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微流控混合器：简要概述

2019-01-16 16:48阅读：

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我们为什么需要微流体混合？


微流控混合器：简要概述



微流体装置的积极开发和改进使得其在生物医学诊断研究，微型化微流体和纳米流体生物传感器的开发，DNA分析，化学合成和基因组学研究等方面取得了重大进展。微流体系统中的通道尺寸以微米和纳米作为测量单位。当尺寸下降到微米和纳米尺寸后，它允许显著降低表面-体积比，从而减少样品/试剂消耗并获得紧凑型的器件。


然而，在这种小型化通道中的样品流动是层流而不是湍流的，这对应于小的雷诺数值。因此，在这种层流中，两种液体之间不会发生像传统的湍流混合。然而，可控和快速混合对于通常用于涉及许多试剂和样品的测定的微流体和实验室芯片装置的后续实际开发来说是至关重要的。这就是为什么各种研究小组在开发和研究不同混合技术的原因。


微流体装置中的被动微混合器

在层流中，混合仅通过分子扩散发生。 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应。为此，样品可以流过微流体芯片中的各种孔，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”微流体混合，因为在混合过程中不涉及活性元素。 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和/或接触时间。 根据无源微混合器的类型，混合时间可以从几十毫秒到几百毫秒不等（见表1）。


表1：不同无源微混合器性能的对比表
微流控混合器：简要概述


T型和Y型微型混合器
通过使用T形或Y形微通道是实现最简单的被动混合方法中的一种。 它们由两个入口和一个出口组成。 在T形微混合器的情况下，两个带有两个混合样品的入口微通道彼此垂直流动（图2.a），并且在T形微混合器的情况下，它们以一定的角度进行放置。 传统上，混合出现在两种流体之间的接触表面上，并且强烈依赖于在界面处发生的扩散过程。 这就是为什么此种类型的混合器，混合时间很长。 然而，它可以通过改变流体的流速值来进行控制（减慢流速降低混合速度，相反，在高流速下，混合时间将减少）。 通过在混合通道中添加一些障碍和障碍物可以增加混合效率，障碍和障碍物会产生额外的扰动（图2.b）。


微流控混合器：简要概述 微流控混合器：简要概述
图2：（a）T形微流体无源混合器示例。 流体1和流体2从两个单独的入口进入。 在公共通道（3）中流动时发生混合。 （b）在混合通道中引入凹槽可提高混合效率并缩短混合时间（4）。


使用层压的微流体混合
被动混合的另一种方法是层压方法。它需要在微流体芯片内创建多个薄的并行通道。两种（或更多种）流体被分流，然后再次聚集成多个小流（图3）。这可以增加流量之间的接触面积。涉及的通道越多，混合越快。对于每个补充的n分流毛细管，混合速度快n ^ 2倍。


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图3：棋盘微混合器的示意图：两个流体（蓝色和红色）被分成较小的流体，然后再分成更薄的流体。 通过微通道之间的多个小瓶发生扩散。（3,5）


利用流动聚焦进行微流体混合
混合效率的重要参数之一是混合路径。它越短，混合器就越紧凑。因此，将会更容易集成到微流体芯片的通用方案中。能够减少混合通道的方法之一是通过流动聚焦进行混合。流动聚焦微流体混合器的基本方案包括三个入口微通道和一个中心出口通道（图4a）。来自三个入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）的流体包围。然后，通过调节侧通道中的流速来控制中心流体的宽度。因此，中心流体参数取决于内部和外部流量之间的流量比（图4b）。流量差异越显着，聚焦流越薄，混合时间越短。为了控制这样的系统，需要对每个流量进行独立的控制。为此，可以使用具有多个压力出口的流量控制系统比如微流控OB1 Mk3压力控制器。


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图4：（a）流体动力聚焦混合器的示意图。 （b）示例a-b显示了侧流流速对中心流（3,6）宽度的影响。


主动微流控维混合器
另一个重要的混合类被称为“主动”混合。在这种情况下，通过施加到样品上的外力来增加混合效率。为了获得有效的混合方案，应将一些特定的机械传感器结合到微流体芯片中。为了实现“主动”流体混合并且影响混合过程，可能涉及到不同的物理现象：声波，压力扰动，磁场，热方法。例如，在混合区中产生声波可增加样品之间的混合。然而，所涉及的外力可能会影响到所研究的样品。例如，超声波的使用可能会引起不可忽略的样品加热，这可能会导致混合样品之间产生不希望的或沉淀的反应。在空间上，使用对外部扰动和温度变化敏感的生物样本是非常准确的。对于“被动”混合，混合时间和有效混合区长度根据主动微混合器的类型而发生变化（参见表2）。然而，通过将主动方法与被动方法相结合来创建复杂的通道几何形状的方式可以大幅提高混合效率。


表2：不同主动微混合器性能的对比表（2）
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利用压力场扰动进行混合
在层流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，可以通过在微芯片内部集成微泵来完成，该微泵可以交替地推动和停止流动。 同样，混合流体流速的突然变化可用于有效的混合。 格拉斯哥的一个小组注意到的重要一点是，如果两种流量都随着180°相移而变化并且彼此垂直，则混合效率会提高（2,3）。


电动主动微混合器
在电动主动混合的情况下，通过电场的波动来激活流体混合。 由电场值的波动引起的电动不稳定性引起混合样品在其界面处的局部挤压和拉伸。 然而，该方法需要具有不同电导率的流体。


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图5：电动主动微混合器的示意模型（7）


超声主动微混合器
超声波的传播引起样品流体的搅拌。 为此，将压电陶瓷换能器集成到微流体芯片中。 产生的声波在垂直于流动方向的方向上引起流体混合。 为了提高混合效率，可以增加暴露于声波的表面，例如通过在混合区（3）中引入小气泡。


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图6：基于声学驱动的侧壁捕获微泡的微流体混合器示意图（8）


参考文献
1. Soo Kyung Kwona,Songzi Koua, Ha Na Kima, Xiaoqiang Chena et al, Tetrahedron Letters, V. 49, Issue 26, pp 4102–4105 (2008)


2. Chian-Yen Lee, Chin-Lung Chang et al, Int. J. Mol. Sci. V. 12, pp. 3263-3287 (2011)


3. L. Capretto, W. Cheng, M. Hill, and X. Zhang, Top Curr Chem V. 304, pp. 27–68 (2011)


4. Nguyen N-T, Wu Z. Micromixers—a review. J Micromechanics Microengineering. 2005;15(2):R1.


5. Junghun Cha, Jinseok et al, J. Micromech. Microeng. V. 16, pp. 1778–1782 (2006)


6. J. Knight, A. Vishwanath, J. Brody and R. Austin, Phys Rev Lett V 80, pp. 3863–3866 (1998)


7. Yiou Wang, Prashanta Dutta, Benjamin T. Chung and Jiang Zhe, J. Fluids Eng. V. 129, pp. 395-403 (2006)


8. Daniel Ahmed, Xiaole Mao, Bala Krishna Juluri and Tony Jun Huang, Microfluid Nanofluid V. 7, pp. 727–731 (2009)

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