[发明专利]基于增强弯道二次流效应的扭曲弧形微混合器

说明书

技术领域

本发明涉及微型混合器芯片，具体地，涉及一种基于增强弯道二次流效应的扭曲弧形微混合器。

背景技术

微型混合器是用于混合流动在十分狭窄的通道内的小容量流体的设备。目的是用于生物化学分析、药物递送和核酸系列化或合成的许多微观流体系统中，微混合器是必须的。例如细胞活化、酶反应和蛋白质折叠等生物过程经常涉及要求以混合反应物开始的反应。在进行复杂化学合成的多种微观制造的化学系统中，混合也是必须的。参见“PassiveMixinginaThree-DimensionalSerpentineMicrochannel,”R.H.Liu,M.A.Stremler,K.V.Sharp,JournalofMicroelectromechanicalSystem,Vol.9,No.1,June2000。

与在宏观世界内流动的流体相比，当流体在近似于人类头发大小的通道内流动时，称为层流的现象呈现出十分不同的性质。层流还与低雷诺数(Reynoldsnumber)相关，该层流使得在稍微混合或没有混合的情况下在通道中流体的不同层或者相互相邻的颗粒发生运动(扩散除外)。

如Liu等人利用分类法所解释的，在本文中采用该分类法，微观混合器可分成主动或被动混合器。被动搅拌方案包括简单的面内分层和混乱的平流搅拌(Liu等人将其定义为材料界面的快速变形和伸长)。主动混合器具有移动的部件或外部施加的强制函数，例如压力、电场或超声波。被动混合器通常利用通道的几何形状，增加待混合流体之间的界面面积，或增强流体的混沌效应，从而改进扩散混合的可能性。这些混合器可分成两种小类:面内混合器和面外或分层混合器，面内混合器在限制在一个平面的流体网络内分开并混合物流，面外或分层混合器利用三维通道几何形状。上述引用的Liu等人的论文描述了三维曲折通道的面外被动混合器，该混合器依赖于混乱的平流，以及两个面内混合器：矩形波通道和直线通道。最简单的面内混合器将两个液体流合并到单个通道内，借助于分子扩散、取决于时间和高扩散系数来实现混合，从而混合流体或在流体之间移动溶质。对构成分子通常是复杂的低聚或聚合结构的生物试样来说，这是困难的。面外、分层混合器连续地分开液体流并将液体流堆积在三维流体网络中。分层混合器通常要求多层微观制造技术，这使得它们对目标为简单制造、平面设计和容易整合成微观流体系统的生物分析系统设计者来说，不具有吸引力。

近来已经开发出多种微观流体混合设备，这些流体设备试图改进微尺度设备内流体混合。2000年10月24日颁布的、转让给UniversityofWashington的美国专利6,136,272描述了在微观流体通道内快速连接和分开流体层的装置，这允许在两个方向(深度方向和宽度方向)上进行扩散混合。不幸的是，该专利中描述的装置涉及“混合模式”中使用的弯曲的桥连通道(curvedbridgechannel)，该装置没有描述在这些通道中的离心混合，实际上表现出致力于将分离的层流流动保持在桥连通道中。在这些装置中出现的唯一混合表现出存在于平行的直通道中，平行的直通道位于任何桥连通道的下游。

增强二次流效应是一种提高混合效率比较有效的方法，当流体经过弧形弯道时，由于同横截面上的压力和流速不同，会产生横截面上的二次流，这种二次流可以有效增强液体混合程度。本发明就是基于二次流效应，设计尽可能多的弯道形成二次流而提高混合效率。

尽管近年来的微型混合器有了长足的进展，但在多个领域中仍存在未满足的需要，不足以在微观流体装置中有效、可靠和可重复地混合一种或多种实际和试样。例如，生物化学分析、药物递送和核酸系列化或合成、例如细胞活化、酶反应和蛋白质折叠等生物过程通常涉及要求在微空间中混合反应物以开始的反应。在进行复杂化学合成(例如组合化学)的多种微观制造的化学系统中，混合也是必须的。除满足生化反应的要求外，如何利用尽可能简单的工艺制备出高效的微混合器也是扩展混合器应用范围的有效途径，现有的大部分微混合器并不能完全满足以上要求。

随着微电子机械系统(Micro-Electro-MechanicalSystems,MEMS)技术与生命科学、分析科学等学科的迅猛发展，生物MEMS(Bio-MEMS)技术以及基于Bio-MEMS技术的微全分析系统(MicroTotalAnalysisSystem,μTAS)逐步成为人们的研究热点。本发明就是基于MEMS技术制备而成的。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于增强弯道二次流效应的扭曲弧形微混合器。