微流控系统层流磁力搅拌混沌混合方法与装置

摘要

本发明公开一种微流控系统层流磁力搅拌混沌混合方法与装置，通过在微流控芯片的混合室外部利用微型多相磁场时序发生器产生的时序旋转磁场来对混合室内的微型磁力搅拌子进行运动操控，间接实现对混合室内旋转涡流的产生、涡流的大小及旋转方向的控制。微型多相磁场时序发生器的底部安装有在滑道内自由滑动的滑动小车，并通过电磁铁对永磁铁的吸引力与微型弹簧弹力之间的合力大小对旋转磁场的位置进行位移，通过对底部电磁场的整体位移控制实现混合室内搅拌子旋转位置的整体位移，利用搅拌子旋转位置的快速变化以及流体的旋转惯性，在搅拌室内快速形成多级混沌对流，从而保证液体充分的混合，解决了微尺度下的液体由于层流而难以有效混合的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微流控系统中层流的混合装置及方法，对微流体混合室中的流体实现混合。

背景技术

混合是一个物理过程，其目的是实现参与过程的不同组分的均一分部。混合是任何化学和生化反应最基本的，也是必需的操作。在宏观体系中，混合通常靠对流来完成。在微流控芯片中，系统的结构尺寸通常小于数百微米，流体在微米尺度下雷诺系数非常小（Re≈0.1～100），不能发生湍流混合，流体完全呈层流状态流动，混合只能靠扩散进行。因此，当微流体的液层厚度大于典型扩散长度时，有效、快速地混合很难靠扩散来实现，特别是流速快或含有低扩散系数可溶性物质的流体，扩散混合是一个相当慢的过程，需要足够的时间和接界面积才能达到完全混合。对于发生化学反应的微流控分析系统来说，若混合不完全则反应也不可能完成，此时混合时间及混合效率成为整个系统分析时间及效果的瓶颈。因此，微尺度下如何进行流体的快速混合一直是微流控系统的重要课题。

目前，根据不同形式、不同原理的微流体混合器，大致可分为主动式混合器和被动式混合器两种。被动式混合器结构简单，但需要较长的混合通道，且混合过程不可控；主动式混合器结构复杂，较短的通道便可达到好的混合效果，且混合过程可控。2004年，Kee，等设计了一种以外部旋转磁场驱动微磁力搅拌棒进行混合的微混合器，该混合器通过微型搅拌棒的搅拌形成涡流，从而大大提高了混合效率。但其结构较为复杂，微米级搅拌棒中间需要做成空心，并穿过固定轴，这使得在微米级下制作加工该结构极其困难并且需要较为复杂的旋转磁场发生器。此外，复杂的内部结构也使得芯片容易结垢，并难以有效清洗。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术中微流控系统中的液体由于层流难以有效混合的问题而提出一种结构简单、容易加工、不易结垢的微流控系统层流磁力搅拌混沌混合装置，本发明同时还提供一种基于该装置的混合效果好的混合方法。

本发明微流控系统层流磁力搅拌混沌混合装置采用的技术方案是：微流控芯片的混合室中放置有微型磁力搅拌子，混合室底部设置顶部贴于或靠近混合室底面的微型多相磁场时序发生器，微型多相磁场时序发生器由一垂直于混合室的柱体和固定连接所述柱体顶部的多相微型电磁铁组组成；柱体中部固接永磁铁一端，永磁铁正对面设有电磁铁，电磁铁固接滑槽上方的固定端子，永磁铁和电磁铁之间设置微型弹簧；柱体底部固接于滑槽中的滑动小车，滑槽的走向与混合室入口至混合室出口的方向一致；所述多相微型电磁铁组由若干个均内嵌于所述柱体顶部外侧一圈的单体电磁铁组成，每个单体电磁铁由电磁铁本体及绕在电磁铁本体上的铜丝组成；所述电磁铁通过第一可调电源及第一开关连接控制器，在控制器与每个铜丝之间均串接控制开关，所有的控制开关均并接第二可调节电源，每个铜丝均并联于第二可调电源的正负极，第二可调节电源连接控制器。

上述微流控系统层流磁力搅拌混沌混合装置的混沌混合方法采用的技术方案是包括如下步骤：1）控制器控制电磁铁对永磁铁吸引力与微型弹簧弹力之间的合力大小以移动多相磁场时序发生器的工作位置；2）将微型多相磁场时序发生器定位于靠近混合室入口的第一位置处，控制器输出时序控制信号，首先通过控制开关控制其中的一个单体电磁铁开通，然后关闭该一个单体电磁铁并同时开通相邻的一个单体电磁铁，随后再关闭该相邻的一个单体电磁铁并同时开通依次相邻的另一个单体电磁铁，如此重复，直到所有单体电磁铁一次导通与关闭快速切换完毕，微型磁力搅拌子随着多相微型电磁铁组的切换方向旋转，从而在第一位置处形成了涡流；3）当涡流稳定后，将微型多相磁场时序发生器从第一位置处移动到第二位置处，微型磁力搅拌子也跟随微型多相磁场时序发生器来到第二位置处，再通过控制器输出时序控制信号依序快速切换多相微型电磁铁组中各个单体电磁铁的导通与关闭，从而在第二位置处形成了涡流；4）微型多相磁场时序发生器继续往第三位置运动或者之后更多的位置运动，重复每个位置处形成涡流的步骤，从而在整个混合室内腔形成多级的混沌对流混合效果。

本发明基于微磁力搅拌涡流控制原理，通过在微流控芯片的混合室外部设置一种新颖的时序旋转磁场，并通过电磁铁对永磁铁的吸引力与微型弹簧弹力之间的合力大小对旋转磁场的位置进行位移，通过对底部电磁场的整体位移控制实现混合室内搅拌子旋转位置的整体位移，控制时序旋转磁场来对混合室内的微型磁力搅拌子进行运动操控，利用搅拌子旋转位置的快速变化以及流体的旋转惯性，能够在搅拌室内快速形成多级混沌对流，从而间接实现对混合室内旋转涡流的产生、涡流的大小及旋转方向的控制，实现流场的多级混沌混合，保证液体充分的混合。与已有方法和技术相比，具有如下优点： 

1、本发明所述的微流控系统层流混沌混合方法，解决了被动混合器需要较长的混合通道才能完成混合的难题，简化了微流控芯片的本体结构。

2、本发明所述的微流控系统层流的混沌混合方法，通过一种时序旋转磁场的控制方法实现了搅拌子搅拌过程的控制，与现有微型磁力搅拌方法相比，该搅拌方法不需要加工精细的搅拌子，普通的微米级耐腐蚀铁磁材料即可，大大降低了加工难度。

3、本发明所述的微流控系统层流混沌混合方法，通过一种时序旋转磁场的控制方法实现了搅拌子搅拌过程的控制，与现有微型磁力搅拌方法相比，涉及的微型搅拌子可在混合室内自由游走且不易结垢，解决了现有固定旋转式微型磁力搅拌方法的容易结垢且难以清洗的难题。

4、本发明所述的微流控系统层流混沌混合装置，涉及一种微型多相磁场时序发生器，通过时序控制和电流控制可以很容易控制发生器所产生的磁场大小及搅拌子的旋转运动方向，控制方法简单有效。

5、本发明所述的微流控系统层流混沌混合装置，涉及一种吸附式位移控制小车，用于控制微型多相磁场时序发生器的所在位置，从而保证微型磁力搅拌子产生的多级混沌流场。多级混沌流场能够是雷诺数小的液体在较短的时间内实现较好的混合效果。

6、本发明所述的微流控系统层流混沌混合装置，可根据待混合液体的实际情况，通过编程实现流场大小、流场方向以及搅拌时间的控制，自动化程度高，可操控性好，可移植性强。

附图说明

图1是本发明微流控系统层流的磁力搅拌混沌混合装置的结构示意图；

图2是图1中混合室2的俯视图；

图3是图1中微型多相磁场时序发生器11的结构连接放大示意图；

图4是图3中电磁铁组5的俯视安装结构示意图；

图5是图1中电磁铁组5、电磁铁9的电磁铁绕线与控制器的连接示意图；

图6是图1所示磁力搅拌混沌混合装置所产生的多级混沌对流示意图；

图中：1.混合室入口；2.混合室；3.混合室出口；4.微型磁力搅拌子；5.多相微型电磁铁组；6.永磁铁；7.微型弹簧；8.滑动小车；9.电磁铁；10.滑槽；11.微型多相磁场时序发生器；12.铜丝；13.滑轮；14固定端子。

具体实施方式

参见图1所示的本发明微流控系统层流磁力搅拌混沌混合装置的总体结构示意图。微流控芯片本体可通过芯片架进行安放，在微流控芯片的混合室2中放置微型磁力搅拌子4，微型磁力搅拌子4为任意不规则多边体并且具有足够的尺寸不会从混合室入口1或者混合室出口3跑出。在微流控芯片的混合室2底部垂直设置微型多相磁场时序发生器11，微型多相磁场时序发生器11的顶部贴在混合室2底面上或靠近混合室2底面。微型多相磁场时序发生器11由一柱体和多相微型电磁铁组5组成，柱体垂直于混合室2，柱体顶部固定连接多相微型电磁铁组5，柱体底部固定安装在滑槽10中的滑动小车8上。再参见图3，在滑动小车8的两侧设置滑轮13，通过滑轮13限制在滑槽10内自由滑动从而带动滑动小车8沿着滑槽10移动，滑槽10的走向与混合室2的混合室入口1至混合室出口3的方向一致，使滑动小车8在混合室入口1至混合室出口3的方向上移动。

在微型多相磁场时序发生器11的柱体中部固定连接永磁铁6一端，永磁铁6另一端连接微型弹簧7一端，微型弹簧7另一端固定连接位于永磁铁6正对面的固定端子14，固定端子14固接滑槽10上方。滑槽10、微型弹簧7中轴均与混合室2底面平行。在固定端子14上固定连接电磁铁9，电磁铁9面对永磁铁6设置。或将微型弹簧7两端分别套在永磁铁6和电磁铁9上，使微型弹簧7一端支撑在微型多相磁场时序发生器11上，另一端支撑在固定端子14上。这样，滑动小车8可以通过永磁铁6、微型弹簧7以及电磁铁9组成的控制系统的操纵在滑槽10内自由滑动，进而控制微型多相磁场时序发生器11的工作位置。

参见图1-4所示，多相微型电磁铁组5由若干个均内嵌于柱体顶部外侧一圈的单体电磁铁组成，每个单体电磁铁由电磁铁本体及绕制在电磁铁本体上的铜丝12组成。电磁铁本体是外径约为200 μm的硅钢丝，与微型多相磁场时序发生器11的柱体的中轴相平行。铜丝12的外径为30 μm。若干个单体电磁铁沿微型多相磁场时序发生器11上端部一圈间隔布置。本发明优选是：多相磁场时序发生器11上端部的横截面为圆形，多相微型电磁铁组5中有数量为5-8个单体电磁铁沿多相磁场时序发生器11上端部的圆周方向间隔均匀地布置。

微型多相磁场时序发生器11的加工方法可以参照微流控芯片的加工方法，采用二甲基硅氧烷（PDMS）等有机材料，通过模塑法制作。

参见图4-5，电磁铁9通过第一可调电源及第一开关连接控制器，控制器通过第一可调电源控制电磁铁9电流的大小，从而调节电磁铁9对永磁铁6的吸引力，通过控制吸引力与微型弹簧7弹力之间的合力大小来微调微型多相磁场时序发生器11的工作位置。在控制器与每个铜丝12之间均串接控制开关，所有的控制开关均并接第二可调节电源，每个铜丝12均并联于第二可调电源的正负极，第二可调节电源连接控制器，控制器可通过第二可调节电源和相应的控制开关按时序控制各个单体电磁铁的开通，控制磁场的产生及磁场的大小，从而控制混合室2内的微型磁力搅拌子4的旋转速度以及旋转方向。

参见图1、4、5及图6所示，本发明微流控系统层流的磁力搅拌混沌混合装置工作时，液体由微流控芯片的混合室入口1流入混合室2，微型多相磁场时序发生器11通过电磁铁9对永磁铁6的吸引力与微型弹簧7弹力之间的合力大小将位置定位于混合室2的靠近混合室入口1第一位置处，此时控制器输出时序控制信号，首先通过控制开关控制其中的一个单体电磁铁开通，然后关闭该一个单体电磁铁并同时开通相邻的一个单体电磁铁，随后再关闭该相邻的一个单体电磁铁并同时开通依次相邻的另一个单体电磁铁，如此重复，直到所有单体电磁铁一次导通与关闭快速切换完毕，一次快速切换多相微型电磁铁组5中各个单体电磁铁的导通与关闭，使得微型磁力搅拌子4随着多相微型电磁铁组5的切换方向进行高速的旋转，从而在第一位置处形成了涡流。当涡流稳定后，微型多相磁场时序发生器11通过电磁铁9对永磁铁6的吸引力与微型弹簧7弹力之间的合力大小从第一位置处定位于下一个第二位置处，此时由于微型多相磁场时序发生器11的时序电磁场并未关闭，所以微型磁力搅拌子4也跟随微型多相磁场时序发生器11来到第二位置处，再通过控制器输出时序控制信号快速切换多相微型电磁铁组5中各个单体电磁铁的导通与关闭，如此重复后，微型多相磁场时序发生器11继续往第三位置运动或者之后更多的位置运动，重复每个位置处形成涡流的步骤，从而在整个混合室2内腔形成了多级的混沌对流混合效果。

为了进一步阐述本发明的混合方法，以下以7个单体电磁铁为例加以说明，参见图4-6，这7个单体电磁铁分别是单体电磁铁A、B、C、D、E、F、G，都均匀内嵌于柱体11的顶部外侧，单体电磁铁A、B、C、D、E、F、G均并联于第二可调电源的正负极，控制器通过改变单体电磁铁A、B、C、D、E、F、G的电源的开关顺序以及第二可调电源的输出电流大小可以很容易改变在微型多相磁场时序发生器11上方的磁场旋转方向以及磁场大小。首先，液体由微流控芯片的混合室入口1流入混合室2，微型多相磁场时序发生器11通过电磁铁9对永磁铁6的吸引力与微型弹簧7弹力之间的合力大小将位置定位于图6中的U处。通过控制开关控制单体电磁铁A开通，然后关闭单体电磁铁A并同时开通单体电磁铁B，随后关闭单体电磁铁B并开通单体电磁铁C，直至关闭单体电磁铁F并开通单体电磁铁G为止，这样一次快速切换多相微型电磁铁组5中7个单体电磁铁的导通与关闭，使得微型磁力搅拌子4随着多相微型电磁铁组5的切换方向，进行高速的旋转，从而在U处形成了涡流。当涡流稳定后，微型多相磁场时序发生器11通过电磁铁9对永磁铁6的吸引力与微型弹簧7弹力之间的合力大小将位置定位于V处，此时由于微型多相磁场时序发生器11的时序电磁场并未关闭，所以微型磁力搅拌子4也跟随微型多相磁场时序发生器11来到V处，此时由于多相微型电磁铁组5中7个单体电磁铁依旧按照单体电磁铁A→B→C→D→E→F→G的顺序依次导通使得微型磁力搅拌子4继续按照原来旋转地方向进行旋转，此时形成的漩涡如图6的V处所示，由于流场有一定的惯性，原来U处的漩涡并不会立刻消失，此时V处的漩涡与U处的漩涡在U与V区域的中央交叠处形成了混沌对流。当混沌对流消失，并且位于V处的涡流稳定后，微型多相磁场时序发生器11通过电磁铁9对永磁铁6的吸引力与微型弹簧7弹力之间的合力大小将位置定位于W处，此时由于微型多相磁场时序发生器11的时序电磁场并未关闭，所以微型磁力搅拌子4也跟随微型多相磁场时序发生器11来到W处，此时由于7个单体电磁铁依旧按照单体电磁铁A→B→C→D→E→F→G的顺序使得微型磁力搅拌子4在W处搅拌，并在V与W区域的中央交叠处形成了混沌对流。然后，微型多相磁场时序发生器11继续往下一位置运动，从而形成了多级的混沌对流混合效果。根据待混合液体的特征，可以通过对控制器编程设定微型多相磁场时序发生器11的磁场工作时间、磁场大小以及混沌混合的级数等参数。