較大的芯片面積，而芯片面積小則無(wú)法提高混合速率。本發(fā)明在提高混合速率的同時(shí)增大的芯片面積利用率，即聚二甲基硅氧烷澆鑄體的面積利用率；
[0033]3、通用性強(qiáng)，微型混合器由于受限于制備工藝和材料，大都無(wú)法滿足各種性質(zhì)的混合試劑，特別是生物大分子如蛋白質(zhì)、核酸等，而此本發(fā)明僅用惰性的PDMS和玻璃作為通道構(gòu)筑材料，光譜使用性較高；
[0034]4、制備工藝簡(jiǎn)單，本發(fā)明與其他微流控芯片工藝兼容性強(qiáng)，在設(shè)計(jì)上綜合考慮了MEMS制備工藝，做到了芯片制備工藝的兼容性，制作工藝簡(jiǎn)單，易于批量化生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0035]通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0036]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖2為本發(fā)明的橫截面示意圖；
[0038]圖3為本發(fā)明中弧形