集成化混合和驱动单元的微流控芯片分析

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1、集成化驱动和混合单元的微流控芯片研究涡旋结构来促进流体的混合。而在微尺度下，由于流体处于层流状态，微通道中的横向流动很少，涡旋结构减少或变弱，流体间的混合较慢。因此，人为地产生横向流或涡旋的方法被应用到微混合器中，混沌对流就是其中一种。混沌式混合就是基于混沌对流原理，通过在微通道中引入一定的结构或方式，使流动处于无序状态，这样将产生横向的流动以及对流混合等，极大地提高了混合效率。插入障碍物是产生混沌的最简单的方式【21‘23】。Mei等【221介绍了以PMMA为材料采用热压法加工的微流控芯片。芯片的形状相同，一种设计为光滑的通道(Reac

2、torI)，另一种设计为通道中带有鱼骨状的障碍物(ReactorII)。通过酶反应发现ReactorII的混合效率是ReactorI的17．8倍，且ReactorII具有更高的检测灵敏度。廿+斗十霆。。。。。。@一●l图1．3芯片示意图【22】a．光滑通道芯片图；b．带有鱼骨状障碍物的芯片图；c．鱼骨状障碍物放大图；d．sEM图Figure1．3Schematicdiagramofchip【22】a．thediagramofsmoothchannelchip；b．thediagramofherringbonechannelchip；c．t

3、heenlargeddrawingofherringbonechannelchip；d．SEMmap除了插入障碍物的方式，Abonnenc等【24】在芯片中设计加工了倾斜的、平行的凹槽，来达到加速溶液混合的目的。产生混沌的另一种常用方式是采用曲折的通道。Lee等【25】设计了一种利用生物发光法检测ATP的微流控芯片，其中混合区域就是采用了曲折的通道，使溶液在有限的通道内可以快速达到均匀的混合，从而达到快速检测ATP的目的。Valencia等【26J通过设计曲折型的通道，使芯片中的溶液快速混合，从而实现了芯片中一步合成单分散的脂质纳米颗粒和

4、脂质化的量子点。硕士学位论文图1．4采用曲折型通道的芯片‘25】Figure1．4Achipwithtortuous—typechannel【25】除此之外，还可以采用特殊形状的管道结构来促进混合【27。30】，Jen等‘271设计和对比了几种特殊形状的混沌微混合器。锄marOn譬la)分通。弋豳(b)冬三幕要乏?砖}{：7，，毫≯j{_，∥，f∥“)图1．5形状示意图‘27】a．T型混合器；b．扭转结构混合器；c．倾斜结构混合器；d．波浪结构混合器Figure1．5SchematicdiagramOftheseshapes【27】a．T

5、_typemixer；b．reVersestructuremixer；c．tiltedstructuremixer；d．wavestructuremixerJung等【281设计并制作了以PDMS为材料的Z型微流控芯片，在该微流控芯片中两种溶液可以达到快速混合，从而实现了对DNA的灵敏快速检测。Kwon等【301在Z型微流控芯片上通过样品与试剂混合后发生的荧光变化检测氰根离子，操作简单，检测限低。集成化驱动和混合单元的微流控芯片研究(4)液滴式混合器在液滴式混合方式中，待混合的两种液体和夹在中间阻隔它们提前接触的惰性液体一同流入不互溶的油

6、性液体中形成液滴，在液滴内部实现液体的混合。相对于普通的依靠层流扩散的混合方式，液滴式混合的两种液体在液滴内依靠湍流快速混合，且在流动过程中没有弥散现象‘31，321。’莲星a15IowmIxIr码I．⋯⋯⋯一i篇i⋯'盈匹口●SperSIon’一卷嚣i⋯卜r1=d1，U图1．6混合方式对比图【311a)．简单的Y型微混合器；b)．液滴型微混合器Figure1．6COmparisOnmapOfmixed．mOde【31】a)．asimpleY-typemicro-mixer；b)．droplet-basedmicro-mixerSong等

7、【311介绍了这种液滴式混合器，并与简单的Y型混合器相比较，发现液滴式混合器具有更高的混合效率，在生化分析或化学合成等方面具有广阔的应用前景。1．2．2主动式混合器被动式混合器虽然结构上较为简单，但是对于一些特殊形状或结构，加工和制作都是比较困难的，并且混合效率也受条件限制。因此主动式微混合器被广泛研究并发展起来，它依靠外界的动力作用，通过周期性地扰动微通道中的流动，在混合器内部形成横向流、二次流以及混沌流，来增加流体间的接触面积，进而增强分子的扩散作用，提高了混合效率。目前，主动式混合器比较常用的外力包括：磁力、压力、声场力、电场力等。

8、(1)磁力混合器磁力混合器是通过电磁场直接作用到某些液体或驱动其他装置干扰流场的正常流动，以达到改善混合效果的目的【33，341。硕士学位论文鬯．；lroutleleb1Mixer图1．7磁力