一种数学螺旋结构混合器的混合效果衡量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种数学螺旋结构混合器的混合效果衡量方法及系统，包括：基于阿基米德螺旋、费马螺旋、双曲螺旋三种螺旋结构构建三种不同螺旋微混合器；利用实验与模拟策略衡量三种不同螺旋微混合器的混合效果，总结其混合机理，将费马螺旋混合器集成于微流控芯片，并用于疾病标志物的检测。本发明专利技术可衡量不同数学螺旋结构微混合器的混合效果，并总结该类型混合器的机理；可用于低雷诺数流体的混合，结构简单，混合效率高、成本低；费马螺旋结构微混合器在集成于cTnI的检测芯片时，使用双抗体夹心法为免疫原理，适用于大多数标志物的检测，可满足许多此类疾病的诊断需要，具备广泛的适用性；该混合器的集成，使检测时间缩短至10分钟，检测灵敏度高。检测灵敏度高。检测灵敏度高。

【技术实现步骤摘要】
一种数学螺旋结构混合器的混合效果衡量方法及系统


[0001]本专利技术涉及用于衡量微混合器混合效果的
，尤其涉及一种数学螺旋结构混合器的混合效果衡量方法及系统。

技术介绍

[0002]微混合器是一种体积小、试剂用量少、反应效率高的微型装置，这些功能可实现流体的快速混合和分析，微混合器在生化分析的样品预处理中占有重要地位，研究表明，流体的混合对生物和化学反应至关重要。然而，流体在微通道中主要以层流流动，流体混合是一个低效的过程，在流速较低时，混合主要取决于分子的扩散，混合速度慢，混合效率低。
[0003]微混合器根据不同的进样方法分为主动和被动混合器。主动混合器依靠外部能量驱动流体流动，如电磁驱动、电力驱动、机械搅拌和热膨胀，这种类型的混合器具有更快的进样速度和更高的混合效率；然而，主动微混合器的共同缺点是其结构相对复杂和分析成本相对较高，相比之下，被动微混合器结构简单，不需要外部能量供给，被动微混合器仅依靠微通道的各种设计来实现流体混合，此外，这种微型混合器的小尺寸也降低了分析成本。
[0004]微流控(Microfluidics)指的是使用微通道(尺寸为数十到数百微米)处理或操纵微小流体的系统，是一门涉及化学、流体物理、微电子、新材料、生物学和生物医学工程的新兴交叉学科，具有微型化、集成化等特征，将微混合器集成于微流控芯片用于疾病检测，具有试剂消耗少，检测灵敏度高，反应效率高等特点。被动微混合器的引入使其在低成本的情况下将免疫实验缩短至十分钟，为医疗偏僻的山区或急救情况时带来帮助，有望用于即时诊断设备。

技术实现思路

[0005]本部分的目的在于概述本专利技术的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和专利技术名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和专利技术名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本专利技术的范围。
[0006]鉴于上述现有存在的问题，提出了本专利技术。
[0007]因此，本专利技术解决的技术问题是：结构复杂，混合效率低，混合成本高，检测精度低。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：基于阿基米德螺旋、费马螺旋、双曲螺旋三种螺旋结构构建三种不同螺旋微混合器；利用实验与模拟策略衡量所述三种不同螺旋微混合器的混合效果，总结其混合机理，将费马螺旋混合器集成于微流控芯片，并用于疾病标志物的检测。
[0009]作为本专利技术所述的数学螺旋结构混合器的混合效果衡量方法的一种优选方案，其中：所述阿基米德螺旋通道参数方程包括，
[0010][0011]作为本专利技术所述的数学螺旋结构混合器的混合效果衡量方法的一种优选方案，其中：所述费马螺旋通道参数方程包括，
[0012][0013]作为本专利技术所述的数学螺旋结构混合器的混合效果衡量方法的一种优选方案，其中：所述双曲螺旋通道参数方程包括，
[0014][0015]作为本专利技术所述的数学螺旋结构混合器的混合效果衡量方法的一种优选方案，其中：利用Navier
‑
Stokes方程和对流扩散方程描述不同数学螺旋混合通道中的不可压缩流体，包括，
[0016][0017][0018][0019]其中，ρ表示流体密度，表示速度矢量，ν表示运动粘度，p表示压力，表示浓度。
[0020]作为本专利技术所述的数学螺旋结构混合器的混合效果衡量方法的一种优选方案，其中：表征所述流体流动的雷诺数方程包括，
[0021][0022]其中，D
h
为微通道流体水力直径。
[0023]作为本专利技术所述的数学螺旋结构混合器的混合效果衡量方法的一种优选方案，其中：评估所述流体混合性能的公式包括，
[0024][0025]其中，为流体完全混合时的体积分数，n为横截面上的点数，c
i
为n点处的体积分数；
[0026]当M＝0时，流体完全没有混合；
[0027]当80％≤M<95％时，流体混合良好；
[0028]当M≥95％时，流体完全混合；
[0029]利用成像区域内平均RGB值的像素强度计算混合效率：
[0030][0031]其中，I
max
表示在完全混合图像中观察到的最大红色强度，I
min
为去离子水图像中
观察到的最小强度。
[0032]为解决上述技术问题，本专利技术还提供了一种数学螺旋结构混合器的混合效果衡量系统：三种数学螺旋结构的微混合器包括阿基米德螺旋结构微混合器、费马螺旋结构微混合器和双曲螺旋结构微混合器，所述三种数学螺旋结构的微混合器包括流体入口、直通道、螺旋混合通道以及流体出口，所述流体入口、直通道、螺旋混合通道以及流体出口按此顺序依次连接；所述费马螺旋结构微混合器集成于cTnI检测芯片，包括费马螺旋结构微混合器、上下层芯片、按压式机械阀和阀架，所述阀架置于下层芯片一端，按压式机械阀通过阀孔贯穿所述上下层芯片、按压式机械阀和阀架并与所述费马螺旋结构微混合器进行连接，所述费马螺旋结构微混合器置于上层芯片里。
[0033]作为本专利技术所述的数学螺旋结构混合器的混合效果衡量系统的一种优选方案，其中：还包括，所述阿基米德螺旋结构微混合器流体入口长度为3mm，直通道长度为1.5mm，阿基米德螺旋通道为50mm，出口长度为1.5mm，通道宽度分别为200um、300um和400um三种类型；所述费马螺旋结构微混合器流体入口长度为3mm，直通道长度为1.5mm，费马螺旋通道为50mm，出口长度为1.5mm，通道宽度分别为200um、300um和400um三种类型；所述双曲螺旋结构微混合器流体入口长度为3mm，直通道长度为1.5mm，双曲螺旋通道为50mm，出口长度为1.5mm，通道宽度分别为200μm、300μm和400μm三种类型。
[0034]作为本专利技术所述的数学螺旋结构混合器的混合效果衡量系统的一种优选方案，其中：还包括，所述上芯片包括四个储液池，贯穿所述上芯片的阀孔，所述费马螺旋结构微混合器与所述阀孔相连接，半圆组成的检测区与所述费马螺旋结构微混合器相连接，以及负压孔、所述储液池均匀分布于所述阀孔周围；所述下芯片置于所述上芯片下端，由所述阀孔以及废液池组成，所述阀孔与所述上芯片的阀孔位置保持一致，所述废液池在相对于所述阀孔的一端；所述按压式机械阀贯穿所述上下芯片，由两个圆柱组成，所述按压式机械阀设有3个不同高度的微通道，通过上下运动控制所述储液池与所述费马螺旋结构微混合器的连接，控制不同样品的顺序进样；所述阀架由上阀架、下阀架和短销构成，所述阀架用于定位所述按压式机械阀，其设置于所述上下层芯片一端，保证按压式机械阀在运动过程中不晃动，短销放置于连接孔中连接所述上阀架和下阀架。
[0035]本专利技术的有益效果：本专利技术可衡量不同数学螺旋结构微混合器的混合效果，并总结该类型混合器的机理；可用于低雷诺数流体的混合，结构相对简单，混合效率高，混合成本低；费马螺旋结构微混合器在集成于cTnI的检测芯片时，使用双本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种数学螺旋结构混合器的混合效果衡量方法，其特征在于，包括：基于阿基米德螺旋、费马螺旋、双曲螺旋三种螺旋结构构建三种不同螺旋微混合器；利用实验与模拟策略衡量所述三种不同螺旋微混合器的混合效果，总结其混合机理，将费马螺旋混合器集成于微流控芯片，并用于疾病标志物的检测。2.如权利要求1所述的数学螺旋结构混合器的混合效果衡量方法，其特征在于：所述阿基米德螺旋通道参数方程包括，3.如权利要求1所述的数学螺旋结构混合器的混合效果衡量方法，其特征在于：所述费马螺旋通道参数方程包括，4.如权利要求1所述的数学螺旋结构混合器的混合效果衡量方法，其特征在于：所述双曲螺旋通道参数方程包括，5.如权利要求1～4任一所述的数学螺旋结构混合器的混合效果衡量方法，其特征在于：利用Navier
‑
Stokes方程和对流扩散方程描述不同数学螺旋混合通道中的不可压缩流体，包括，体，包括，体，包括，其中，ρ表示流体密度，表示速度矢量，ν表示运动粘度，p表示压力，表示浓度。6.如权利要求5所述的数学螺旋结构混合器的混合效果衡量方法，其特征在于：表征所述流体流动的雷诺数方程包括，其中，D
h
为微通道流体水力直径。7.如权利要求7所述的数学螺旋结构混合器的混合效果衡量方法，其特征在于：评估所述流体混合性能的公式包括，其中，为流体完全混合时的体积分数，n为横截面上的点数，c
i
为n点处的体积分数；
当M＝0时，流体完全没有混合；当80％≤M<95％时，流体混合良好；当M≥95％时，流体完全混合；利用成像区域内平均RGB值的像素强度计算混合效率：其中，I
max
表示在完全混合图像中观察到的最大红色强度，I
min
为去离子水图像中观察到的最小强度。8.一种数学螺旋结构混合器的混合效果衡量系统，其特征在于，包括：三种数学螺旋结构的微混合器(100)包括阿基米德螺旋结构微混合器、费马螺旋结构微混合器和双曲螺旋结构微混合器，所述三种数学螺旋结构的微混合器(100)包括流体入口(100a)、直通道(100b)、螺旋混合通道(100c)以及流体出口(100d)，所述流体入口(100a)、直通道(100b)、螺旋混合通道(100c)以及流体出口(100d)按此顺序依次连接；所述费马螺旋结构微混合器集成于cTnI检测...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹彬沣，岳文凯，杨超，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：