施加温度偏场的交流电热微流体混合器及方法技术

本发明专利技术提供一种交流电热流微混合方法，具体为：在交流电热流微混合腔的外壁施加温度差，使得交流电热流微混合腔内产生温度梯度，从而促进混合腔内的溶液混合。本发明专利技术还提供一种交流电热流微混合器，包括至少两条液体入口微通道、一条液体出口微通道和电极对，液体入口微通道和液体出口微通道汇聚于同一处形成交流电热流微混合腔，电极对设置在交流电热流微混合腔内，两条液体通道或加热器设置在交流电热流微混合腔外壁。本发明专利技术通过额外施加的外部温度差使得交流电热流微混合腔内部产生温度梯度，促进混合腔内的液体混合，提高电热流对待混合液体的混合效果，放宽对溶液电导率、电压大小和频率的要求。

【技术实现步骤摘要】
施加温度偏场的交流电热微流体混合器及方法
本专利技术涉及微混合
，具体涉及一种通过施加温度偏场提高混合效果的交流电热微混合器及方法。
技术介绍
在生物芯片系统中，微混合器已经成为微流控系芯片中的重要组成部分之一。一些要求快速反应的生物溶液过程，如DNA杂交、细胞激活、酶反应、蛋白质折叠等不可避免地涉及到反应物的混合。近年来电热效应现象逐渐发展为微流控装置和生物芯片系统中常见的主动式微混合技术。电热效应现象可以产生混沌对流效应，从而增加不同液体的接触面，有效提高液体的混合效率。因此交流电热微混合器具有良好的应用前景。电热效应现象主要是由温差梯度造成的，微通道内产生纵向和径向的温度梯度会导致流体性质的改变，如电解液的介电常数和电导率等。这些物理性质的改变反过来会通过它们与电场的相互作用从而影响流体的运动，进而产生电热流动。电热效应强度与溶液的电导率、电压以及其液体内部的温度梯度相关。一般的交流电热现象的微混合器包含有一条用于混合的通道和一对与交流电源的两极连接的底面电极，其特征在于电极的结构可以设计成不同形状。但是目前利用交流电热现象原理的微混合器，虽均能产生混合效果，但是对溶液的电导率、电压的要求较为苛刻。过高的电压会使得微通道内产生气泡或者导致通道内生物流体失去活性，而过低的电压混合效果无法达到。过高的电导率会导致微混合器内温度急剧升高而导致通道壁面变形或者生物流体的活性降低，而过低的电导率时电热微混合器混合效果不佳。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种交流电热微混合器及方法，其目的在于，通过外加温度差使得电热流混合器微通道内产生温度偏场，提高电热流对待混合液体的混合效果，从而放宽对溶液电导率、电压大小和频率的要求，解决了在较低的电压下电热微混合器混合效果不佳的技术问题。本专利技术提供了一种交流电热流微混合方法，在交流电热流微混合腔的外壁施加温度差，使得交流电热流微混合腔内产生温度梯度，从而促进混合腔内的溶液混合。本专利技术方法通过额外施加的外部温度差或者设置的加热器从而使得交流电热流微混合腔内部产生温度梯度，促进混合腔内的液体混合，提高电热流对待混合液体的混合效果，放宽对溶液电导率、电压大小和频率的要求。为了实现上述方法，本专利技术提供了一种交流电热流微混合器，包括至少两条液体入口微通道、一条液体出口微通道和电极对，液体入口微通道和液体出口微通道汇聚于同一处形成交流电热流微混合腔，电极对设置在交流电热流微混合腔内，其特征在于，还包括两条液体通道，对称设置在交流电热流微混合腔外壁两侧，用于通入具有温度差的液体以在混合腔的外部两侧产生温度差，外部温度差驱使交流电热流微混合腔内部产生温度梯度，从而促进混合腔内的溶液混合。所述微通道材料采用PDMS、PMMA、硅或玻璃。所述导电材料采用金、铂和铜等金属。所述液体采用水、油或者有机溶液。上述交流电热流微混合器的实现方式具有加工难度低、温控简单和混合效果明显的有益技术效果。为了实现上述方法，本专利技术还提供了一种交流电热流微混合器，包括至少两条液体入口微通道、一条液体出口微通道和电极对，液体入口微通道和液体出口微通道汇聚于同一处形成交流电热流微混合腔，电极对设置在交流电热流微混合腔底部，其特征在于，还包括加热器，对称设置在交流电热流微混合腔外壁，通过加热器产热使得交流电热流微混合腔内部产生非均匀温度场，从而促进混合腔内的液体混合。所述加热器的位置不受限制，可以是流动腔底部或者顶部，也可以是流动腔的侧壁。所述加热器采用氧化铟锡(ITO)等导电氧化物薄膜或其他电阻较大的导电材料，两端外接直流电或者交流电源。上述交流电热流微混合器的实现方式具有温控容易和和混合效果明显的有益技术效果。附图说明图1是依靠两侧各设置有不同温度的液体通道的电热流微混合器的俯视图；图2是截面A-A结构示意图；图3是电极形状示意图；图4是设置有电阻加热器以提高混合效率的交流电热流微混合器的俯视图；图5是截面B-B结构示意图；图6是截面C-C结构示意图；图7为仿真实验的几何模型图；图8为仿真实验的微混合器的各截面上浓度分布结果示意图，图8(a)为未施加温度梯度的浓度示意图，图8(b)为施加温度梯度的浓度示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。实施方式一：通过外部温度差提高混合效果的交流电热微混合器如图1所示,两侧各设置有恒温液体通道的微混合器包括1条用于混合溶液的Y型流动腔和2条通有恒温流体的U型液体通道,流动腔的四壁采用常见的微通道材料，材料的选择不受限制。Y型流动腔的三微通道连通处形成交流电热流微混合腔，混合腔室底部安放有一电极,电极位置为图1所示,位于两溶液交汇后之后的位置，电极材料为导电材料，电极的形状不受限制，该两电极间接有第一交流电压。Y型流动腔两侧分别设置一个通有连续流动的恒温液体的U型通道A和通道B。溶液A通过注射泵从入口1进入通道4，溶液B从入口2进入流动腔5，流动腔4和流动腔5交汇合并成流动腔6，溶液A和溶液B在流动腔6中进行混合并从出口3流出。液体C通过蠕动泵从入口7进入流动腔9，并从出口8流出。液体D通过蠕动泵从入口10进入流动腔12，并从出口11流出。液体C和液体D两者温度不相同。电极13和14提供电热效应所需的交流电压。图2为通道的图1中A-A横截面的示意图。盖板15的材料为PDMS，基底16的材料为玻璃。通道横截面6内充满待混合溶液的微通道，9与12分别内通有连续流动的恒温流体A(20℃)和恒温流体B(30℃)，两者温度可以分别控制并且两者内的温度不相等。图3为通道底面加工有微电极图。通过改变通道横截面9与12之间的温度差，使得横截面6内在宽度方向产生加温度梯度，从而增强电热流动，达到增强微通道中溶液混合效果的目的。实施方式二：设有电阻加热器以提高混合效率的交流电热流微混合器如图4所示,溶液A通过注射泵从入口1进入通道4，溶液B从入口2进入流动腔5，流动腔4和流动腔5交汇合并成流动腔6，溶液A和溶液B在流动腔6中进行混合并从出口3流出。图5为图4中B-B横截面图，电极13和14提供电热效应所需的交流电压。图5为图4中C-C纵截面图，电阻加热器17提供额外的温度梯度，电极13和电极14与电阻加热器17之间有一层1微米厚的二氧化硅绝缘层作为电场隔离层，防止电阻加热器产生的电场干扰电极13和和电极14产生的电场。电阻加热器17两端加载有直流电压，通过控制电阻加热器17两端的电压，使得电阻加热器进行发热，使得通道内产生额外的温度梯度，以达到提高电热效应的目的，提高混合效果。热源不局限于上述方式，通过在混合腔外部施加各种形式的热源，使其混合腔内部产生非均匀温度梯度和温度场即可。实例：使用COMSOLMultiphysics4.3a对通过外部温度差提高混合效果的交流电热微混合器进行数值模拟，将流场、电场和温度梯度的控制方程和其边界条件编码到软件中进行计算，建立使用带有拉格朗日二次型函数的三角单元离散3D模型，计算域本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种交流电热流微混合方法，其特征在于，该方法具体为：在交流电热流微混合腔的外壁施加温度差，使得交流电热流微混合腔内产生温度梯度，从而促进混合腔内的溶液混合。

【技术特征摘要】
1.一种交流电热流微混合方法，其特征在于，该方法具体为：将一个电极对内的两个电极布置在交流电热流微混合腔内部的流动路径两侧，电极提供交流电压使待混合溶液产生电热效应，从而使待混合溶液产生电热流动；在交流电热流微混合腔的外壁施加温度差，使得交流电热流微混合腔内产生温度梯度，从而促进混合腔内的待混合溶液混合。2.一种交流电热流微混合器，包括至少两条液体入口微通道、一条液体出口微通道和电极对，液体入口微通道和液体出口微通道汇聚于同一处形成交流电热流微混合腔，电极对设置在交流电热流微混合腔内部的流动路径两侧，用于提供交流电压使待混合溶液产生电热效应，从而使待混合溶液产生电热流动，其特征在于，还包括两条液体通道，对称设置在交流电热流微混合腔外壁两侧，用于通入具有温度差的液体以在混合腔的外壁两侧产生温度差，外壁温度差驱使交流电...

【专利技术属性】
技术研发人员：张峰，陈瀚，马龙威，刘华，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42