一种可快速产生等梯度浓度溶液的微流控平台制造技术

本发明专利技术涉及一种由多级微管构成的微流控平台，该平台可实现溶液自动高速混合，并最终获得浓度等梯度分布的溶液，包括：一种可实现两种浓度溶液自动、高速混合的微流控结构；18个弯曲微管与尖角微结构组成的四级管道微流控平台，实现两种浓度溶液的分级混合；出口处溶液浓度实现了六级等梯度浓度分布。本发明专利技术可高速、并行化将入口处不同浓度的两种溶液通过多级管道逐级混合，最终在出口处获取等梯度浓度分布溶液；分支微管的混合效率可高达95％以上；在较高流速下分支微管仍可实现较高混合均匀性，确保出口溶液浓度符合等梯度分布规律；该发明专利技术将应用在纳米材料、生物医学及制药等相关领域。关领域。关领域。

【技术实现步骤摘要】
一种可快速产生等梯度浓度溶液的微流控平台


[0001]本专利技术属于纳米材料和生物医学领域，具体说是一种可快速产生等梯度浓度溶液的微流控平台。

技术介绍

[0002]微流控流体混合技术由于其在微尺度流体的控制和较少的试剂浪费方面具有的优势，应用在化学反应，材料制备，乳化等方面的研究也越来越多。其中混合溶液的浓度对实验效果显得尤为重要，例如药物浓度的个性化治疗，材料特性的精准控制等。然而当前对于特定浓度的溶液制备缺乏高效、简约的方法，通常采用手动溶液浓度的配置方法。为提高生产效率和实验结果的可靠性，就亟待开发一种可以自动、同时产生等梯度浓度溶液的微流控平台。目前，同时具备高效混合效率和等浓度梯度分布规律的微流控平台还未被报道。

技术实现思路

[0003]为解决上述问题，本专利技术的目的是提供一种可快速产生等梯度浓度溶液的微流控平台，为涉及试剂浓度选择的生产、实验需要，提供可靠技术支持。
[0004]本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：
[0005]一种可快速产生等梯度浓度溶液的微流控平台，微流控平台由n层微管结构依次首尾相连构成，微流控平台具有两个入口以及n+2个出口，上一层微管结构的出口作为本层微管结构的入口，每层微管结构由多个分支弯曲微管构成，同一层中每两个相邻的分支弯曲微管入口间距相同，所述分支弯曲微管呈波纹状，波峰与波谷之间的管沿长度方向向内弯折形成豁口。
[0006]第i层微管结构由i+2个分支弯曲微管构成，i＝1,2，
…
，n。
[0007]所述豁口为多个，沿管长度方向均匀设置。
[0008]所述豁口的一个表面在管的轴向截面的投影为垂直于管的轴向中心线的线段，另一个表面在管的轴向截面的投影为倾斜于管的轴向中心线的线段，两个线段之间的夹角为30度。
[0009]所述豁口的一个表面在管的轴向截面的投影为倾斜于管的轴向中心线的线段，另一个表面在管的轴向截面的投影为倾斜于管的轴向中心线的线段，两个线段之间的夹角为30度。
[0010]所述豁口的尖角处距分支弯曲微管管壁之间通道的距离与管道宽度的比例为0.2。
[0011]基于微流控平台的等梯度浓度溶液的自动高速生成方法，具体为：在入口处分别倒入两种浓度不同的溶液，通过微流控平台对不同溶液进行混合、分流，溶液通过设于微流控平台中分支弯曲微管内壁上的豁口时，基于流体阻力，使溶液在同一层的所有分支弯曲微管出口处的溶液浓度呈等梯度分布。
[0012]出口处的浓度C为：
[0013]C＝C
i
(V
i
+1)/B+C
i+1
(B
‑
V
i+1
)/B
[0014]其中，C
i
和C
i+1
分别为当前层微管结构从左至右第i个和第i+1个分支弯曲微管入口处的溶液浓度，B为当前层微管结构的分支弯曲微管总数，V
i
＝i，为当前层微管结构从左至右第i个分支弯曲微管，i＝0,1,2
…
，n
‑
1。
[0015]本专利技术具有以下有益效果及优点：
[0016]本专利技术无需多次配置溶液，造成试剂浪费；在高流速条件下，尖角结构的设计可以保证高混合效率；可实现自动、同时多浓度溶液的合成；微流控平台可以在微尺度结构领域，实现纳米级别的操作。
附图说明
[0017]图1a为微流控平台结构示意图—单个分支微管结构示意图；
[0018]图1b为微流控平台结构示意图—产生等梯度梯度浓度分布的微流控系统示意图；
[0019]图2a为分支结构内溶液混合效果对出口处溶液浓度分布关系图—分支微管内二维流线流动轨迹和速度分布的仿真结果图；
[0020]图2b为分支结构内溶液混合效果对出口处溶液浓度分布关系图—不同流速下出口处的浓度分布规律图；
[0021]图3a为不同流速下的分支结构内溶液混合效果图—分支微管内染色和无染色溶液的混合过程图；
[0022]图3b为不同流速下的分支结构内溶液混合效果图—Mi值随流速增大的变化图；
[0023]图4a为出口处的溶液浓度分布规律图—染色和无染色溶液混合后在六个出口处图；
[0024]图4b为出口处的溶液浓度分布规律图—六个出口处溶液的灰度值分布规律图。
具体实施方式
[0025]下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步的详细说明。
[0026]根据流体动力学原理，当微流控平台内部压力分布均匀时，分支结构内的流体会按照理论计算的浓度分裂值进行分流；一种微流控平台经过多级、多支路的分流作用，使出口处溶液浓度呈等梯度分布规律；单个分支微管的结构设计通过弯曲微管和尖角微结构的组合使得分支微管内的流体混合效果大幅提升，保证了出口溶液的浓度分布规律。
[0027]本专利技术中微管层数从1层增加到4层时，分支数量从3个增加到6个；入口处的两组溶液通过多级微管的分流作用，可以在出口处形成等梯度浓度分布的溶液。
[0028]基于微流控平台的等梯度浓度溶液的自动高速生成方法，借助于一种可实现两种浓度溶液自动、高速混合的微流控结构；利用多级管道结构实现不同浓度流体间的混合，以及分支微管出口处的分流；入口处两种浓度的溶液，在经过微流控平台的混合、分流作用下，其出口处的溶液浓度呈等梯度分布特点。
[0029]根据流体动力原理，流体阻力在整个微流控平台中是均匀分布的，因此流体在每一个分支结构到下一级分支结构的分流规律是完全一致的。
[0030]对于该微流控平台中的浓度分布规律，可以被简化成单一分支结构的流体动力学研究。由于每个分支结构都有两个入口和一个出口，将入口浓度分别设置为C1和C2，则两个
入口溶液在支路点的浓度分裂比可分别表示为:
[0031](V1+1)/B(1)
[0032](B
‑
V2)/B(2)
[0033]其中B为流体流动的分支系分支单元数，V为分支系分支单元数(从零开始从左到右编号)。则该分支出口浓度值为：
[0034]C1(V1+1)/B+C2(B
‑
V2)/B(3)
[0035]由于微流控平台内部的流体阻力分布均匀，因此每一个分支单元的浓度分布规律均符合以上公式。例如：假设入口浓度为0和1，则六出口微流控平台下的出口溶液浓度分布为0，1/6，2/6，3/6，4/6，5/6，1。
[0036]通过对分支结构的优化，提高不同浓度溶液在分支出口处的混合指数，以保证出口溶液浓度可以符合理论计算的等梯度分布规律。对于微管内尖角微结构的相关参数优化，以实验和仿真的方式进行验证。对于尖角角度的优化，选择尖角角度分别为15
°
，30
°
，和45
°
。三种尖角角度下的分支微管，当流速为90μl/min时，其混合效率经过实验测量发现：15
°
尖角的混合效本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可快速产生等梯度浓度溶液的微流控平台，其特征在于，微流控平台由n层微管结构依次首尾相连构成，微流控平台具有两个入口以及n+2个出口，上一层微管结构的出口作为本层微管结构的入口，每层微管结构由多个分支弯曲微管构成，同一层中每两个相邻的分支弯曲微管入口间距相同，所述分支弯曲微管呈波纹状，波峰与波谷之间的管沿长度方向向内弯折形成豁口。2.根据权利要求1所述的一种可快速产生等梯度浓度溶液的微流控平台，其特征在于，第i层微管结构由i+2个分支弯曲微管构成，i＝1,2，
…
，n。3.根据权利要求1所述的一种可快速产生等梯度浓度溶液的微流控平台，其特征在于，所述豁口为多个，沿管长度方向均匀设置。4.根据权利要求1所述的一种可快速产生等梯度浓度溶液的微流控平台，其特征在于，所述豁口的一个表面在管的轴向截面的投影为垂直于管的轴向中心线的线段，另一个表面在管的轴向截面的投影为倾斜于管的轴向中心线的线段，两个线段之间的夹角为30度。5.根据权利要求1所述的一种可快速产生等梯度浓度溶液的微流控平台，其特征在于，所述豁口的一个表面在管的轴向截面的投影为倾斜于管的轴向中心线的线段，另一个表面在管的轴向截面的投影为倾斜于管的轴向中心线的线段，两个线段之间的夹角为30度。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：党丹，李正华，梁文峰，
申请(专利权)人：沈阳建筑大学，
类型：发明
国别省市：