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微混合器简介及分类

微混合器

微流控芯片中的两种重要功能器件:微混合器微反应器,快速均一混合对于化学合成、化学分析、药物输送、核酸测序等领域的微流控芯片具有重要意义。 微混合器是指在微通道或微腔室内实现样品快速均一混合的一种微流控器件。依据混合是否需要借助外界力源来完成,微混合器分为主动式微混合器和被动式微混合器。主动式微混合器需要借助于外界力源实现样品的混合。被动式微混合器实现样品的混合不需要借助外界力源。

微反应技术是一种将微结构内在的优势应用到化学反应或生化反应的技术,体现这种技术的微流控芯片的功能器件称为微反应器。微反应器具有线性尺寸小、试剂消耗量少、反应时间短、操作灵活、废液排放量小、物理量梯度高和易于与其它功能部件集成等特点。

.主动式微混合器

主动式微混合器的机理是通过外场的作用产生液体间的相对运动来达到混合的效果。根据混合方式的不同,主动式微混合器主要分为:微流体超声波混合器、磁力搅拌微混合器、动电式混合器、压力扰动式混合器等类型

1.微流体超声波混合器

微流体超声波混合器是一种典型的主动式微混合器。混合直接由超声振动引起,使层流混合液在混合腔内连续而有效地混合。超声振动混合具有较高的混合效率,但超声会引起局部温度升高,因此不适合于生物样品。

2.磁力搅拌微混合器

利用MEMS技术将宏观搅拌原理应用到微流体混合器中,开发了磁力驱动微搅拌器阵列。混合通道中的微磁力搅拌棒在磁场的作用下高速旋转,对流体起到搅拌作用,产生类似宏观条件下的“湍流效应”,混合效果显著。其突出特点是结构复杂,制作困难。Ryu等将含有磁力搅拌棒的混合器集成在聚对二甲苯芯片通道中,以外部的旋转磁场驱动微磁力搅拌棒进行液体混合,并对搅拌棒在原设计的基础上对搅拌棒的尺寸进行改进,提高了混合效率。

3.动电式混合器

在微通道中,动电作用可以代替压力驱动来传送流体介质,例如各种结构形式的电渗,因此利用动电作用来构造动态微混合器是一种很好的选择。Glasgow等设计了一种简单的T字型的微混合器,在两端入口和出口插入铂电极。施加不同位相的方波电场,诱导出不均一的速度场,从而达到混合的目的。这种驱动的优点是在驱动微通道中液体的同时又进行混合,在一定程度上可增强雷诺数非常低(Re<1)的流体的混合。

4.压力扰动式混合器

主混合管道内的流体受到三对支流道内的射流扰动,并由泵来控制支流道内的扰动。这是一种压力式混合器。它由一个主管道、两个支管道以及与之相连的压力扰动源、两个注射泵(入口)及水箱(出口)组成。支管道产生不稳定的压力降,因而对主干流施加了横向的非定常压力的扰动。在小的扰动幅度时,流线在经过交叉区域时差生微弱的振动,随着扰动幅度的增加,振动幅度随之增大;类混沌区域出现大扰动幅度时,流线会产生一个或数个折叠,并且会在下游产生一个周期性变化、极端复杂的流线形状,这对混合而言非常有利。

二、被动式混合器

被动式微混合器的机理主要靠改变管道的内部结构和形状,尽可能增大混合面积,达到增强混合的效果。被动式位混合器主要分为:F型微混合器、分流微混合器、注射式微混合器、混沌微混合器等类型。

1.T型微混合器

T型微混合器是发展较早的一种微混合器。它结构简单,两股流体成T型或Y型进入微通道混合。由于微通道特征尺度可达微米级,即使没有对流作用,仅通过分子扩散,也可在较短长度内实现良好的混合效果。丹麦哥本哈根的研究者们对通道结构如何影响双层流体的混合行为进行了基础研究。研究者采用了多种形状的通道结构,结果表明无论是结构变化还是水力直径的变化都直接影响到流体的雷诺数,从而影响流体的流动区域,在分子扩散的基础上辅以流体区间的诱导运动及分割,因此对混合行为有非常直接的影响。

美国加州理工微型机械加工实验室及哈佛休斯医学院的研究者们发展了一种微混合设备,将其用作快速串联反应的一种测量工具,这项研究在“淬灭”流动及截止流动方面有重要的意义。所谓的“淬灭”流动是指在流动过程中突然停止反应,如监控蛋白质折叠时,时间分辨率必须在1μs以下,所以必须观察混合实现过程及反应的突然开始及停止。双T型结构混合器的尤其适合于进行高速操作过程。而在低流速条件下该设备的性能会大大的降低,这在一定程度下限制了这种混合器的应用。

2.分流合并式微混合器

分流合并式微混合器通过将流体分流再合并的方式来实现混合。Branebjerg等设计了一种基于分流合并原理的被动式微混合器,该混合器以耐热玻璃和娃为材料,利用湿法腐蚀加工而成。Munson等设计了一种微流控分层流动微混合器。该混合器在上下两层的微通道内同时注入两种流体,经过一段路径的输运,使两层流体混合,然后再分两层流动,再混合,如此反复,直至混合充分。

一种新型的“圣诞树”型微混合器,通道为多层次网络通道,每一层包含多个并行的分支蜿蜒通道,通道数逐级增加,最后再汇于宽通道,系统的基本混合方式是相邻液流的扩散混合,而能够产生浓度梯度是利用了多层次的分流、漩涡混合,即将初始浓度不同的液流分流后再与相邻的初始液流的分流汇合,此汇合液流再进行下一步的分流及与相邻的液流汇合,如此循环往复,最后众多浓度不同的分支液流汇合,形成一个横向的浓度梯度。其形成的浓度梯度具有多种复杂形式,包括线形、抛物线和周期曲线等。

以上这些平行或分流微混合器具有体积小,混合效率高且速度快的优点:但是也存在局限性,由于其结构复杂,加工难度大并且不易系统集成化。

3.注射式微混合器

类似于分流合并式微混合器,注射式微混合器也是通过分流再合并的方式来实现样品的混合,但是注射式微混合器只分裂一股流体,然后将分流后的流体注入另一股流体,实现混合。Miyake等设计了一种带有微型阵列喷嘴的,能产生许多射流的被动式微混合器,如图10所示,在微混合器的入口处有212 mmx2 mmx330 μm的混合区域,底部还有400个间隔为15μm的微型喷嘴。通过这些喷嘴,上面的样品被注入到下面的样品中,形成了多个微小的喷流,即喷流阵列。喷流会大大增加两种被混合流体的接触面积,从而加速样品扩散的速度。在样品量为0.5μ L、流体注入速度为0.75μL/S时,两种待混合的样品在1.2s内就实现了充分混合。

4.混沌微混合器

如果改变微通道中流动的层流形态,使其处于一种杂乱无章的状态,则可使对流传质在各个方向上进行。它是基于对宏观混合器的研究上发展起来的,其机理是通过改变管道的形状和构造(或者外场的作用),来分离、拉伸、折叠液体或产生横向流动,从而达到增加液流间的接触面积,降低混合长度的目的。

Johnson等人提出了一种主体结构是T型管道的微混合器,在其底部的微通道交汇处利用激光加工出一组倾斜的凹槽,借以增强横向运送。混合管道横截面近似梯形,混合器采用电渗流驱动,在低的雷诺数条件下就可以得到与主流方向垂直的二次流,诱发混沌对流,并取得很好的混合效果。这种改变混合器底部结构的还有以下几种结构;互相交联型结构、螺旋形结构、蛇形结构、交叉网络型结构。Kim等在微通道底部蚀刻出斜形槽道,使流体产生三维螺旋流动,同时于顶部周期性设置长方形块状物,使流场沿轴向发生周期性扰动,从而引发流体间的混沌混合。

Stroock等在聚二甲基硅氧烷(PDMS)上加工出底部置有鱼骨形肋片或斜形肋片的微通道,如图12所示。这样可以在微管道的横截面上产生与主流方向垂直的二次流,同时该二次流沿轴向流动方向呈周期性变化。高Peclet数时,T型微混合器在3cm内几乎无混合;斜形肋片微混合器中仅发生部分混合;而鱼骨形肋片微混合器中,荧光摄影发现通道底部修饰的特殊结构使流体在通道中心处发生拉伸和折叠,引起了流体的混沌对流,从而当Peclet数高达9e-5时,仍能保证完全混合。

被动式微混合器具有不需要外场的激励,结构比较简单,不需要复杂的工艺且易于集成为一个复杂的微流控系统的优点。

对于一个反应速率较慢的化学反应来说,其反应完成的时间要远远大于反应物的混合时间,这种情况下的微观混合过程对反应过程的影响非常小,只需要适当的混合来促进质量和热量的传递,这时候是反应的动力学对反应起主导作用,并影响该反应的产率和选择性;对于一个快速结晶反应来说,其反应速率很快,如果在反应完成之前物料还没有充分的混合,则会大大的影响该反应的产率和选择性,这时反应器的混合性能起着至关重要的作用,微观混合效率的高低直接影响产物的品质。因此,研究化学反应器内部均相与非均相混合过程及混合与反应锅合的过程对提升反应过程的效率、提高产品质量有很大帮助口,对反应器设备结构的优化有重要意义,对于降低工业能耗,提高经济效益大有好处。