一种多模式微混合器芯片及高通量混合和柔性混合方法技术

本发明专利技术公开了一种多模式微混合器芯片包括n个样品入口、m个样品出口、上基板和下基板，所述上基板通过流道层和下基板固联为一体；所述上基板包括上基板基底材料层和设置在上基板基底材料层下表面的上基板导电薄膜；所述流道层包括曲线形流道和与曲线形流道一端相连接的混合腔，所述曲线形流道的另一端与n个样品入口相连接，所述混合腔的另一端与m个样品出口相连接；所述曲线形流道包括主曲线流道和设置在主曲线流道上的突扩结构。本发明专利技术能够在流速较高的情况下，实现样品的高通量混合，在流速较低的情况下，实现易损伤生物活性材料的低损伤柔性混合，且在一定程度上克服了目前微混合器结构复杂、灵活性及通用性差的缺点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种微混合器芯片，具体涉及的是一种多模式微混合器芯片及高 通量混合和柔性混合方法。
技术介绍
微混合器是芯片实验室(Lab-on-a-Chip，L0C)中的一个重要组件，由于可实现样 品的精确微量混合，而被广泛用于分析化学、生物学研究、合成化学、疾病诊断及环境监测 等领域。基于微流控技术的微混合器由于制作工艺简单、成本低等优点得到了广泛关注，但 由于微流控芯片的层流(一般应用中雷诺数小于100)限制，单纯通过两股层流样品接触面 上的扩散效应来实现混合，效率极低且不能实现微纳米粒子的混合。如何在较低雷诺数情 况下实现样品的快速高效混合一直是微混合器研究中的一个热点和难点。部分研究利用混 沌流来增大扩散接触面积从而增强混合效果，但该类技术需要构筑复杂的三维微流道，加 工繁琐且不易和其它LOC元件相集成。而大多数单层平面结构的微混合器都需借助精细的 流道壁面结构(凸脊结构、柱形结构等)来增强混合效果。另有借助电、磁、声等外场来实 现混合的技术，该类技术具有较高的能动性，能够根据实际需求控制所需的混合效果，但传 统的物理电极或换能器不具有可重构性。此外，现有的绝大部分微混合器功能单一，无法满 足多种混合需求。
技术实现思路
针对现有技术上存在的不足，本专利技术目的是在于提供一种结合结构诱导产生的流 体漩涡和动态虚拟电极的多模式微混合芯片及高通量混合和柔性混合方法，能够在流速较 高的情况下，实现样品的高通量混合，在流速较低的情况下，实现易损伤生物活性材料的低 损伤柔性混合，且在一定程度上克服了目前微混合器结构复杂、灵活性及通用性差的缺点。为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现本专利技术的一种多模式微混合器芯片包括η个样品入口、m个样品出口、上基板和下 基板，所述上基板通过流道层和下基板固联为一体；所述上基板包括上基板基底材料层和 设置在上基板基底材料层下表面的上基板导电薄膜；所述流道层包括曲线形流道和与曲线 形流道一端相连接的混合腔，所述曲线形流道的另一端与η个样品入口相连接，所述混合 腔的另一端与m个样品出口相连接；所述曲线形流道包括主曲线流道和设置在主曲线流道 上的突扩结构；所述下基板从上往下依次设有绝缘层、光电导层、下基板透明导电薄膜和下 基板透明基底材料层，四者固联为一体；其中，η为正整数且不小于2，m为正整数且不小于 1。上述样品入口设有两个，所述样品出口设有一个。上述混合腔的纵截面尺寸大于任意段曲线形流道的纵截面尺寸。因此在较高流速 情况下也会在混合腔中产生平行于主流动方向的漩涡。上述突扩结构的排布方式可为沿主曲线流道侧壁的阵列排布或沿主曲线流道侧壁的随机排布或置于曲线形流道中用于连接相邻的两主曲线流道。上述主曲线流道的形状为对称及非对称的正弦线形或螺旋线形或半圆弧形。上述突扩结构的形状为任意多边形。本专利技术的多模式微混合器芯片的高通量混合方法，包括以下几个步骤(a)在上基板导电薄膜和下基板透明导电薄膜之间加交流电信号，在η个样品入 口中分别插入一根入口微管，η种样品分别通过高速外驱动设备持续由入口微管注入对应 的样品入口；(b)n种样品在曲线形流道入口处汇合后形成高速样品流，注入曲线形流道，高速 样品流在曲线形流道中进行初步混合，得到初步高速样品流；曲线形流道诱导产生的垂直 于主流动方向的二次流和突扩结构诱导产生的平行于主流动方向的漩涡起增强混合的作用。(c)初步高速样品流注入混合腔中，通过微反射器将动态缩微光图案投射到混合 腔正下方位置的光电导层上，初步高速样品流在混合腔中进行最终的混合，得到最终高速 样品流；通过数字式微反射器将“螺旋桨”形的动态缩微光图案投射到混合腔正下方位置的 光电导层上，形成“螺旋桨”形动态虚拟电极，并在圆形混合腔中产生空间非勻强电场，可以 起到辅助混合的作用，主曲线流道和突扩结构诱导产生的流体漩涡起增大各样品扩散接触 面积的作用，并占主导地位。(d)最终高速样品流由混合腔引向m个样品出口，在m个样品出口中分别插入一根 出口微管，通过出口微管导出最终高速样品流至收集装置，完成整个混合过程。其中，η为正整数且不小于2，m为正整数且不小于1。上述高速外驱动设备为注射泵，使得各样品初速度大。本专利技术的多模式微混合器芯片的柔性混合方法，包括以下几个步骤(a)在上基板导电薄膜和下基板透明导电薄膜之间加交流电信号，在η个样品入 口中分别插入一根入口微管，η种样品分别通过低速外驱动设备批量由入口微管注入对应 的样品入口；(b)n种样品在曲线形流道入口处汇合后形成低速样品流，注入曲线形流道，低速 样品流通过曲线形流道引入混合腔；在曲线形流道中低速样品流运动不产生漩涡，带缩扩 结构的曲线形流道相当于普通流道，起把低速样品流引入混合腔的作用。(c)通过微反射器将动态缩微光图案投射到混合腔正下方位置的光电导层上，低 速样品流在混合腔中进行初始混合，得到最终低速样品流；通过数字式微反射器将“螺旋 桨”形的动态缩微光图案投射到混合腔正下方位置的光电导层上，形成“螺旋桨”形动态虚 拟电极，并在圆形混合腔中产生空间非勻强电场，可以起到增强混合的作用。(d)最终低速样品流由混合腔引向m个样品出口，在m个样品出口中分别插入一根 出口微管，在样品出口处加负压，通过出口微管导出最终低速样品流至收集装置，完成整个 混合过程；由于各样品初速度低，可在样品出口处加负压，以便导出最终低速样品流。其中，η为正整数且不小于2，m为正整数且不小于1。上述低速外驱动设备为移液器，使得各样品初速度小。本专利技术的有益效果本专利技术提供的一种多模式微混合器芯片具有两种不同的混合 方法，分别满足不同的混合需求。高通量混合方法借助结构诱导产生的流体漩涡并辅助以光虚拟电极产生的空间非均勻电场来实现样品的高效混合，能够用于微量合成反应及高通 量便携式分析检测仪器中的样品预处理；柔性混合方法主要借助”螺旋桨”形动态虚拟电极 产生的空间非均勻电场来推动样品，实现最小损伤的柔性批量混合，可被用于生物学研究 中的易损伤活性样品混合，使得本专利技术在生物学研究、合成化学及高通量检测分析仪器等 领域具有很可观的应用前景；同时，本专利技术提供的多模式微混合器芯片还具有流道结构简 单、混合效果可控及电极可重构等优点。附图说明下面结合附图和具体实施方式来详细说明本专利技术；图1为本专利技术的结构示意图；图2为图1的A-A截面图；图3为图1中B的放大图；图4为本专利技术的另一实施例。具体实施例方式为使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本专利技术。参见图1，本专利技术的一种多模式微混合器芯片包括上基板1、流道层2和下基板3， 上基板1通过流道层2和下基板3固联为一体，形成三层汉堡结构。在上基板1的左端设有第一上基板样品入口 11及第二上基板样品入口(图中未 标出)，在右端设有一个上基板样品出口 12 ；上基板1包括上基板基底材料层14和位于其 下表面的上基板导电薄膜13 ；为了方便观测，上基板基底材料层14 一般选取玻璃、石英等 透明材料，但也可选取非透明材料，上基板导电薄膜13可选择铟锡氧化物薄膜。参见图2，流道层2的材料可选择光刻胶SU-8、聚二甲基硅氧烷等聚合物，通过软 光刻或模塑法加工获得，并通过键合工本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种多模式微混合器芯片，其特征在于，包括ｎ个样品入口、ｍ个样品出口、上基板（１）和下基板（３），所述上基板（１）通过流道层（２）和下基板（３）固联为一体；所述上基板（１）包括上基板基底材料层（１４）和设置在上基板基底材料层（１４）下表面的上基板导电薄膜（１３）；所述流道层（２）包括曲线形流道（２３）和与曲线形流道（２３）一端相连接的混合腔（２４），所述曲线形流道（２３）的另一端与ｎ个样品入口相连接，所述混合腔（２４）的另一端与ｍ个样品出口相连接；所述曲线形流道（２３）包括主曲线流道（２３１）和设置在主曲线流道（２３１）上的突扩结构（２３２）；所述下基板（３）从上往下依次设有绝缘层（３１）、光电导层（３２）、下基板透明导电薄膜（３３）和下基板透明基底材料层（３４），且四者固联为一体；其中，ｎ为正整数且不小于２，ｍ为正整数且不小于１。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：项楠，陈科，朱晓璐，倪中华，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：84