張雅雅，彭 湉，王 洪，李桂林，崔建國

(重慶理工大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院，重慶 400054)

近10年來，微流體技術(shù)發(fā)展迅速，涉及醫(yī)學(xué)、化學(xué)和生命科學(xué)等眾多領(lǐng)域，大量的學(xué)者正在開展各種微流體芯片的研究［1-3］。微流體混合器是微流控芯片的重要組成部分之一，它能有效且快速地將多種溶液充分混合，加快試樣液體的檢測和分析速度，具有優(yōu)于常規(guī)混合設(shè)備的多種優(yōu)點(diǎn)，在化學(xué)合成、生物反應(yīng)、高通量篩選等領(lǐng)域有很廣的應(yīng)用前景［4］。如何有效提高微混合器的混合效率是目前微流體領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一［5］。當(dāng)前國內(nèi)外關(guān)于微混合器的相關(guān)研究主要包括微混合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、芯片制作加工、流體混合實(shí)驗(yàn)及效果分析、流體力學(xué)計(jì)算仿真等方面［6-8］。微混合器的通道結(jié)構(gòu)一般在幾十到幾百微米，在該尺寸范圍內(nèi)，流路的雷諾數(shù)非常小，且無渦流現(xiàn)象產(chǎn)生，液體間主要依靠分子擴(kuò)散作用混合。相比宏觀條件而言，其混合時(shí)間大大延長且混合效果變差。因此，為了提高液體的混合效率，必須采取有效的混合方式來增加流體間的微接觸面積或者增強(qiáng)對流和擴(kuò)散［9］。

本文設(shè)計(jì)了被動式液體混合微流體芯片，借助分散混合和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高微觀狀態(tài)下流體的混合效果和效率，有效減少了充分混合所需的時(shí)間及通道長度。首先，借助自行研制的數(shù)字光刻投影系統(tǒng)(DLPS)進(jìn)行微結(jié)構(gòu)母模的制作，并通過模復(fù)制過程在聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料上制作出帶有微結(jié)構(gòu)的混合器芯片［10］;然后，利用微波放電改性實(shí)現(xiàn)了上述所設(shè)計(jì)的微混合器芯片間的成功鍵合，形成了封閉的通道［11］;最后，對得到的被動式微混合器進(jìn)行性能及功能測試，通過對混合效果的觀察及對比，找出各通道的最優(yōu)參數(shù)和最優(yōu)結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化，確定了滿足研究要求的“巳型”液體快速混合微流體芯片結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對微量流體的有效快速混合。

1 被動式微混合器芯片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制備

1.1 芯片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

微混合器的通道混合空間尺寸為微米級，整體尺寸較小，其混合過程一般要求非?？焖佟？紤]到同時(shí)它還可結(jié)合反應(yīng)和分析等功能，因此對其性能的要求遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的宏觀混合器。微混合器芯片的小尺寸使其具有兩大優(yōu)點(diǎn):一是擁有nL至μL級的試劑消耗量，這對樣品量少、試劑昂貴的生命科學(xué)領(lǐng)域樣品分析具有重大意義;二是微混合器中反應(yīng)迅速，而且安全性好。由于微混合器混合空間體積小，比表面積大，流體擴(kuò)散距離短，傳熱和傳質(zhì)迅速，流體在短時(shí)間內(nèi)就能充分混合，因而能減少反應(yīng)時(shí)間，大大提高反應(yīng)產(chǎn)率。

雷諾數(shù)對混合器的混合效果和混合速度起著重要的作用，它是流體流動中慣性力與黏性力之比，定義為

式中:ρ為流體密度;V為流體平均流度;D是微通道的直徑;μ為流體動力學(xué)黏度。當(dāng)雷諾數(shù)過低時(shí)，黏性力很大，慣性力很小，混合器不易產(chǎn)生作用，流體不易混合;當(dāng)雷諾數(shù)適中時(shí)，黏性力與慣性力的比例恰好可以使混合器較為均勻地混合，但是混合速度較慢;隨著雷諾數(shù)增大，慣性力偏大，在慣性力的作用下，發(fā)生混合的速度明顯加快，但混合效果變得越來越不均勻。對于微混合器芯片而言，其流路通道的尺寸為微米級別，這直接決定了其流路的雷諾數(shù)非常小。

基于微流控系統(tǒng)中流動狀態(tài)的基礎(chǔ)理論，本文根據(jù)微混合器的基本構(gòu)型(T型、Y型、逶迤型、彎道型、折疊型、盤繞型等)，參照微流體流動的基本特性，結(jié)合雷諾數(shù)等微混合器混合效果的影響因素，在前期大量的實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了以下幾種微混合器結(jié)構(gòu)。

1)基于T型結(jié)構(gòu)的曲折線混合器

通過對通道的彎折，改變流體在微通道中的流動跡線來增強(qiáng)混合，對混合流體的流程進(jìn)行流線彎曲、擠壓和重疊等來加速混合過程，提升混合效果。由此，本文設(shè)計(jì)了一種不規(guī)則鋸齒波的簡單T型曲折線結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 T型曲折線混合器矢量圖

2)基于Y型結(jié)構(gòu)的圓坑陣列混合器

基于Y型的圓坑陣列混合器的矢量結(jié)構(gòu)如圖2所示。兩種液流分別從入口1和入口2進(jìn)入混合器，相對流動，在Y型交叉口處匯合進(jìn)入六邊形的混合腔，混合腔內(nèi)有1個(gè)三棱柱、1個(gè)橢圓柱和10個(gè)小圓柱，它們交錯(cuò)排列。由于小柱的存在，形成數(shù)個(gè)不同寬度的通道，以期達(dá)到流體經(jīng)過混合腔時(shí)不斷改變流向和流速的目的。

圖2 Y型圓坑陣列混合器矢量圖

3)基于鋸齒波結(jié)構(gòu)的回旋圓形微混合器

對微通道進(jìn)一步優(yōu)化，將通道設(shè)計(jì)為鋸齒波狀，并在微通道中加入不規(guī)則的橢圓形通道(如圖3所示)，使混合液體流經(jīng)橢圓形通道時(shí)產(chǎn)生回旋作用，擾亂其流向，加速其混合效果。

圖3 鋸齒波回旋圓形混合器矢量圖

1.2 微混合器芯片的加工實(shí)驗(yàn)

1.2.1 材料及設(shè)備

PDMS(Sylgard 184 型，Dow Coming Corp)，Dry-film光刻膠(115T，Taiwan)、顯影液(1%，Na2CO3)、無水乙醇、甲醇、丙酮、DI-Water。數(shù)字光刻投影系統(tǒng)(DLPS)，隔膜真空泵(GM-0.5 A)、微波爐(G70F20CN/L-DG(B0)，GalanZ)、真空罩(3.9 L，鮮之寶)、細(xì)鋼針(304，不銹鋼)、數(shù)控超聲波清洗器(KQ-50DB)、夾具、熱板(HP7，德國)。

1.2.2 微混合器芯片的制作技術(shù)

本文借助數(shù)字光刻投影系統(tǒng)進(jìn)行微混合器結(jié)構(gòu)母模的加工制作，整個(gè)過程操作簡單，無需價(jià)格昂貴的光刻機(jī)等儀器，也無需潔凈間等特殊環(huán)境，在普通實(shí)驗(yàn)室就可在3 h內(nèi)完成微流控芯片的設(shè)計(jì)與制作。其中，數(shù)字光刻投影系統(tǒng)(DLPS)由數(shù)字光處理(DLP)投影儀(Dell-1210S)、可調(diào)焦光學(xué)鏡頭(40 mm，F(xiàn)/2.41～2.55)、數(shù)字顯微鏡(金相測量顯微鏡)和計(jì)算機(jī)組成，如圖4所示。

圖4 數(shù)字光刻投影系統(tǒng)工作示意圖［10］

微混合器芯片的具體加工過程如下:

1)母模制備:將貼有dry-film光刻膠的玻片放入投影臺的曝光區(qū)域，將事先設(shè)計(jì)好的微結(jié)構(gòu)圖形投影曝光到光刻膠上。通過DLPS能方便地曝光出清晰的微觀圖形，然后經(jīng)過定影、漂洗和加熱堅(jiān)膜處理，即可獲得帶有微觀結(jié)構(gòu)的母模。得到的母模穩(wěn)定精度最小可以達(dá)到40 μm。

2)PDMS基片制備:將上述過程得到的母模用錫箔紙包圍，將PDMS預(yù)聚合物(PDMS主劑與其固化劑按10∶1的質(zhì)量比配置而成，充分?jǐn)嚢? min，再將其置于真空干燥皿中抽氣15 min去除氣泡，即得到PDMS預(yù)聚合物)灌注到dry-film光刻膠母模上，抽真空15 min后在80℃溫度下加熱1 h，冷卻后得到已固化的PDMS結(jié)構(gòu)。

3)鍵合封裝:用刀片切掉已固化PDMS結(jié)構(gòu)的多余邊緣，再將固化的PDMS結(jié)構(gòu)從光刻膠上剝離下來，然后依次用丙酮、去離子水、甲醇、無水乙醇清洗，用壓縮空氣吹干，放在干凈的載玻片上待用。將處理好的PDMS基片放入微波放電改性裝置中，進(jìn)行改性處理。微波放電改性條件為140 W，5 s。最后將PDMS和處理過的載玻片緊密壓合，設(shè)置熱板加熱時(shí)間為0.5 h，溫度為80℃，即可完成鍵合封裝［11］。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 三種基本微混合器構(gòu)型的混合效果分析

本文利用上述加工技術(shù)制作了多種微混合器芯片，并對其混合效果進(jìn)行測試與分析。通過將紅、藍(lán)墨水注入測試芯片，發(fā)現(xiàn)基于T型結(jié)構(gòu)的曲折線混合器中兩流體的顏色在折線通道中經(jīng)過4次轉(zhuǎn)折后發(fā)生了細(xì)微變化，出現(xiàn)淺紫色，但芯片整體呈層流狀態(tài)，混合效果不佳，如圖5所示。依據(jù)理論分析和所設(shè)計(jì)的通道參數(shù)，ρ1=ρ2=1 100 kg/m3，μ1=μ2=1.789×10-3kg/(m·s)，中間曲折線寬度s=116 μm，流體在中間回旋直通道的平均流速為V=1.6 cm/s，由式(1)可得Re=1.14。在這種結(jié)構(gòu)的微混合通道中，當(dāng)雷諾數(shù)較低時(shí)，混合僅依靠分子擴(kuò)散來完成。

圖5 T型曲折線混合器動態(tài)測試圖

基于Y型圓坑陣列的混合器在注入紅、藍(lán)墨水進(jìn)行測試后，兩流體匯合進(jìn)入中間點(diǎn)陣混合單元內(nèi)，紅色部分稍顯紫色，但藍(lán)色部分仍清晰可見，混合甚微，流體總體呈現(xiàn)層流，出口部分流體依然清晰分層，未達(dá)到理想的混合效果，如圖6所示。依據(jù)理論分析和所設(shè)計(jì)的通道參數(shù)，通道寬度s=300 μm，流體到中間點(diǎn)陣通道的平均流速為V=166.6 μm/s，由式(1)可得 Re=0.031，通道內(nèi)的流動形式為層流，混合效果甚微。因此，可知僅通過單一的改變流體方向來實(shí)現(xiàn)液體在微尺寸下的快速混合效果不佳，后面將采用多級模式來改進(jìn)混合效果。

圖6 Y型圓坑陣列混合器動態(tài)測試圖

基于鋸齒波的回旋圓形混合器芯片在注入紅、藍(lán)墨水進(jìn)行測試后，兩液體進(jìn)入第1層混合單元后均勻?qū)恿?，?jīng)過一條鋸齒狀通道后進(jìn)入第2層混合單元，此時(shí)的流體不再均勻?qū)恿?，兩液體交接處呈現(xiàn)淺紫色，經(jīng)過兩次混合單元后的流體流入第3層混合單元后紫色稍許加深，混合效果明顯提高，如圖7所示。依據(jù)理論分析和所設(shè)計(jì)的通道參數(shù)，鋸齒狀通道寬度s=42.57 μm，流體在該通道的平均流速為V=1.8 cm/s，由式(1)可得Re=0.47。因此，在低雷諾值情況下，兩液體可通過改變流程方向及加長流程的方式來產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，進(jìn)而提高混合效果。

圖7 鋸齒波回旋圓形混合器動態(tài)測試圖

2.2 “巳形”混合器設(shè)計(jì)

前面提及的各種混合器各具特色，表1為各混合器混合效果分析對比。

表1 各種混合器混合效果分析對比

通過對比分析混合器效果，綜合之前實(shí)驗(yàn)混合效果比較好的通道結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)了符合研究要求的“巳形”結(jié)構(gòu)微混合器，并把長直通道設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)折回旋形，這樣不僅增加了通道的有效長度和寬度，還增強(qiáng)了沿通道方向“巳形”回流的影響，如圖8中虛框所示。

圖8 “巳形”混合器矢量圖

圖9展示了“巳形”混合器動態(tài)測試的情況，注入紅、藍(lán)墨水后，兩種流體的分界面很清晰，呈層流流動。之后兩種流體匯合進(jìn)入第1個(gè)“巳形”混合單元內(nèi)，流體主要依靠分子間的擴(kuò)散作用進(jìn)行混合，混合較慢，呈現(xiàn)均分的層流現(xiàn)象。兩流體從“巳形”混合單元流出，經(jīng)過7次轉(zhuǎn)角到達(dá)第1個(gè)橢圓混合單元后進(jìn)入第2個(gè)“巳形”通道。可以看到:此時(shí)流體依然呈分層狀態(tài)，但是第1個(gè)混合單元的影響分層交界面出現(xiàn)模糊，呈現(xiàn)出微弱的紫色，流體實(shí)現(xiàn)了一定程度的混合。如此迭代，流經(jīng)第3、4個(gè)混合單元后，兩流體的混合程度逐漸增強(qiáng)，在出口處的混合單元內(nèi)呈現(xiàn)紫色，兩流體已實(shí)現(xiàn)均勻混合。依據(jù)理論分析和所設(shè)計(jì)的通道參數(shù)，通道寬度s=106.67 μm，流體在巳形混合單元的平均流速為V=0.9 cm/s，故Re=0.68。由此可知，通道內(nèi)的流動形式以層流為主，但通過流體在通道內(nèi)流動，通道的分支匯合、回旋轉(zhuǎn)折，使流速產(chǎn)生橫向分量，進(jìn)而產(chǎn)生混沌對流，促進(jìn)流體混合，從而實(shí)現(xiàn)了較好的液體混合效果。

圖9 “巳形”混合器動態(tài)測試圖

3 結(jié)束語

本文通過對微流控系統(tǒng)中幾種典型參數(shù)及流動狀態(tài)進(jìn)行理論分析和研究，設(shè)計(jì)出多種構(gòu)型的微混合器，利用研制的數(shù)字光刻投影系統(tǒng)和微波爐改性方法對這些微混合器進(jìn)行了加工制作，并分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，詳細(xì)分析對比了混合效果，從而優(yōu)化并設(shè)計(jì)出符合研究要求的“巳型”混合器結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的“巳型”混合器結(jié)合回旋腔、彎道以及“巳型”基本構(gòu)型于一體，通道尺寸從數(shù)十到數(shù)百微米級，可以較好地實(shí)現(xiàn)兩種液體的快速混合。本文所設(shè)計(jì)通道的雷諾值只有0.68。理論上，液體在通道內(nèi)是完全層流狀態(tài)，但通過上述微混合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不斷改變液體的流向，改變液體間的慣性力，結(jié)合回旋腔促使其形成渦流，最終可以高效地實(shí)現(xiàn)兩種不同液體的快速混合，從而實(shí)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)的初衷:在低雷諾數(shù)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)微流體的快速混合功能。整個(gè)混合器制作成本低、時(shí)間短、操作簡單，可作為大多數(shù)普通高校實(shí)驗(yàn)室開展微流體芯片研究的一種參照和借鑒。

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