本發(fā)明涉及微流控芯片領(lǐng)域，特別是涉及一種具有橢圓形溝槽的方波被動(dòng)式微混合器。

背景技術(shù)：

微流體分析設(shè)備由于其具有設(shè)備緊湊，分析速度快，成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為對(duì)現(xiàn)有大型分析設(shè)備在分析檢測(cè)領(lǐng)域的良好補(bǔ)充。密閉的微通道和腔體能夠有效地隔離人與試劑的接觸，保障人身安全以及避免了試劑的污染；反應(yīng)速度加快，分析能力提高，強(qiáng)于宏觀(guān)的人工操作；試劑消耗量為微升級(jí)別，甚至更低；能夠以低成本大量生產(chǎn)，推廣使用。其中微尺度下的微量液體混合在微全分析系統(tǒng)（μ-TAS）或芯片實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)成為重要的微流體操作，微混合器也成為了微全分析系統(tǒng)中重要的前處理單元。采用微型器件實(shí)現(xiàn)液體的快速混合，有利于在芯片實(shí)現(xiàn)樣本的快速處理和高通量分析。相較于宏觀(guān)混合器，微混合器具有顯著的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)⒃噭┝康南慕档偷轿⒚咨踔粮偷募?jí)別，混合速度和效率極大的提高，微型的體積易于集成在微全分析系統(tǒng)中。

目前文獻(xiàn)報(bào)道的微混合器設(shè)計(jì)分為主動(dòng)微混合器和被動(dòng)微混合器。主動(dòng)微混合器主要依賴(lài)外界動(dòng)力（如超聲，磁，機(jī)械攪拌等）實(shí)現(xiàn)對(duì)微通道內(nèi)流體的擾動(dòng)以達(dá)到混合效果，設(shè)計(jì)相對(duì)較為復(fù)雜，制作難度大。被動(dòng)微混合器主要遵循拉伸和折疊流體通道以增大流體之間的接觸面積，以促進(jìn)擴(kuò)散；通過(guò)優(yōu)化微通道的設(shè)計(jì)，例如擋板或障礙，實(shí)現(xiàn)液體的分流或者增加通道中液體的混沌對(duì)流，以促進(jìn)混合效率。由于被動(dòng)微混合器無(wú)需任何外界動(dòng)力，加工難度小，易于集成，所以二維平面微混合器目前仍是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

由于在微觀(guān)尺度下，流體雷諾數(shù)低，液體之間的混合主要依賴(lài)擴(kuò)散，微混合器的實(shí)現(xiàn)手段大多是盡可能地將混合通道設(shè)計(jì)的復(fù)雜，拉伸和折疊流體，以增加液體之間的接觸面積，促進(jìn)擴(kuò)散。然而，過(guò)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)會(huì)增加加工工藝難度，以及增加通道中死體積的產(chǎn)生，影響芯片的制作成本以及使用壽命。所以，在微混合器通道的設(shè)計(jì)時(shí)，需要在盡可能的提高對(duì)流體的擾動(dòng)的同時(shí)避免復(fù)雜的通道設(shè)計(jì)。

早在1989年，Jones等人就提出在扭曲的管道中層流流體能夠產(chǎn)生混沌對(duì)流（Scott W Jones, O.M.T., Hassan Aref, Chaotic advection by laminar flow in a twisted pipe. J . Fluid Mech, 1989. 209），這種混沌對(duì)流能夠促進(jìn)液體的混合?；诖死砟?，最簡(jiǎn)單的微混合器模型就是鋸齒型、S型和方波型混合通道。Hossain等人（Shakhawat Hossain, M.A.A., Kwang-Yong Kim, Evaluation of the mixing performance of three passive micromixers. Chemical Engineering Journal, 2009. 150）對(duì)比了這三種微混合器的性能，結(jié)果顯示方波混合器較其他兩種混合器在混合效率上略有優(yōu)勢(shì)。Chen等人（Chen, X.Y., et al., Numerical and experimental investigation on micromixers with serpentine microchannels. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2016. 98: p. 131-140）采用數(shù)值模擬的方法也對(duì)幾種蛇形通道的微混合器進(jìn)行對(duì)比，也得出方波具有優(yōu)勢(shì)的結(jié)論。Ansari等人（Ansari, M.A., et al., Non-aligned bilayer square-wave bend microchannel for mixing.Journal of Mechanical Science and Technology, 2013. 27(12): p. 3851-3859）采用復(fù)雜的三維非對(duì)齊的雙層方波混合器改進(jìn)了原始的方波混合器設(shè)計(jì)，混合效率有所提升，但設(shè)計(jì)復(fù)雜。

上述文獻(xiàn)都表明，方波的混合效率隨著雷諾數(shù)的增加而增加，然而，在低雷諾數(shù)下的混合效率低，而大多數(shù)基于微流控芯片的生物化學(xué)流體都是低雷諾數(shù)流體，限制了方波混合器在低雷諾數(shù)下混合領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，有必要研制一種新型的方波混合器，提高其在低雷諾數(shù)時(shí)的混合效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種方波被動(dòng)式微混合器。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種方波被動(dòng)式微混合器，包括至少一個(gè)進(jìn)液口、與所述進(jìn)液口連通的入口通道、出口通道、用于連通所述入口通道和出口通道的至少一個(gè)混合單元；所述混合單元包括多個(gè)豎直設(shè)置的垂直通道，相鄰兩個(gè)垂直通道之間通過(guò)水平通道連通，使得混合單元內(nèi)部整體連通；當(dāng)所述混合單元數(shù)量為兩個(gè)或兩個(gè)以上時(shí)，第一個(gè)混合單元的入口與所述入口通道連通，第一個(gè)混合單元的出口為第二個(gè)混合單元的入口，以此類(lèi)推，最后一個(gè)混合單元的出口與所述出口通道連通。

優(yōu)選地，所述垂直通道和水平通道上均設(shè)有用于增加液體接觸面積以及形成渦流促進(jìn)液體混合的凸起。

所述垂直通道左右兩側(cè)、水平通道上下兩側(cè)均設(shè)有所述凸起，且所述垂直通道左右兩側(cè)的凸起交錯(cuò)布置，所述水平通道上下兩側(cè)的凸起交錯(cuò)布置，增加液體接觸面積，促進(jìn)液體混合。

所述凸起橫截面為半橢圓形，進(jìn)一步增加液體接觸面積，促進(jìn)混合。

所述橢圓凸起的長(zhǎng)軸與短軸比例為1.25~1.85，進(jìn)一步提高整體混合效率。

所述水平通道寬度與垂直通道寬度比為1~2.5，在提升了混合效率的同時(shí)，減小壓力。

所述混合單元通道刻蝕的深度為50~200微米之間，保證混合單元的刻蝕工藝簡(jiǎn)單。

進(jìn)液口數(shù)量為兩個(gè)，分別設(shè)置在所述入口通道的兩側(cè)，且均與所述入口通道連通。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：本發(fā)明在較寬雷諾數(shù)范圍內(nèi)增加了液體混合效率，尤其是能夠克服傳統(tǒng)方波混合器在低雷諾數(shù)下（Re=0.5~100）混合效率低的問(wèn)題；無(wú)需加入任何外部裝置，采用平面微混合器通道設(shè)計(jì)，無(wú)任何垂直方向上的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加工簡(jiǎn)易，成本低廉，易于集成，適合于規(guī)模化生產(chǎn)應(yīng)用，易于其在微流控分析系統(tǒng)中的集成；采用優(yōu)化的方波結(jié)構(gòu)，橫縱通道之比在1.5~2.5范圍內(nèi)，在提高混合效率情況下，未造成入口與出口之間高壓力降；橢圓形的溝槽設(shè)計(jì)，基于仿生學(xué)的原理（Wang, H.Y., et al., Spindle-shaped microfluidic chamber with uniform perfusion flows[J]. Microfluidics and Nanofluidics. 2013, 15: p. 839-845），其流線(xiàn)型通道能夠在提高混和效率的同時(shí)，有效地避免液體殘留，易清洗，實(shí)現(xiàn)微混合器的重復(fù)使用；避免了采用擋板等增加壓力降的設(shè)計(jì)，相較于無(wú)溝槽設(shè)計(jì)的方波混合器，壓力降隨著雷諾數(shù)的增大有所降低，采用簡(jiǎn)單的半橢圓溝槽設(shè)計(jì)增強(qiáng)了混合的效果。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明微流體混合器的平面示意圖；

圖2為本發(fā)明微流體混合器的三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3（a）～圖3（e）為方波混合單元在不同水平通道寬度/垂直通道寬度（w1/w2）比值下的混合性能；圖3（f）為為方波混合單元在不同水平通道寬度/垂直通道寬度（w1/w2）比值下的混合性能對(duì)比；

圖4（a）為不同微通道溝槽微通道的流線(xiàn)圖；

圖4（b）為非對(duì)稱(chēng)橢圓形溝槽微通道在不同雷諾數(shù)下的流線(xiàn)圖；

圖5（a）為本發(fā)明微流體混合器混合性能與混合單元周期數(shù)的關(guān)系的質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖；

圖5（b）為本發(fā)明微流體混合器混合性能與混合單元周期數(shù)的關(guān)系數(shù)值圖；

圖6（a）為本發(fā)明微流體混合器與普通方波混合器的混合效率對(duì)比；

圖6（b）為本發(fā)明微流體混合器與普通方波混合器的壓力降對(duì)比；

圖7（a）本發(fā)明混合器通道X軸方向不同截面位置示意圖；

圖7（b）為本發(fā)明微流體混合器與普通方波混合器在混合通道的不同截面上的混合性能對(duì)比；

圖8為本發(fā)明微流體混合器在有機(jī)溶劑與生物試劑條件下的混合性能對(duì)比；

圖9（a）為本發(fā)明微流體混合器在不同刻蝕深度下的混合效率變化情況；

圖9（b）為本發(fā)明微流體混合器在不同刻蝕深度下的壓力降變化情況；

圖10為本發(fā)明微流體混合器微通道上不同尺寸的橢圓凸起對(duì)混合效率的影響。

具體實(shí)施方式

如圖1和圖2所示，本發(fā)明包括兩個(gè)進(jìn)液口5、與所述進(jìn)液口5連通的入口通道1、出口通道2、用于連通所述入口通道和出口通道的至少一個(gè)混合單元；所述混合單元包括多個(gè)豎直設(shè)置的垂直通道4，相鄰兩個(gè)垂直通道4之間通過(guò)水平通道3連通，使得混合單元內(nèi)部整體連通；當(dāng)所述混合單元數(shù)量為兩個(gè)或兩個(gè)以上時(shí)，第一個(gè)混合單元的入口與所述入口通道連通，第一個(gè)混合單元的出口為第二個(gè)混合單元的入口，以此類(lèi)推，最后一個(gè)混合單元的出口與所述出口通道連通。

如圖1，混合單元中的垂直通道和水平通道形成多個(gè)互相連通的U型和倒U型結(jié)構(gòu)，U型和倒U型的直角部分用于快速改變液體流向，產(chǎn)生混沌對(duì)流，促進(jìn)液體混合。

垂直通道4和水平通道3上均設(shè)有用于增加液體接觸面積以及形成渦流促進(jìn)液體混合的凸起6。

實(shí)施例一：方波通道設(shè)計(jì)

采用ANSYS Fluent軟件對(duì)流體進(jìn)行仿真模擬以測(cè)試混合器性能，采用的材料為水，密度為1000kg·m^-3，運(yùn)動(dòng)粘度為10^-6m²·s^-1，質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)為10^-9m²·s^-1?；旌掀鞯哪Ｐ蜑槿S，如圖2所示，混合計(jì)算模型采用組分輸運(yùn)模型，通過(guò)觀(guān)察混合后出口平面上組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)判斷混合狀況。兩端的進(jìn)液速度為0.04m/s，雷諾數(shù)為3.2。本實(shí)施例對(duì)方波混合單元，在不同的水平通道寬度（w1）/垂直通道寬度（w2）比值（0.5、0.8、1、2、4）情況下，測(cè)試了方波單元的性能。結(jié)果顯示，如圖3（a-e）所示隨著w1/w2的增大，混合效率上升，雖然上升幅度不大，但是由于混合效率與周期數(shù)呈正比，所以單個(gè)周期混合效率的提高會(huì)導(dǎo)致混合器整體效率的顯著提升；此外出口與入口之間的壓力降也隨w1/w2的值的增大而增加（如圖3（f）所示），所以綜合考慮提升混合效率與得到較小的壓力降，本發(fā)明提出的w1/w2=1~2.5的通道設(shè)計(jì)（為了設(shè)計(jì)尺寸便捷，本實(shí)施例采用w1/w2=2），在提升了混合效率的同時(shí)，壓力降小。

實(shí)施例二：優(yōu)化的半橢圓型溝槽設(shè)計(jì)

本實(shí)施例研究了在方波混合單元通道的基礎(chǔ)上增加不同圓形溝槽對(duì)流體的影響，在Re=1時(shí)，如圖4（a）所示，分別對(duì)比了無(wú)溝槽、半圓形溝槽、3/4圓溝槽、半橢圓溝槽等情況的通道中的流動(dòng)情況，通過(guò)對(duì)比上述情況下的質(zhì)量分?jǐn)?shù)流線(xiàn)圖可知無(wú)任何溝槽的直線(xiàn)通道液體表現(xiàn)層流狀態(tài)，混合僅僅依靠擴(kuò)散；半圓形溝槽中的流線(xiàn)明顯增大，因此增加了液體接觸面積，促進(jìn)了混合；3/4圓溝槽中流線(xiàn)較少，產(chǎn)生了渦流，液體接觸面積并未增加，對(duì)混合促進(jìn)較少；半橢圓形溝槽具有與半圓形溝槽相當(dāng)?shù)牧骶€(xiàn)，且產(chǎn)生了渦流；且隨著雷諾數(shù)的增加，半橢圓形溝槽中流線(xiàn)相對(duì)減少，渦流顯著增加，且Re=0.1~100時(shí)（如圖4（b）），都具有明顯的二次流和渦流。在對(duì)比了對(duì)稱(chēng)半橢圓設(shè)計(jì)和非對(duì)稱(chēng)半橢圓設(shè)計(jì)后，發(fā)現(xiàn)本發(fā)明提出的非對(duì)稱(chēng)半橢圓的混合效率高。

實(shí)施例三：一種具有橢圓形溝槽的方波被動(dòng)式微混合器混合性能與周期的關(guān)系

將半橢圓溝槽以非對(duì)稱(chēng)形式均勻分布在已優(yōu)化的方波通道的兩側(cè)，如圖1所示，液體分別從入口5進(jìn)入微混合器，層流液體經(jīng)過(guò)方波單元的直角轉(zhuǎn)彎處，產(chǎn)生混沌對(duì)流，隨后流經(jīng)方波垂直通道上的凸起，產(chǎn)生由康達(dá)效應(yīng)導(dǎo)致的混沌對(duì)流以及渦流，隨后再次流經(jīng)方波單元的直角轉(zhuǎn)彎處，以此類(lèi)推，在流經(jīng)幾個(gè)方波周期后，實(shí)現(xiàn)液體的充分混合。進(jìn)液速度為0.5m/s，對(duì)應(yīng)雷諾數(shù)為40。本實(shí)施例驗(yàn)證了增強(qiáng)型方波混合器性能與方波周期數(shù)的關(guān)系，一個(gè)周期的定義為垂直通道-水平通道-垂直通道-水平通道，結(jié)果表明（如圖5（a）和圖5（b）所示），混合效率隨著周期數(shù)的增加而增加，基本呈線(xiàn)性關(guān)系，此外，入口與出口之間的壓力降也與周期數(shù)呈正相關(guān)線(xiàn)性關(guān)系，在5個(gè)周期的情況下，能夠達(dá)到接近90%的混合效率，使用本發(fā)明提出的橢圓形溝槽的方波被動(dòng)式微混合器，選定混合單元周期數(shù)為5，已能夠滿(mǎn)足混合要求。

實(shí)施例四：相同周期數(shù)下，對(duì)比有無(wú)橢圓形溝槽設(shè)計(jì)條件下的混合器性能

在確定混合器單元設(shè)計(jì)以及混合器周期數(shù)后，本實(shí)施例在不同雷諾數(shù)下，對(duì)比了混合器性能的表現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)流體仿真，入口5所進(jìn)液體均為水，密度為10³kg/m³，擴(kuò)散系數(shù)為10^-9m²/s，動(dòng)力粘度為10^-6m²/s，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別設(shè)為0和1。相同周期數(shù)下，對(duì)比有無(wú)橢圓形溝槽設(shè)計(jì)混合器混合性能。結(jié)果如圖6（a）所示，具有橢圓形溝槽的方波混合器全面提高了在各個(gè)雷諾數(shù)下的微混合器的混合效率，克服了方波混合器在低雷諾數(shù)下混合效率低的難題，與Cheri等人（Cheri, M.S., et al., Simulation and experimental investigation of planar micromixers with short-mixing-length. Chemical Engineering Journal, 2013. 234: p. 247-255）2013年在Chemical Engineering Journal雜志上報(bào)道的擋板類(lèi)型的平面混合器相比，在雷諾數(shù)=1~30范圍內(nèi)，本發(fā)明混合器混合效率提升顯著；如圖6（b）所示，本發(fā)明具有半橢圓溝槽的方波混合器相較于無(wú)溝槽設(shè)計(jì)的方波混合器，壓力降隨著雷諾數(shù)的增加呈現(xiàn)一定的下降，然而與Cheri等設(shè)計(jì)的擋板型混合器相比，本發(fā)明避免了現(xiàn)有的擋板類(lèi)型設(shè)計(jì)的微混合器的壓力降過(guò)高問(wèn)題（雷諾數(shù)=40時(shí)，壓力降已高達(dá)37500Pascal，而本發(fā)明中雷諾數(shù)=160時(shí)的壓力降僅為8880Pascal）。

實(shí)施例五：本發(fā)明微流體混合器與普通方波混合器在不同截面上的混合情況對(duì)比

本實(shí)施例驗(yàn)證了本發(fā)明方波混合器在不同軸向長(zhǎng)度的截面上的混合效率，截面位置如圖7（a）所示。如圖7（b）所示，其中0.2、0.4、 2、4、 20、 40、 80、160等表示普通方波混合器中流體雷諾數(shù)為0.2、0.4、 2、4、 20、 40、 80、160等的混合效率曲線(xiàn)，I-0.2、I-0.4、 I-2、I-4、I-20、I-40、I-80、I-160等表示本發(fā)明方波混合器的雷諾數(shù)為0.2、0.4、 2、4、 20、 40、 80、160等的混合效率曲線(xiàn)。結(jié)果表明，在不同了雷諾數(shù)下，兩種混合器的混合效率都隨著軸向長(zhǎng)度的增加而增加，與普通方波混合器相比，本發(fā)明方波混合器混合效率提升的速率更快，在低雷諾數(shù)區(qū)（2、4、20、40、80）表現(xiàn)最明顯。使用本發(fā)明設(shè)計(jì)的帶橢圓形溝槽方波混合器可明顯提高混合效率。

實(shí)施例六：本發(fā)明微混合器在有機(jī)溶劑與生物試劑條件下的混合性能測(cè)試

針對(duì)微流體混合器在生物化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，本實(shí)施例測(cè)試了本發(fā)明微流體混合器對(duì)常見(jiàn)有機(jī)溶劑和生物試劑的混合性能。常溫下，常用的有機(jī)溶劑，如甲醇、乙醇、乙酸、丙酮等在水中的擴(kuò)散系數(shù)數(shù)量級(jí)為10^-9m²/s，某些生物試劑例如尿素、甘油、甘氨酸在水中的擴(kuò)散系數(shù)數(shù)量級(jí)也為10^-9m²/s，而如牛血清蛋白、尿素酶、人血清清蛋白、尿素酶、γ-球蛋白（人）等生物試劑在水中的擴(kuò)散系數(shù)數(shù)量級(jí)為10^-11m²/s。本實(shí)施例結(jié)果顯示，在雷諾數(shù)非常低的時(shí)候，混合效率隨著擴(kuò)散系數(shù)的降低而有所下降，但仍高于85%，隨著雷諾數(shù)的增大，擴(kuò)散系數(shù)對(duì)混合效率幾乎沒(méi)有影響，這是因?yàn)?，?dāng)雷諾數(shù)很低時(shí)，液體之間的混合完全依賴(lài)于擴(kuò)散，所以此時(shí)擴(kuò)散系數(shù)的變化對(duì)其有所影響，而當(dāng)雷諾數(shù)增大時(shí)，流體具有一些湍流的特點(diǎn)，擴(kuò)散系數(shù)對(duì)其影響不大。本實(shí)施例證明本發(fā)明微流體混合器能夠用于大多數(shù)的有機(jī)溶劑與生物試劑的混合。

實(shí)施例七：芯片刻蝕深度對(duì)混合器性能的影響

本實(shí)施例研究芯片刻蝕深度對(duì)混合器性能的影響。在平面設(shè)計(jì)尺寸保持一致的條件下，分別測(cè)試了刻蝕深度在20、50、100、200微米下，混合單元的混合效率與壓力降在雷諾數(shù)在0.2、2、20、100時(shí)變化情況。結(jié)果如圖9（a）所示，混合性能隨著刻蝕深度的增大而增大，混合效率均處于78%以上，所以表明混合單元通道刻蝕深度對(duì)混合效率的影響不大，然而從如圖9（b）所示的壓力降來(lái)看，壓力降隨著刻蝕深度的增加而減小。由于壓力降過(guò)大（如深度為20微米時(shí)，壓力降最大為30000帕斯卡以上），會(huì)對(duì)混合單元的鍵合工藝帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，所以刻蝕深度的范圍應(yīng)當(dāng)處于50-200微米之間為宜。

實(shí)施例八：混合通道上凸起的幾何尺寸對(duì)混合效率的影響

本實(shí)施例研究了混合通道上凸起的幾何尺寸對(duì)與混合器性能的影響。如實(shí)施例七的結(jié)果表明，壓力降與刻蝕深度的關(guān)系密切，所以本實(shí)施例在刻蝕深度固定為50微米，橢圓縱軸（短軸）長(zhǎng)度為160微米的情況下，分別測(cè)試了橢圓凸起橫軸（長(zhǎng)軸）長(zhǎng)度為300、250、200微米時(shí)混合器在雷諾數(shù)為0.2、2、20、100的情況下，混合效率的情況。結(jié)果如圖10所示，隨著橫軸尺寸的增大，混合效率有微弱的降低，但整體混合效率均處于87%以上，這是由于橫軸尺寸過(guò)大，導(dǎo)致在凸起中殘留的液體量多而引起的混合效率降低，所以混合通道上的橢圓凸起橫軸在200-300微米之間為宜，即與縱軸長(zhǎng)度之比為1.25~1.85之間為宜。