[发明专利]一种多模式微混合器芯片及高通量混合和柔性混合方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微混合器芯片，具体涉及的是一种多模式微混合器芯片及高通量混合和柔性混合方法。

背景技术

微混合器是芯片实验室(Lab-on-a-Chip，LOC)中的一个重要组件，由于可实现样品的精确微量混合，而被广泛用于分析化学、生物学研究、合成化学、疾病诊断及环境监测等领域。基于微流控技术的微混合器由于制作工艺简单、成本低等优点得到了广泛关注，但由于微流控芯片的层流(一般应用中雷诺数小于100)限制，单纯通过两股层流样品接触面上的扩散效应来实现混合，效率极低且不能实现微纳米粒子的混合。如何在较低雷诺数情况下实现样品的快速高效混合一直是微混合器研究中的一个热点和难点。部分研究利用混沌流来增大扩散接触面积从而增强混合效果，但该类技术需要构筑复杂的三维微流道，加工繁琐且不易和其它LOC元件相集成。而大多数单层平面结构的微混合器都需借助精细的流道壁面结构(凸脊结构、柱形结构等)来增强混合效果。另有借助电、磁、声等外场来实现混合的技术，该类技术具有较高的能动性，能够根据实际需求控制所需的混合效果，但传统的物理电极或换能器不具有可重构性。此外，现有的绝大部分微混合器功能单一，无法满足多种混合需求。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种结合结构诱导产生的流体漩涡和动态虚拟电极的多模式微混合芯片及高通量混合和柔性混合方法，能够在流速较高的情况下，实现样品的高通量混合，在流速较低的情况下，实现易损伤生物活性材料的低损伤柔性混合，且在一定程度上克服了目前微混合器结构复杂、灵活性及通用性差的缺点。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的一种多模式微混合器芯片包括n个样品入口、m个样品出口、上基板和下基板，所述上基板通过流道层和下基板固联为一体；所述上基板包括上基板基底材料层和设置在上基板基底材料层下表面的上基板导电薄膜；所述流道层包括曲线形流道和与曲线形流道一端相连接的混合腔，所述曲线形流道的另一端与n个样品入口相连接，所述混合腔的另一端与m个样品出口相连接；所述曲线形流道包括主曲线流道和设置在主曲线流道上的突扩结构；所述下基板从上往下依次设有绝缘层、光电导层、下基板透明导电薄膜和下基板透明基底材料层，四者固联为一体；其中，n为正整数且不小于2，m为正整数且不小于1。

上述样品入口设有两个，所述样品出口设有一个。

上述混合腔的纵截面尺寸大于任意段曲线形流道的纵截面尺寸。因此在较高流速情况下也会在混合腔中产生平行于主流动方向的漩涡。

上述突扩结构的排布方式可为沿主曲线流道侧壁的阵列排布或沿主曲线流道侧壁的随机排布或置于曲线形流道中用于连接相邻的两主曲线流道。

上述主曲线流道的形状为对称及非对称的正弦线形或螺旋线形或半圆弧形。

上述突扩结构的形状为任意多边形。

本发明的多模式微混合器芯片的高通量混合方法，包括以下几个步骤：

(a)在上基板导电薄膜和下基板透明导电薄膜之间加交流电信号，在n个样品入口中分别插入一根入口微管，n种样品分别通过高速外驱动设备持续由入口微管注入对应的样品入口；

(b)n种样品在曲线形流道入口处汇合后形成高速样品流，注入曲线形流道，高速样品流在曲线形流道中进行初步混合，得到初步高速样品流；曲线形流道诱导产生的垂直于主流动方向的二次流和突扩结构诱导产生的平行于主流动方向的漩涡起增强混合的作用。

(c)初步高速样品流注入混合腔中，通过微反射器将动态缩微光图案投射到混合腔正下方位置的光电导层上，初步高速样品流在混合腔中进行最终的混合，得到最终高速样品流；通过数字式微反射器将“螺旋桨”形的动态缩微光图案投射到混合腔正下方位置的光电导层上，形成“螺旋桨”形动态虚拟电极，并在圆形混合腔中产生空间非匀强电场，可以起到辅助混合的作用，主曲线流道和突扩结构诱导产生的流体漩涡起增大各样品扩散接触面积的作用，并占主导地位。

(d)最终高速样品流由混合腔引向m个样品出口，在m个样品出口中分别插入一根出口微管，通过出口微管导出最终高速样品流至收集装置，完成整个混合过程。

其中，n为正整数且不小于2，m为正整数且不小于1。

上述高速外驱动设备为注射泵，使得各样品初速度大。

本发明的多模式微混合器芯片的柔性混合方法，包括以下几个步骤：