微混合器在微流控芯片中的重要作用及类型

2023-11-03 理论教育版权反馈

【摘要】：微混合器已经成为微流控系统集成设计的重要组成部分。在微混合器内集成静态混合元件，通过流体分割及重新再次结合效应，减小层流厚度，并增大流体间的界面。根据产生扰动的方式和输入能量的不同，微混合器一般可分为被动式混合器和主动式混合器两大类。主动式混合器的主要类型包括磁力促进型微混合器、声场促进型微混合器、电场促进型微混合器等。

混合通常是指两种或多种不同的流体混合为一相，或者是指固体分子之间的相互扩散。一些要求快速反应的生物学过程(如DNA杂交、细胞激活、酶反应、蛋白质折叠等)不可避免地涉及反应物的混合。快速、均一地混合，对于化学合成、生化分析、药物输送、核酸测序或合成等领域的微流控系统具有重要意义。微混合器已经成为微流控系统集成设计的重要组成部分。对于微流控系统中的混合反应体系来说，若混合速度小于反应速度，那么混合时间就成为决定反应完成时间的决定性因素。如果混合不完全，则反应也不可能完成。因此，在微流控系统中，如何提高流体的混合效率使流体达到快速、均一的混合，是一个十分重要的研究方向。微混合器内的混合主要依靠扩散和混沌对流来实现。由于要达到完全混合需要相当长的时间，因此在微尺度下如何进行流体的快速混合至关重要。

在微流控系统中，通道的尺寸小到了微米级甚至纳米级，液体的流速通常较慢，雷诺数在100以下，因此流体的状态主要是层流，使得分子扩散成为粒子跨越流体间界面的主要方式，这样就增加了流体达到均匀混合的难度。在微流控系统中，流体的混合基于层流混合机制，提高层流条件下的混合效率宜遵循以下原则：

(1)层流剪切。流动截面的上下不同流线之间产生相对运动，引起流体微元变形、拉伸继而折叠，增大流体间的界面。

(2)延伸流动。流动通道的几何形状被改变或流动被加速，产生延伸效应。

(3)分布混合。在微混合器内集成静态混合元件，通过流体分割及重新再次结合效应，减小层流厚度，并增大流体间的界面。

(4)分子扩散。由于微通道当量直径可低至几微米，因此分子扩散路径大大缩短，仅依靠分子扩散就可在计算时间内实现均匀混合。

构建微混合器可实现流体间快速、均匀地混合，且混合体积小，具有常规混合技术不可比拟的优势。根据产生扰动的方式和输入能量的不同，微混合器一般可分为被动式混合器和主动式混合器两大类。

2.3.4.1　被动式混合器

被动式混合器没有运动部件，不需要外场的激励，结构比较简单，不需要复杂工艺，易于实现、制作和集成，因而较早得到广泛研究。该类混合器依靠内部特殊结构(如凹槽、内插物、蛇形元件和叉形元件等)来尽可能增大混合面积的混合元件，进行分流、合流、压缩、扩张等过程，从而达到良好的混合效果。根据提高混合效率的方式不同，被动式混合器可分为层迭式混合器(lamination)、注射式混合器(injection)、混沌式混合器(chaotic advection)、液滴式混合器(droplet)等。

1.层迭式混合器

T形和Y形混合器因其结构简单，从而成为发展较早的微混合器。在这种混合器中，两股流体呈T形或Y形配置进入直线微通道后混合。传统上，混合出现在两种流体之间的接触面上，并且强烈依赖于在界面处发生的扩散过程。这也是此类型混合器的混合时间相当长的原因。微通道特征尺寸可达微米级，即使没有对流作用，仅通过分子扩散也可在较短的时间尺度内达到良好的混合效果。通过改变流体的流量值，可实现进一步控制，如减慢流速会降低混合速度，而在高流速下，混合时间会缩短；通过在混合通道中添加一些障碍和障碍物产生额外的扰动，可提高混合效率，如将流体被分散成薄层来增大接触面积。(www.chuimin.cn)

2.混沌式混合器

在微尺度下，流体处于层流状态，微通道中的横向流动很少，涡旋现象减少或变弱，流体间的混合较慢。人为地产生横向流或涡旋的方法被应用到微混合器中，混沌对流就是其中的一种。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，能极大地提高混合效率。插入障碍物是产生混沌的最简单方式。基于此原理设计的微混合器称为混沌微混合器，采用波浪结构等曲折的通道产生混沌对流。此外，还可以采用特殊形状的管道结构来促进混合，如错排人字形凸脊或斜形凸脊的二维微通道，以及扭转结构等。有鱼骨状的障碍物的通道是光滑通道混合效率的17.8倍，可获得更高的检测灵敏度。但是，复杂的三维结构也给加工制造增加了难度。

3.分流合并式混合器

分流合并式混合器通过将流体分流再合并的方式来实现混合。通道为多层次网络通道，每层包含多个并行的分支蜿蜒通道，通道数逐级增加，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。由于利用了多层次的分流、漩涡混合，循环往复，最后众多浓度不同的分支液流汇合，进而形成一个横向的浓度梯度。形成的梯度浓度可以具有多种复杂形式，包括线性、抛物线和周期性曲线等。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，但由于其结构复杂，因此加工难度大且不易系统集成化。

4.液滴式混合器

在液滴式混合器中，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。同时，可以通过调整液体的流速来控制液滴的大小。微液滴(m icrodroplet)混合通道设计可用于高通量生化分析。与简单的Y形混合器比较，液滴式混合器具有更高的混合效率。

2.3.4.2　主动式混合器

主动式混合器通过一些外加的能量(如压力、电磁、超声、动电效应等)来周期性地干扰流场，在混合器内部形成横向流、二次流以及混沌流，以增加流体间的接触面积，进而增强分子的扩散作用，提高混合效率。主动式混合效果较好，效率和可控性高，但是在结构上相对较为复杂。

目前，主动式混合器比较常用的外力有脉动的磁力、电场、压力扰动和声场力等，可以强烈影响流层之间的作用。主动式混合器的主要类型包括磁力促进型微混合器、声场促进型微混合器、电场促进型微混合器等。最早的主动式混合主要采用压力扰动效应产生混合。例如，基于气动微泵的微混合器，其通过微混合器的气室来周期性挤压混合室，使流体在混合室内产生涡流，完成混合效果。

微混合器在微流控芯片中的重要作用及类型

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