一种以磁性液体为媒介的可控调比微流混合器制造技术

本发明专利技术公开一种以磁性液体为媒介的可控调比微流混合器，包括芯片基底、芯片盖板和永磁铁；芯片盖板贴合在芯片基底上，芯片基底和芯片盖板开有相对应的凹槽，永磁铁镶嵌在凹槽中；芯片基底上设有微流通道；芯片盖板上设有两组出入口、两个调比线圈、电源接口、混合平面线圈组和混合出口。本发明专利技术通过产生磁场梯度实现对混合物质的比例调节，促使磁性液体内非磁性颗粒产生震荡作用，完成物质的混合。本发明专利技术的优势在于，混合过程快速、均匀、可控；对磁性液体的pH、离子、表面电荷等物理参数无特殊要求，磁性液体可实现生物兼容；可实现对混合物质的比例调节，并且可以在线调节混合比例，调节方法快捷方便。

【技术实现步骤摘要】
一种以磁性液体为媒介的可控调比微流混合器
本专利技术属于微流控
，具体涉及一种以磁性液体为媒介的可控调比微流混合器。
技术介绍
自20世纪90年代，A.Manz等人提出微全分析系统以来，微流控芯片已经在全世界范围内被广泛研究。由于微流控芯片具有体积小、质量轻、价格低、便于携带、试样消耗少、反应速率快和使用方便等诸多优点，使其在化学、生物学、医学等领域成为研究热点。在微机电系统（MEMS）的发展带动下，近年来微流控技术得到了极其快速的发展，在各类微流控装置工作过程中，两种或两种以上的物质混合是关键技术，因此绝大多数场合几乎都离不开一个重要功能性器件——微流混合器，其主要功能是实现微流体的快速与高校混合。目前国内外众多研究者已针对微流混合器做了大量工作，并且研制出各式各样的微流混合器。现有的微流混合器主要分为主动式与被动式两种。主动式微流混合器是借用外部动力，如电、光、声和温度等进行混合，混合过程可控，但混合器结构较为复杂且对微流体物理性质要求较高；被动式微流混合器通过设置特殊的几何结构实现混合过程，具有结构简单易于制造的优势，但混合较为缓慢且混合过程不可控。两种形式各有优势，为适应微流控技术的发展，近年来人们开始采取措施综合利用两种混合器的优势，但都是以将一定比例的微流体混合均匀为目的，不具有在混合过程中实现调节比例的功能。磁性液体是由纳米磁性颗粒、基载液和表面活性剂三部分组成的胶体悬浮液，是兼有磁性和流动性的功能性流体。由于磁性液体的独特性质，使得磁性液体在微流控系统中有了特殊应用，在生物兼容性磁性液体研制成功后，磁性液体有了更广泛的应用。磁性液体的操控相比其他方法具有易于实现，不受pH、离子、表面电荷的影响等优势，且在磁场的作用下磁性液体中的非磁性颗粒会受到磁性浮力，进而可对非磁性颗粒进行操控，实现非磁性颗粒的移动、分离和混合等操作。
技术实现思路
为了克服现有技术的缺点，本专利技术提供一种可以实现混合效果好且混合比例可控的以磁性液体为媒介的可控调比微流混合器。本专利技术采用的技术方案如下：一种以磁性液体为媒介的可控调比微流混合器，包括芯片基底1、芯片盖板2和永磁铁10；芯片盖板2贴合在芯片基底1上，芯片基底1和芯片盖板2开有相对应的凹槽，永磁铁10镶嵌在凹槽中，磁极与芯片基底1和芯片盖板2相垂直；芯片基底1上设有微流通道6；芯片盖板2上设有A出口3、A入口4、A调比线圈5、B入口7、B出口8、B调比线圈9、电源接口11、混合平面线圈组12和混合出口13；微流通道6为刻在芯片基底1上的槽道，包括四条分通道和一条主通道；四条分通道的一端与主通道连通，另一端通过开在芯片盖板2上的锥形通孔与外界连通，依次分别为A出口3、A入口4、B入口7和B出口8；主通道一端与四条分通道连通，另一端贯穿磁控混合区15，在近末端处为蛇形弯曲，形成几何混合区14，末端通过开在芯片盖板2上的锥形通孔混合出口13与外界连通；在A出口3对应的分通道与A入口4对应的分通道之间的通道上设有A调比线圈5，在B入口7对应的分通道与B出口8对应的分通道之间的通道上设有B调比线圈9，A调比线圈5与B调比线圈9为平面线圈，A调比线圈5和B调比线圈9分别从始端与终端各引出一条导线与设在芯片盖板2两侧的电源接口11连接，每个调比线圈分别由外接直流电源独立供电；所述磁控混合区15包括设在微流通道6主通道两侧的混合平面线圈组12和永磁铁10；混合平面线圈组12由10~40个平面线圈相互串联而成，对称布置在主通道两侧，同一侧的平面线圈电流环绕方向相同，且与对侧电流环绕方向相反，从第一个线圈的始端与最后一个线圈的终端各引出一条导线分别接入设在芯片盖板2两侧的电源接口上，由外接直流电源提供方向周期变化的电流；永磁铁10为两块，对称布置在混合平面线圈组12的两侧，两块永磁铁10的磁极方向相同。优选的，芯片基底1与芯片盖板2均为透明硅片制成，通过键合的方法进行贴合。优选的，微流通道6通过微纳加工技术光刻和刻蚀的方法加工在芯片基底1上，其截面为正方形，截面边长在20~500μm之间。优选的，微流通道6在几何混合区14处为蛇形弯曲，弯道的直径为0.5~1mm，弯道数量为5~20个。优选的，A调比线圈5与B调比线圈9的线圈中心在通道中心线上，且A调比线圈5中心与A入口4对应的分通道和主通道连接处中心的距离、及B调比线圈9中心与B入口7对应的分通道和主通道连接处中心的距离均为1~2mm。优选的，混合平面线圈组12中各线圈中心与主通道中心的垂直距离为1~2mm。优选的，A调比线圈5、B调比线圈9和混合平面线圈组12中导线直径为2~4μm，导线间距离为2~20μm，线圈匝数为50~200匝之间；通过电镀的方法镀在芯片盖板2上。优选的，A调比线圈5、B调比线圈9和混合平面线圈组12表面还设有一层隔离层，防止线圈或导线与通道中的磁性液体接触，所述隔离层可由PDMS等绝缘材料制备。优选的，永磁铁10为条形磁铁，永磁铁10的长度根据混合平面线圈组12的布置情况确定，应确保永磁铁10长度稍大于混合平面线圈组12的长度；两块永磁铁10间的距离为1~2cm；通过光刻和刻蚀的方法分别在芯片基底1和芯片盖板2对应位置刻槽，使得永磁铁10刚好嵌入槽中不影响芯片的密封封装，且永磁铁10中心面与混合平面线圈组12在同一平面内；磁铁的磁化强度可根据需求选取。工作过程：所述可控调比微流混合器的混合对象为磁性液体中的非磁性颗粒，通入的液体均为混有待混合物（非磁性颗粒或细胞）的磁性液体，磁性液体与待混合物相兼容但不会发生反应，不影响后续反应或操作。将待混合物分别混入磁性液体中，利用注射泵或微流泵将混有一定浓度的待混合物的磁性液体分别从A入口4与B入口7泵入微流通道6；根据最终混合液所需的物质比例与浓度设置A调比线圈5与B调比线圈9的电流大小，调比线圈通电后会形成背向主通道的磁场梯度，磁性液体中的纳米磁性颗粒会受到与磁场梯度同向的作用力，在这个力的作用下非磁性颗粒会受到指向主通道的磁性浮力，由于存在磁性浮力使得磁性液体中的非磁性颗粒会偏向主通道移动，在流场与磁场的共同作用下，可以调节流向主通道的非磁性颗粒的比例，以满足要求，如图3所示；被调比线圈产生的磁场吸引的磁性液体的一部分分别从A出口3与B出口8流出，其余磁性液体及其中的非磁性颗粒流入主通道处汇合，流入磁控混合区15；给磁控混合区15中的混合平面线圈组12通入方向周期变化的直流电流，在永磁铁10与混合平面线圈组12的共同作用下，会形成指向其中一侧平面线圈的磁场梯度，梯度方向由通入电流方向决定，由于通入电流方向为周期变化，使得磁场梯度方向周期变化，进而非磁性颗粒所受磁性浮力的方向周期变化，进而在磁控混合区流动的非磁性颗粒会产生震荡作用，促进其混合均匀，如图5（a）-5（d）所示，通过调节混合平面线圈组12中的电流大小与方向变化的频率，可以控制混合的速率；混合较为均匀的磁性液体继续流入几何混合区14，在弯道的作用下进一步使磁性液体中的颗粒混合充分，并可使用显微镜观察弯道内的混合情况；混合均匀的磁性液体从混合出口13流出。在整个过程中，A调比线圈5与B调比线圈9起到了调节混合物比例的作用，通过调节各调比线圈的电流大小可实现混合液体中各物质不同的比例与浓度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以磁性液体为媒介的可控调比微流混合器，包括芯片基底（1）、芯片盖板（2）和永磁铁（10）；芯片盖板（2）贴合在芯片基底（1）上，芯片基底（1）和芯片盖板（2）开有相对应的凹槽，永磁铁（10）镶嵌在凹槽中，磁极与芯片基底（1）和芯片盖板（2）相垂直；芯片基底（1）上设有微流通道（6）；芯片盖板（2）上设有A出口（3）、A入口（4）、A调比线圈（5）、B入口（7）、B出口（8）、B调比线圈（9）、电源接口（11）、混合平面线圈组（12）和混合出口（13）；微流通道（6）包括四条分通道和一条主通道；四条分通道的一端与主通道连通，另一端通过开在芯片盖板（2）上的锥形通孔与外界连通，依次分别为A出口（3）、A入口（4）、B入口（7）和B出口（8）；主通道一端与四条分通道连通，另一端贯穿磁控混合区（15），在近末端处为蛇形弯曲，形成几何混合区（14），末端通过开在芯片盖板（2）上的锥形通孔混合出口（13）与外界连通；在A出口（3）对应的分通道与A入口（4）对应的分通道之间的通道上设有A调比线圈（5），在B入口（7）对应的分通道与B出口（8）对应的分通道之间的通道上设有B调比线圈（9），A调比线圈（5）与B调比线圈（9）为平面线圈，A调比线圈（5）和B调比线圈（9）分别从始端与终端各引出一条导线与设在芯片盖板（2）两侧的电源接口（11）连接，每个调比线圈分别由外接电源独立供电；所述磁控混合区（15）包括设在微流通道（6）主通道两侧的混合平面线圈组（12）和永磁铁（10）；混合平面线圈组（12）由多个平面线圈串联组成，对称布置在主通道两侧，同一侧的平面线圈电流环绕方向相同，且与对侧电流环绕方向相反，从第一个线圈的始端与最后一个线圈的终端各引出一条导线分别接入设在芯片盖板（2）两侧的电源接口上，由外接电源提供方向周期变化的电流；永磁铁（10）为两块，对称布置在混合平面线圈组（12）的两侧，两块永磁铁（10）的磁极方向相同。...

【技术特征摘要】
1.一种以磁性液体为媒介的可控调比微流混合器，包括芯片基底（1）、芯片盖板（2）和永磁铁（10）；芯片盖板（2）贴合在芯片基底（1）上，芯片基底（1）和芯片盖板（2）开有相对应的凹槽，永磁铁（10）镶嵌在凹槽中，磁极与芯片基底（1）和芯片盖板（2）相垂直；芯片基底（1）上设有微流通道（6）；芯片盖板（2）上设有A出口（3）、A入口（4）、A调比线圈（5）、B入口（7）、B出口（8）、B调比线圈（9）、电源接口（11）、混合平面线圈组（12）和混合出口（13）；微流通道（6）包括四条分通道和一条主通道；四条分通道的一端与主通道连通，另一端通过开在芯片盖板（2）上的锥形通孔与外界连通，依次分别为A出口（3）、A入口（4）、B入口（7）和B出口（8）；主通道一端与四条分通道连通，另一端贯穿磁控混合区（15），在近末端处为蛇形弯曲，形成几何混合区（14），末端通过开在芯片盖板（2）上的锥形通孔混合出口（13）与外界连通；在A出口（3）对应的分通道与A入口（4）对应的分通道之间的通道上设有A调比线圈（5），在B入口（7）对应的分通道与B出口（8）对应的分通道之间的通道上设有B调比线圈（9），A调比线圈（5）与B调比线圈（9）为平面线圈，A调比线圈（5）和B调比线圈（9）分别从始端与终端各引出一条导线与设在芯片盖板（2）两侧的电源接口（11）连接，每个调比线圈分别由外接电源独立供电；所述磁控混合区（15）包括设在微流通道（6）主通道两侧的混合平面线圈组（12）和永磁铁（10）；混合平面线圈组（12）由多个平面线圈串联组成，对称布置在主通道两侧，同一侧的平面线圈电流环绕方向相同，且与对侧电流环绕方向相反，从第一个线圈的始端与最后一个线圈的终端各引出一条导线分别接入设在芯片盖板（2）两侧的电源接口上，由外接电源提供方向周期变化的电流；永...

【专利技术属性】
技术研发人员：何永清，赵芳彪，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53