[发明专利]一种用于低扩散系数流体的被动式收敛-发散微混合器

说明书

本发明属于微全分析系统、流体微混合及其相关领域，涉及一种用于低扩散系数流体的被动式收敛‑发散微混合器，该微混合器由流体入口通道、流体混合通道、流体出口通道组成，并在流体混合通道内重复设置多边形结构单元，多边形结构单元之间交错布置，从而在多边形结构单元的齿形边之间形成收敛‑发散腔体结构以及在多边形结构单元的顶端形成混合腔体结构。收敛‑发散腔体结构诱导流体发生周期性变化，形成收敛‑发散的流量变化，通过收敛‑发散作用与混合腔体结构的尖角作用诱导流体在混合腔体内产生除扩散机制之外的其他多种混合机制。本发明可以在宽雷诺数范围内实现低扩散系数流体之间的快速高效混合。

技术领域

本发明属于微全分析系统、微流体混合及其相关领域，涉及一种用于低扩散系数流体的被动式收敛-发散微混合器。

背景技术

微流体装置以其独特的优势如微型化、集成化、样品用量少等，在生物和化学领域被广泛应用，包括生化分析、医学诊断、基因检测以及药物开发等。在微观尺度下微通道中的流体主要处于层流状态，自然状态下流体之间的混合完全依靠不同浓度流体层之间分子扩散作用。而扩散混合本身就是一个缓慢而低效的过程，需要相当长的时间和足够长的通道才能实现有效混合。根据Fick法则，扩散所需要的总时间与扩散系数成反比，与扩散路径成正比。当流体层的厚度大于特征扩散长度时很难实现快速有效混合，而有效混合两种或多种液体对样品稀释、生物化学反应至关重要。因此，学者们已经设计了各种各样的微混合器，以增加流体之间的接触面积，减少混合时间和压降。

在过去的几十年内，大量研究已经分析了不同结构设计的微混合器在微通道内的性能。一般情况下，微混合器被分为主动式和被动式微混合器。主动式微混合器通常利用外部能量(如磁力、电渗透或声波等)作用于流体诱导其发生扰动以增强混合性能。与被动式微混合器相比，主动式微混合器具有明显的优势，例如，在较少的时间和空间实现充分混合。但是主动式混合器需要消耗大量的能量且与微流体系统集成具有较高的复杂度。此外，外部能量的输入可能导致焦耳热的产生，进而导致不同流体之间发生界面反应。被动式微混合器除了用于驱动流体流动的能量之外，不需要其他额外能量输入。通常利用具有特定几何结构的微通道来促进分子扩散和混沌对流以获得有效混合。被动式微混合器主要有2种不同的混合机制：混沌对流、层压流动。混沌对流是利用特殊的几何通道促使流体分离、拉伸、折叠以及破坏流体来增加混合效率。层压流动通常是利用多层通道或在通道内增加障碍物将流体流分为子流并重新组合，以增加流体流之间的接触面积，缩短分子扩散路径，以增加混合效率的目的。虽然现有的被动式混合器已经实现了不同流体之间的高效混合，但是这些流体的扩散系数的数量级一般不低于10^-10，为了实现低扩散系数流体之间的快速、高效混合，本发明设计了一种能应用于较低扩散系数流体的被动式收敛-发散微混合器(CDM)。本发明所提出的CDM混合器能在主通道内设有特殊的几何结构，能诱导流体流量发生周期性变化，形成周期性收敛-发散的流动形式；该流动形式与特殊几何结构的尖角结构相互作用诱导产生多种混合机制，例如涡旋、翻转、扭转等。多种混合机制相互作用引起流体流发生剧烈扰动，进一步增加流体之间的接触面积；此外、特殊几何结构之间形成收敛-发散腔体结构和混合腔体结构，两者交替重复排列形成具有多级收敛-扩散混合功能的流体通道，在宽雷诺数范围内实现具有更低扩散系数的流体之间的快速、高效混合。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种应用于低扩散系数流体之间快速、高效混合的被动式收敛-发散微混合器，在宽雷诺数范围内实现低扩散系数流体之间的快速、高效混合。

本发明技术方案如下：

一种用于低扩散系数流体的被动式收敛-发散微混合器，主要由流体入口通道、流体混合通道、流体出口通道和多个多边形的结构单元组成；多个多边形结构单元依次布设在流体混合通道中；流体从流体入口进入流体入口通道，然后在流体混合通道中混合，依次经过多个多边形的结构单元的收敛和发散后，从出口通道的流体出口流出；

所述的结构单元，在流体混合通道的俯视图中具有如下结构：