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一種微通道內強化流體混合的方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510270294.4

申請日:

2015.05.25

公開號:

CN104984773A

公開日:

2015.10.21

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):B01L 3/00申請日:20150525|||公開
IPC分類號: B01L3/00; B01F13/02 主分類號: B01L3/00
申請人: 重慶大學
發明人: 陳蓉; 程瀟; 王宏; 廖強; 朱恂; 丁玉棟; 葉丁丁; 李俊; 黃云; 付乾
地址: 400045重慶市沙坪壩區沙正街174號
優先權:
專利代理機構: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙)11350 代理人: 湯東鳳
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510270294.4

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2016.10.05|||2015.11.18|||2015.10.21

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種微通道內強化流體混合的方法,包括以下步驟:a、在第一片聚二甲基硅氧烷的表面形成微流通道;b、將第一片聚二甲基硅氧烷與平整的第二片聚二甲基硅氧烷貼合在一起;c、將激光器垂直置于第二片聚二甲基硅氧烷一側,激光器的激光發射端對準汽化核心;d、從各個進流孔分別注入需要混合的液體,液體流入到混合通道中混合;e、啟動激光器,使激光器對汽化核心處加熱形成氣泡;f、氣泡在混合通道內促使流體橫向流動,實現強化流體的混合,混合后的液體從混合通道上連接的出流通道中流出。本發明采用激光器對汽化核心加熱產生氣泡來強化流體的混合,大大提高了混合效果,同時激光點熱源的加熱方式其溫控特性優越,可以通過調節激光功率實現氣泡產生速率和大小的控制。

權利要求書

權利要求書
1.  一種微通道內強化流體混合的方法,其特征是包括以下步驟:
a、通過軟光刻技術在硅片上制作出微流通道模具,同時在一塊很薄的鋼片上加工一個圓孔,該圓孔的直徑小于微流通道的寬度,將鋼片蓋在硅片模具表面,透過圓孔在微流通道模具上噴涂SiO2溶液,然后將聚二甲基硅氧烷溶液傾倒在硅片上再放在加熱板上烘烤,烘烤完畢后,將烤硬的第一片聚二甲基硅氧烷(5)從硅片上撕下來,則通道結構在第一片聚二甲基硅氧烷(5)的表面形成微流通道(8),該微流通道(8)包括至少兩個進流通道(8a)和一個混合通道(8b),所述進流通道(8a)的左端均設有進流孔(8c)與第一片聚二甲基硅氧烷(5)外部相通,該進流通道(8a)的右端交匯在混合通道(8b)的左端,通過烘烤加熱后SiO2顆粒轉貼到混合通道(8b)內壁形成汽化核心(9),所述混合通道(8b)的右端設有出氣孔(8d)與第一片聚二甲基硅氧烷(5)外部相通,所述第一片聚二甲基硅氧烷(5)上還開設出流通道(10),該出流通道(10)的一端連接到靠近混合通道(8b)靠近的右端;
b、將第一片聚二甲基硅氧烷(5)與平整的第二片聚二甲基硅氧烷(6)貼合在一起,使第一片聚二甲基硅氧烷(5)上的微流通道(8)朝向第二片聚二甲基硅氧烷(6);
c、將激光器(2)垂直置于第一片聚二甲基硅氧烷(5)一側,激光器(2)的激光發射端對準汽化核心(9);
d、從各個進流孔(8c)分別注入需要混合的液體,液體流入到混合通道(8b)中混合;
e、啟動激光器(2),使激光器(2)對汽化核心(9)處加熱形成氣泡;
f、氣泡在混合通道(8b)內阻礙擾亂流體的流動,促使流體橫向流動,從而實現強化流體的混合,混合后的液體從混合通道(8b)上連接的出流通道(10)中流出。

2.  如權利要求1所述的一種微通道內強化流體混合的方法,其特征是:所述出流通道(10)包括梳形段(10a)和匯流段(10b),該梳形段(10a)為梳子形狀,該梳形段(10a)的一端與混合通道(8b)相連,另一端與匯流段(10b)的一端相連,該匯流段(10b)的另一端設有出流孔(10c)與微流控芯片外部相通。

3.  如權利要求1所述的一種微通道內強化流體混合的方法,其特征是:在步驟b和步驟c之間插入步驟b1,在第一片聚二甲基硅氧烷(5)一側設置高攝(3)和信號采集系統(4),將高攝(3)對準微流控芯片,該高攝(3)與信號采集系統(4)相連,且該高攝(3)和激光器(2)分別位于微流控芯片兩側。

4.  如權利要求1所述的一種微通道內強化流體混合的方法,其特征是:在步驟c中,所述激光器(2)的激光發射端還連接有物鏡(11)。

說明書

說明書一種微通道內強化流體混合的方法
技術領域
本發明特別涉及一種微通道內強化流體混合的方法。
背景技術
近年來,微電子機械系統、生命科學和分析科學等學科相交叉所產生的新興學科——生物微電子機械系統,又稱微流控芯片、芯片實驗室或微全分析系統發展迅速。其市場空間巨大,可廣泛應用于生命科學、醫學、化學、新藥開發、食品和環境衛生監督等領域。微流控芯片是把一個傳統的分析實驗室功能微縮到一個小芯片上構建成化學或生物實驗室,與傳統分析方法相比,微流控芯片具有響應速度快;樣品和試劑消耗量少;系統外部連接少;污染少,實行一次性使用;可以實時、原位、連續檢測,并可在微環境下工作;可實現批量制造、降低成本等優點。因此,微流控芯片技術已引起人們的廣發關注,成為了生物醫學、化學分析等領域的研究熱點。
微流控芯片內通道的尺寸通常在幾十到幾百微米左右,其雷諾數通常小于1,因此微通道內的流體以層流的方式流動,流體之間的傳質混合依靠擴散進行,非常緩慢,如水分子擴散1um需要1s的時間,而擴散1mm則需要1000s,這對時間有要求的生化反應極為不利,所以如何高效、快速的實現微流體的擴散和混合是微流控芯片發展需要解決的關鍵技術之一,同時對微流體器件的設計和制造也具有十分重要的意義,因此需要強化微通道內流體的混合。
因此本領域技術人員致力于開發一種能夠強化微通道內流體混合的方法。
發明內容
有鑒于現有技術的上述缺陷,本發明所要解決的技術問題是提供一種能夠強化微通道內流體混合的方法。
為實現上述目的,本發明提供了一種微通道內強化流體混合的方法,其特征是包括以下步驟:
a、在硅片上制作出微通道模具,同時在一塊很薄的鋼片上加工一個圓孔,該圓孔的直徑小于微通道的直徑,將鋼片蓋在硅片模具表面,透過圓孔在微流混合通道模具上噴涂SiO2溶液,然后將聚二甲基硅氧烷溶液傾倒在硅片上,再放在加熱板上烘烤,烘烤完畢后,將烤硬的第一片聚二甲基硅氧烷從硅片上撕下來,則微通道結構在第一片聚二甲基硅氧烷的表面形成,該微通道包括至少兩個進流通道和一個混合通道,所述進流通道的左端均設有進流孔與第一片聚二甲基硅氧烷外部相通,該進流通道的右端交匯在混合通道的左端;通過烘烤加熱固化,SiO2顆粒轉貼到混合通道內壁形成汽化核心,所述該混合通道的右端設有出氣孔與第一片聚二甲基硅氧烷外部相通,所述第一片聚二甲基硅氧烷上還開設出流通道,該出流通道的一端連接到靠近混合通道的右端;
b、將第一片聚二甲基硅氧烷與平整的第二片聚二甲基硅氧烷貼合在一起,使第一片聚二甲基硅氧烷上的微流通道朝向第二片聚二甲基硅氧烷;
c、將激光器垂直置于第二片聚二甲基硅氧烷一側,激光器的激光發射端對準汽化核心;
d、從各個進流孔分別注入需要混合的液體,液體流入到混合通道中混合;
e、啟動激光器,使激光器對汽化核心處加熱形成氣泡;
f、氣泡在混合通道內阻礙擾亂流體的流動,促使流體橫向流動,從而實現 強化流體的混合,混合后的液體從混合通道上連接的出流通道中流出。
采用上述方法,通過光刻微加工技術制作的微通道內表面光滑,無狹縫、空穴、凹坑等,在微通道內通過轉貼法SiO2顆粒轉貼到混合通道內壁,創造出局部粗糙表面,從而形成汽化核心,即人為創造汽化沸騰所需要的狹縫、空穴和凹坑等,需要混合的液體從進流通道左端設置的進流孔注入到進流通道中,然后在混合通道中混合;當表面經過處理形成一定的粗糙度以后,與平整的光滑表面相比,根據氣泡動力學和成核理論,粗糙表面內的狹縫中的液體所受到的加熱的影響比位在平直光滑面上同樣數量的液體要多得多,其狹縫中的液體汽化所需要的能量更小。流體經過汽化核心時,用激光器照射汽化核心,汽化核心上的流體比光滑的壁面上的流體更容易沸騰汽化逃離形成氣泡并進一步吸熱長大。長大的氣泡在混合通道內會阻礙擾亂流體的流動,促使流體橫向流動,從而實現強化流體的混合,混合后的液體從混合通道上連接的出流通道中流出。
對單個氣泡而言,當氣泡長大以后,按照流體流動的方向,氣泡前端的流體繼續流動,速度大小不變,壓力不變,而氣泡后端的流體受到氣泡的阻礙流速減小,壓力增大,即單個氣泡前后存在壓力差,且由于流體是連續流動,因此氣泡受到壓力差驅動,上游來的流體會帶走產生的氣泡從混合通道的右端排出去。當前一個氣泡被排走時,在該狹縫處殘留的氣體繼續吸熱長大形成大氣泡從而被排走。當持續用激光加熱時,在該處連續形成氣泡,從而能持續強化流體的混合;當停止激光加熱時,由于激光點熱源加熱方式溫控特性非常靈敏;迅速,即該汽化核心處無外加熱源,因而不會產生氣泡,從而停止對流體的混合。該裝置只有在具有汽化核心的地方才產生氣泡,通過激光點熱源加熱的方法,可以靈活地控制欲產生氣泡的位置,而沒有激光點熱源加熱的地方不會產 生氣泡。因此,我們可以在微流控芯片內任意處人工制造汽化核心,通過借助激光引誘該汽化核心產生氣泡強化流體的混合,具有高度的可調和性。
此外,該方法適用于任何形狀結構的反應器,我們只要在需要強化混合的地方制造汽化核心就可以實現強化流體的混合,具有高度的可適用性。
作為優選的,所述出流通道包括梳形段和匯流段,該梳形段為梳子形狀,該梳形段的一端與混合通道相連,另一端與匯流段的一端相連,該匯流段的另一端設有出流孔與微流控芯片外部相通。由于梳形段為梳子形狀,該梳形段的每一通道寬度均比氣泡直徑小,因此可以有效的防止氣泡從出流段流出,僅從混合通道右端的出氣孔排出,混合后的液體從梳形段流出,在匯流段匯合,并通過出流孔排出。
作為優選的,在步驟b和步驟c之間插入步驟b1,在第一片聚二甲基硅氧烷一側設置高攝和信號采集系統,將高攝對準微流控芯片,該高攝與信號采集系統相連,通過信號采集系統對采集的微通道內的流動過程進行處理,且該高攝和激光器分別位于微流控芯片兩側。由于微通道尺寸較小,通過高攝能夠更好的采集混合過程中的影像。
作為優選的,在步驟c中,所述激光器的激光發射端還設置有物鏡,更夠更好的聚焦激光光斑的直徑。
本發明的有益效果是:本發明采用激光器對汽化核心加熱產生氣泡來強化流體的混合,大大提高了混合效果,同時激光點熱源加熱方式其溫控特性優越,可以通過調節激光功率實現氣泡產生速率和大小的控制。
附圖說明
圖1是本發明在混合狀態下的示意圖。
圖2是本發明中第一片聚二甲基硅氧烷的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明:
如圖1所示,本實施例包括以下步驟:
a、在硅片上制作出微通道模具,同時在一塊很薄的鋼片上加工一個圓孔,該圓孔的直徑小于微通道的直徑,將鋼片蓋在硅片模具表面,透過圓孔在微通道模具上噴涂SiO2溶液,然后將聚二甲基硅氧烷溶液傾倒在硅片上放在加熱板上烘烤,烘烤完畢后,將烤硬的第一片聚二甲基硅氧烷5從硅片上撕下來,則在第一片聚二甲基硅氧烷5的表面形成微通道8,該微通道8包括至少兩個進流通道8a和一個混合通道8b,所述進流通道8a的左端均設有進流孔8c,該進流孔8c與第一片聚二甲基硅氧烷5外設置的注射泵7相連,該進流通道8a的右端交匯在混合通道8b的左端,通過加熱烘烤的方式SiO2顆粒轉貼到混合通道8b內壁形成汽化核心9,所述該混合通道8b的右端設有出氣孔8d與第一片聚二甲基硅氧烷5外部相通;所述下層聚二甲基硅氧烷6上還開設出流通道10,該出流通道10的一端連接到靠近該混合的右端,所述出流通道10包括梳形段10a和匯流段10b,該梳形段10a為梳子形狀,該梳形段10a的一端與混合通道8b相連,另一端與匯流段10b的一端相連,該匯流段10b的另一端設有出流孔10c與微流控芯片外部相通;
b、將第一片聚二甲基硅氧烷5與平整的第二片聚二甲基硅氧烷6貼合在一起,使第一片聚二甲基硅氧烷5上的微通道8朝向第二片聚二甲基硅氧烷6;
b1、在第一片聚二甲基硅氧烷5一側設置高攝3和信號采集系統4,將高攝3對準微流控芯片,該高攝3與信號采集系統4相連,且該高攝3和激光器2分 別位于微流控芯片兩側;
c、將激光器2垂直置于第二片聚二甲基硅氧烷5一側,激光器2的激光發射端對準汽化核心9,激光器2的激光發射端還連接有物鏡11;
d、從各個進流孔8c分別注入需要混合的液體,液體流入到混合通道8b中混合;
e、啟動激光器2,使激光器2對汽化核心9處加熱形成氣泡;
f、氣泡在混合通道8b內阻礙擾亂流體的流動,促使流體橫向流動,從而實現強化流體的混合,混合后的液體從混合通道8b上連接的出流通道10中流出。
以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解,本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此,凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案,例如用其他的具有光學透明、化學惰性、良好的生物兼容性,耐用,無毒,不易燃,導熱系數低等特點的材質來代替聚二甲基硅氧烷,例如用其他的具有高熔點、粒徑小等特征的材質來代替SiO2,皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。

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一種 通道 強化 流體 混合 方法
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