一种微流体混料通道、微流控制装置及微反应器

摘要

本发明提供一种用于快速混合微流体的微流控混合装置，其特征在于，所述微流控混合装置有两个进料通道，且为上下进料结构；所述两个进料通道后连接一组分支管；所述分支管后为一组上下起伏混合区；所述上下起伏混合区后为水平弯折混合区；所述水平弯折混合区后为扩张型物料出口区。本发明中分支管的设置，一方面可以提高流体的流动速度，另一方面对流体进行分裂重组，产生横向和纵向速度分量，流体在混合区中的混合过程中同时参与纵向混合和横向对流，可以高效地实现微流体的混合。

权利要求

1.一种微流控装置，包括进料通道和出料口，其特征在于，所述进料通道和出料口之间连接有微流体混料通道；所述微流体混料通道包括：分流段，所述分流段包括若干并列设置的分支管(2)；

上下起伏混合区(5)，与分流段的出口位置连通，所述上下起伏混合区(5)的内腔为起伏结构；

水平弯折混合区(3)，与上下起伏混合区(5)的出口位置连通，所述水平弯折混合区(3)的内腔为落在分流段所在平面内的弯折结构；

所述分流段的每一根分支管(2)均与上下起伏混合区(5)的进料口连通；

所述进料通道包括：

第一进料道(1)，与分流段夹角设置且与分流段背离上下起伏混合区(5)的一端连通；

第二进料道(6)，与第一进料道(1)、分流段均夹角设置，且与分流段背离上下起伏混合区(5)的一端连通；

所述第一进料道(1)、第二进料道(6)靠近分流段的一端均设有拐角。

2.根据权利要求1所述的微流控装置，其特征在于，所述上下起伏混合区(5)包括至少两个首尾相连的弯折段，相邻所述弯折段的弯折方向相反。

3.根据权利要求1-2任意一项所述的微流控装置，其特征在于，所述水平弯折混合区(3)包括若干段相互之间呈夹角设置的管段。

4.根据权利要求3所述的微流控装置，其特征在于，所述第一进料道(1)的出料端和第二进料道(6)的出料端之间存在竖直高度差。

5.根据权利要求4所述的微流控装置，其特征在于，所述出料口包括与水平弯折混合区(3)的出料位置相连通的连接口、从连接口向微流体流出方向敞口扩张设置的鸭嘴口。

6.一种微反应器，其特征在于，包括上述权利要求1-5任意一项所述的微流控装置。

说明书

一种微流体混料通道、微流控制装置及微反应器

技术领域

[0001] 本发明属于微流控制技术领域，尤其涉及一种微流体混料通道、微流控制装置及微反应器。

背景技术

[0002] 微流控技术，又名芯片实验室和微全分析系统，一般定义为使用微型管道对微流体进行操作、处理和分析过程中所涉及的科学和技术。微流控装置具有试剂用量少，反应时间快，效率高，节省成本；微流体器件结构微小，在微型化、便携化和集成化方面表现突出等优点。

[0003] 微流混合是为了实现不同微流体之间的均一掺杂，快速有效地混合层流状态下地液体对于各类生化反应、药物运输和医疗诊断等领域具有重要意义。然而因为在微流控装置中，由于流道特征尺寸处于微米级且通常情况下微流体流速较低，难以产生较为剧烈的对流效果，微流体的流动处于层流状态-流体各质点平行于通道内壁呈现有规则的流动，彼此互补掺杂，层流之间的混合主要靠流体分子的扩散作用和对流作用来实现。主动式微混合器需借助声场、磁场、电场等外加能源扰动实现流体混合，具有可控性高、布置灵活等特点；而被动式混合器主要是在微通道内对流动进行干扰来强化混合，仅靠器件自身的结构特征或流体特性来增强内部流体间的对流作用，扩大流体间的接触面积。不过，主动式微混合器需要借助外立场，成本较高，不利用微流控芯片地集成，因此应用不多；被动式微混合器虽然应用较多，但因为流道结构相较于主动式混合器更复杂，所以流体在被动式微混合器内流动的阻力通常更大，在实验过程中，难以达到微流体快速混合的预期目的。

[0004] 针对流道结构复杂的问题，授权公告号为CN106215985A的中国专利公开的一种被动式微流体芯片，包括一种厚度较小的单层微通道结构，并在混合通道上设置多个由渐缩和突扩组成的尖角结构。虽然该芯片结构设计较为简单，但100个尖角结构会对流体流动造成很大阻力。

[0005] 为了减小尖角结构带来的阻力，授权公告号为CN103599722B的中国专利公开了一种被动式微流体混合通道，包括若干第一容腔和第二容腔交替连通，通道结构较为迂回。两种容腔存在高度差意味着流体流动存在竖直方向的运动。

[0006] 对上述方案进一步优化，授权公告号为CN207446125U的中国专利公开的一种被动式微流体混合器，包括了进口管、出口管、非对称圆弧结构和渐缩弯管结构，非对称圆弧结构由左混合室、上圆弧结构、下圆弧结构和右混合室组成。渐缩弯管结构由上弯管通道和下弯管通道组成。该混合器通过组合一系列的几何结构及串联形式来增强流体流动过程中的对流现象，通过改善流动过程中的横向对流来增强混合；然从因流体1从入口到混合腔会发生“短路”现象，如说明书附图1所示，入口2靠近混合腔的一端比入口1靠近混合腔的一端多了一段垂直于混合腔入口位置的流道，因此入口2进入的流体流动路径明显长于从入口1进入的流体，这导致前端流体的组分无法混合均匀，不便控制液体1和液体2的混合比例。

发明内容

[0007] 为解决上述现有技术中微流体混合速度慢的问题，本发明提供一种微流体混合通道。

[0008] 一种微流体混料通道，包括：

[0009] 分流段，所述第一段包括若干并列设置的分支管；

[0010] 上下起伏混合区，与分流段的出口位置连通，所述上下起伏混合区的内腔为起伏结构；

[0011] 水平弯折混合区，与上下起伏混合区的出口位置连通，所述水平弯折混合区的内腔为落在分流段所在平面内的弯折结构。

[0012] 所述分流段的每一根分支管均与上下起伏混合区的进料口连通。

[0013] 所述上下起伏混合区包括至少两个首尾相连的弯折段，相邻所述弯折段的弯折方向相反。

[0014] 所述水平弯折混合区包括若干段相互之间呈夹角设置的管段。

[0015] 本发明的另一目的是提供一种微流控装置。

[0016] 一种微流控装置，包括进料通道和出料口，所述进料通道和出料口之间连接有如权利要求任意一项所述的微流体混料通道。

[0017] 所述进料通道包括：

[0018] 第一进料道，与分流段夹角设置且与分流段背离上下起伏混合区的一端连通；

[0019] 第二进料道，与第一进料道、分流段均夹角设置，且与分流段背离上下起伏混合区的一端连通。

[0020] 所述第一进料道的出料端和第二进料道的出料端之间存在竖直高度差。

[0021] 所述第一进料道、第二进料道靠近分流段的一端均设有拐角。

[0022] 所述出料口包括与水平弯折混合区的出料位置相连通的连接口、从连接口向微流体流出方向敞口扩张设置的鸭嘴口。

[0023] 本发明的另一目的是提供一种微反应器。

[0024] 一种微反应器，包括上述权利要求任意一项所述的微流控装置。

[0025] 本发明与现有技术相比，具有以下优点：

[0026] 1)本发明提供的分流段，通过若干并列设置的分支管，一方面可以提高流体的流动速度，另一方面对流体进行分裂重组，使流体发生变形，产生横向和纵向速度分量，有利于流体的快速混合。

[0027] 2)本发明提供的上下起伏混合区，大大改善流体的上下分层现象，使流体浓度基本均匀。

[0028] 3)本发明提供的上下起伏混合区和水平弯折混合区的流道设计没有很多迂回结构，结构相对简单。

[0029] 4)本发明提供的流体水平均匀分布进料口结构和分支管结构及两段式流体混合结构，即上下起伏混合通道及水平折弯通道，能够满足流量范围较宽的微流体的混合。

[0030] 5)流体通过上下两个流道流入，保证微流体充分分布在流道内，避免流体因从两侧流入而在流道水平面出现明显分界；使流体在混合过程中因为上下起伏通道和水平弯折结构同时参与纵向混合和横向对流，相较于常规的单独横向对流或单独纵向对流，混合效率显著提高。

[0031] 6)本发明中第一进料道、第二进料道处所设置的拐角，避免了流体随着直壁面流动而无法均匀分布在整个通道的情况。

附图说明

[0032] 图1为本发明的微流体流道结构三维示意图；

[0033] 图2为本发明图1的A部放大图用于体现上进料通道直角拐角和下进料通道直角拐角的相对位置；

[0034] 图3为本发明的微流体通道各截面示意图，图中从左到右分别为x＝0截面；x＝2截面；x＝4截面；x＝8截面；x＝12截面；x＝16.5截面；x＝19.5截面；

[0035] 图4为无分支管结构模拟结构三维图；

[0036] 图5为混合区次序调换模拟结构示意图；

[0037] 图6为进料水平且无分支管模拟结构示意图；

[0038] 图7为单列分支管模拟结构示意图；

[0039] 图8为不同雷诺数下出口处流体的混合强度。

[0040] 图9为不同截面流体的混合强度。

[0041] 图中1、第一进料道；101、上进料通道直角拐角；2、分支管；3、水平折弯混合区；4、出料口；5、上下起伏混合区；6、第二进料道；601、下进料通道直角拐角。

具体实施方式

[0042] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

[0043] 实施例1：

[0044] 一种微流体混合通道，从微流体的流入方向开始，如图1所示，依次设有分流段、与分流段的出料一端相连通的上下起伏混合区5、与上下起伏混合区5背离分流段一端相连通的上下起伏混合区3。

[0045] 如图1和2所示，其中，分流段包括若干并列贴紧、位于同一平面内的分支管2，分支管2采用15-30根毛细分流管道，本实施例中采用19根毛细分流管道并列通过3D打印成型。每一根毛细分流管道均与第一混合通道的进料一端连通。毛细管直径为0.1-0.2mm，为便于模拟，本实施例中采用0.2mm。通过模拟，分别以上层管截面中线和下层管截面中线为数据集，流体的浓度偏差较小，上层管道的浓度偏差为0.0011，下层管道的浓度偏差为0.003，流体在管道中横向分布较为理想。当微流体经过毛细分流管道时，流体通过后水平分布状态得到强化，同时流速增大，利于后续混合。其原理是：这些毛细分流管道一方面可以提高流体的流动速度，另一方面对流体进行分裂重组，使流体发生变形，产生横向和纵向速度分量，有利于流体的快速混合。

[0046] 作为可替换的实施方式，如图4所示，分支管2还可以采用单列管路结构，其混合效果如图7所示。单列管路中的管体采用横截面为矩形的管道。

[0047] 上下起伏混合区5的内腔和外部结构均呈现起伏结构，如图1所示，起伏结构至少包括两个弯折段，令分流段所在平面为水平面，那么弯折段所在平面为垂直于分流段的竖直面。本实施例中采用两段弯折段首尾相连设置，且相邻两段弯折段的弯折方向相反。弯折段设置为弧形或折线状，当微流体在一段弯折段内流动时，微流体的流动方向发生改变，方向改变时单一地顺时针改变或逆时针改变。本实施例中，弯折段为折线形，弯折段包括三段相连的中空腔体，令这三段分别为第一腔体、第二腔体和第三腔体，第一腔体、第二腔体和第三腔体分别为一个等腰梯形的两条腰和上底边。本实施例弯折段内的流体通道宽度为2mm，深度最小处尺寸为0.2mm，长度为2mm。流体通过后上下分层的现象迅速得到改善。

[0048] 如图1所示，水平弯折混合区3与上下起伏混合区5的出料一端连通，上下起伏混合区3的内腔和外部结构为弯折结构，由若干个相互之间呈夹角设置的管段连接而成，夹角的可选范围为：80-110°本实施例中采用直角。这些管段共面设置，本实施例中，相邻两段管段之间垂直设置并连通，以三个管段为一组，一组管段组合成一个矩形的三条相邻边；第二组管段以前一组管段背离上下起伏混合区5的一根管段为起始管段，与另外两根管段组成一个新的矩形的三条相邻边。上下起伏混合区3所在的平面与分流段所在平面共面，与上下起伏混合区5所在平面垂直。每一个管段都是直线型管，其横截面为矩形，使得流体在流动方向上具有相同的混合距离，流动更为均匀。上下起伏混合区3宽度最小处为0.5mm，其长度为2mm。

[0049] 本发明中微流控装置使用3D打印技术加工，材料选用聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚二甲基硅氧烷PDMS。选取出口截面对角线的浓度值为数据集，使用公式(1)对混合强度进行计算；通过公式(2)对混合时间进行计算。得到的结果如表1所示。

[0050] 入口雷诺数Re 入口流速/(mm/s) 流体总流量/(mL/s) 混合强度 混合时间/s0.01 0.0303 0.01212 0.9999 997.85
0.05 0.152 0.0608 0.9985 198.91
0.1 0.303 0.1212 0.9952 99.79
0.5 1.52 0.608 0.9897 19.89
1 3.03 1.212 0.9906 9.98
5 15.2 2.08 0.9738 5.81
10 30.3 12.12 0.9659 0.998
15 45 24.24 0.9678 0.499
50 152 60.8 0.9706 0.199
100 300 120 0.9685 0.101
150 455 182 0.9671 0.066
200 606 242.4 0.9607 0.050

[0051] 表1不同雷诺数下的混合强度和混合时间

[0052]

[0053] σ-横截面对角线上流体浓度标准；ci-第个质点的浓度；N-横截面上选取的质点个数。

[0054]

[0055] Vmix-混合通道总体积；Q-流体总流量

[0056] 通过solidworks可得混合区的体积为1.21×10-8m3，

[0057] 参考图3中的截面位置，在表1所示的各进口速度情况下，流体都达到了理想的混合效果，混合强度大于90％。图8中，随着雷诺数的增加，混合强度先降低后增加随后区域平稳，这意味着存在混合方式以扩散为主导转变为以对流为主导的转变。雷诺数＝5时，仅靠起伏混合结构无法是流体得到充分混合(x＝12mm截面混合强度为0.8701)，再经过之后的水平折弯混合区，可得到充分混合。

[0058] 本模拟主要研究雷诺数为1时其他几何条件对流体混合强度的影响。

[0059] 通过与无分支管的常规模型的模拟结果对比分析可得，设有分支管的模型有助于加快混合进程，在x＝8mm截面的混合强度已经大于90％。将分支管改为如图7所示的单列管路，也可以得到良好的模拟效果。且扩张型出口使得流体在通过混合区后其混合强度有略微增强。

[0060] 对比例1

[0061] 如图4所示，将原模型去除分支管2，作为新的模型，进行模拟分析，以出料口截面对角线(x＝23.5mm)的浓度为数据集，计算结果列于表3(Re＝1)，混合强度为0.9794，低于原模型的混合强度0.9906。

[0062] 对比例2

[0063] 如图5所示，对原模型交换水平折弯混合区和上下起伏混合区的结构进行模拟，并对各截面对角线的浓度值进行计算得到混合强度，结果如表2所示(Re＝1)。流体仅通过水平折弯混合区后截面(x＝12.5mm)混合强度为0.9132；而流体仅通过起伏混合区后截面(x＝12mm)混合强度为0.9824.由此可以看出，雷诺数Re＝1起伏区对流体混合的影响大于水平弯折区。

[0064] 截面X值 2 3.5 6.5 9.5 12.5 17 21 23.5混合强度 0.2236 0.4322 0.6531 0.7723 0.9132 0.9751 0.9841 0.989

[0065] 表2交换混合区结构各截面混合强度

[0066] 对比例3

[0067] 如图6所示，将原模型去除分支管2，并设置将进料方式设置在同一水平位置进行模拟分析，以出料口截面对角线(x＝23.5mm)的浓度为数据集，计算结果列于表3(Re＝1)，混合强度为0.9794，低于原模型的混合强度0.9906。

[0068] 综上，对原模型、原模型去除分支管2道的模型以及原模型去除分支管2道并设置将进料方式设置在同一水平的模型进行模拟分析，以出料口截面对角线(x＝23.5mm)的浓度为数据集，计算结果列于表3(Re＝1)。由此可见，立体进料方式有利于流体的混合。且两进料口在同一水平时，通过本实施例的混合结构，流体的浓度分布存在明显的界限。

[0069]几何模型 混合强度
原模型 0.9906
去除分支管道 0.9794
去除分支管，进料口同一水平 0.7226

[0070] 表3三种结构混合强度值

[0071] 实施例2：

[0072] 一种微流控装置，包括进料通道和出料口4。进料通道和出料口4之间即为实施例1中的微流体混合通道。

[0073] 进料通道包括第一进料道1、与第一进料道1夹角设置的第二进料道6，本实施例中，第一进料道1和第二进料道6之间的夹角采用80°。

[0074] 第一进料道1和第二进料道6之间预留竖直高度差，本实施例中高度差为0.2mm。保证微流体充分分布在流道内，避免流体因从两侧流入而在流道水平面出现明显分界；使流体在混合过程中因为上下起伏通道和水平弯折结构同时参与纵向混合和横向对流，相较于常规的单独横向对流或单独纵向对流，混合效率显著提高。

[0075] 第一进料道1、第二进料道6的出料一端均与分流段背离上下起伏混合区5的一端连通，为了避免流体随着直壁面流动而无法均匀分布在整个通道的情况，在第一进料道1、第二进料道6与分流段之间还设置有拐角。拐角设置为连接进料通道和上下起伏混合区5的中空腔室。

[0076] 出料口4包括与上下起伏混合区3的出料位置相连通的连接口、从连接口引出的呈扩张设置的鸭嘴口。扩张型出口两壁面夹角为60°。

[0077] 实施例3：

[0078] 一种微反应器，带有上述实施例2中的微流控装置。

[0079] 虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。