原创微流控混合器简述

 2023-1-4 11:22  1145 3 3 分类: 医疗电子

为什么我们需要进行微流体混合？

微流控器件的活跃发展和完善，使其在生物医学诊断研究、微流控和纳米流控生物传感器的开发、DNA分析、化学合成和基因组研究等方面取得了重大进展。微流控系统中的通道尺寸以微米为单位测量，而纳米流体系统中的通道尺寸可以精确到纳米级。这可以显著降低表面与体积的比率，从而减少样品/试剂的消耗，并获得紧凑的器件。

然而，在这种小型化的通道中，样品流动是非常层流的，而不是湍流，这与较小的雷诺数相对应。因此，在这种层流中，两种液体之间不会发生传统的湍流混合。然而，可控和快速的混合对于微流控和芯片实验室设备的后续实际开发至关重要，这些设备通常用于涉及许多试剂和样品的分析。这就是为什么不同的研究小组开发和研究了不同的微流控混合技术。

微流控器件中的无源微混合器

在层流中，混合只能通过分子扩散发生。当然，增加液体之间混合的一种方法是增强样品之间的扩散效果。为此，样品可以流经包含在微流控芯片中的各种孔，或者样品可以在多个较小的通道之间分离。
另一种方法是增加混合试剂之间的接触面积，以及接触时间。这两个概念都属于所谓的被动式微流控混合，因为混合过程中不涉及任何活性元素。在这种情况下，通道几何形状的设计能够增加混合过程中涉及的试剂之间的接触面积或/和接触时间。根据被动式微型混合器的类型，混合时间从几十毫秒到数百毫秒不等(见表一)。

表一：不同无源微混合器性能对比表

T型和Y型微流控混合器

被动混合最简单的方法之一是利用T型或Y型微通道来实现。它们由两个入口和一个出口组成。在T型微混合器的情况下，带有两个混合样品的两个入口微通道彼此垂直流动(图2.a)，并且在T型微流体混合器的情况下，它们以一定的角度放置。经典的混合发生在两种流体之间的接触面上，并且强烈地依赖于界面上发生的扩散过程。这就是为什么对于这种类型的搅拌机，混合时间相当长。但是，可以通过改变流体的流量值来控制混合速度(减慢流量会降低混合速度，相反，在高流量时，混合时间会缩短)。在混合通道中增加一些障碍物和障碍物可以提高混合效率，这会产生额外的扰动(图2.b)。

（a）

（b）

图2：(A)T型被动式微流控混合器实例。流体1和流体2从两个单独的进气口进入。在公共通道中流动时发生混合。(B)在混合通道中引入沟槽提高了混合效率，缩短了混合时间。

采用分层技术的微流体混合

另一种被动混合的方法是叠层方法。它需要在微流控芯片中创建大量细小的平行通道。将两个(或更多)流体流分开，然后再次聚集为大量小流(图3)。这允许增加流动之间的接触面积。涉及的通道越多，混合速度就越快。对于每一个附加的n分流毛细管，微流控混合器的混合速度要快n^2倍。

图3：棋盘式微混合器示意图：将两个流动(蓝色和红色)分成较小的流动，然后再分成更细的流动。扩散通过微通道之间的多个小瓶进行。

利用流动聚焦技术的微流控混合

混合路径是影响混合效率的重要参数之一。它越短，微流控混合器就越紧凑。因此，将更容易集成到微流控芯片的总体方案中。减少混合道次的方法之一是通过流动聚焦进行混合。流动聚焦微流控混合器的基本方案由三个入口微通道和一个中心出口通道组成(图4a)。来自三个进水口的样品在中央通道中平行流动。因此，来自中间入口(聚焦流)的流体被来自侧通道(鞘流)的流体所包围。然后，通过调节鞘流流量来控制中心流的宽度。因此，中心流参数取决于内部和外部流之间的流量比(图4b)。流量差越大，聚焦流越稀薄，混合时间越短。要控制这样的系统，需要对每个流进行独立控制。为此，可以使用带有多个压力出口的流量控制系统。

图4：(A)流体动力聚焦微流混合器示意图。(B)实例a-b显示侧流流量对中心流宽度的影响

有源微流控微混合器

另一个重要的混合类被称为“主动”混合。在这种情况下，通过施加到样品的外力来提高混合效率。为了获得主动混合方案，需要在微流控芯片中集成一些特定的机械换能器。为了实现主动的流体混合并影响混合过程，可以涉及不同的物理现象：声波、压力扰动、磁场、热方法。例如，混合区中声波的产生增加了样品之间的相互融合。然而，所涉及的外力会对所研究的样品产生影响。例如，使用超声波可能会引起不可忽视的样品加热，然后可能导致混合样品之间发生不希望看到的或沉淀的反应。在空间上，必须非常准确地使用对外部扰动和温度变化敏感的生物样本。至于“被动”混合，混合时间和有效混合区长度因主动式微流控混合器类型而异(见表二)。然而，混合效率可以通过主动方法和被动方法的结合来提高，从而产生复杂的通道几何形状。

表二：不同活性微混合器性能对比表

利用压力场扰动进行混合。
在层流流动中产生局部不规则性的一种方法是操纵通道内的压力场分布。例如，它可以通过在微芯片内集成微泵来实现，这些微泵可以交替地推动和停止流动。此外，混合流体流量的突然变化也可用于有效混合。格拉斯哥的一个研究小组注意到的重要一点是，如果两个流量以180°相移的方式变化，并且彼此垂直，混合效率就会增加。

电动有源微型混合器。
在电动主动混合的情况下，流体混合是通过电场的涨落来激活的。电场起伏引起的动电不稳定性导致了混合样品在界面处的局部压缩和拉伸。然而，这种方法需要具有不同导电率的流体。