一種新型微流動混合圓通道裝置的制作、數(shù)值模擬和初步應(yīng)用

董廣新，蔣稼歡

(重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，重慶 400044)

一種新型微流動混合圓通道裝置的制作、數(shù)值模擬和初步應(yīng)用

董廣新，蔣稼歡

(重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，重慶 400044)

微混合通道是微流控芯片實現(xiàn)功能的重要結(jié)構(gòu)。微絲模塑法制作的微流動混合圓通道，具有特殊 “立體”結(jié)構(gòu)的側(cè)壁溝通式通孔。通過數(shù)值模擬方法，定性描述了溝通通孔處的流場特征，以此來輔助設(shè)計微混合通道，并初步探索了微流動混合圓通道的粒子合成能力。結(jié)果表明，微絲模塑法制作的微混合圓通道較相同條件下的軟光刻通道具有更好的流場特征，并為粒子合成提供了一條新的途徑。

微絲模塑法 微圓通道 數(shù)值模擬 側(cè)壁溝通式通孔 粒子合成

微流控技術(shù)是指在尺度為幾個微米或上百微米的微小通道中操縱納升或納升以下流體的技術(shù)[1]。微混合過程[2,3]是指在微流控系統(tǒng)中（主要是在微通道中），對微小體積的液體進行混合。通過微流控技術(shù)實現(xiàn)的微混合過程體現(xiàn)出如下的優(yōu)點：較小試劑用量、更加優(yōu)良的熱和物質(zhì)傳導(dǎo)交換，能夠有效實現(xiàn)對空氣和濕度敏感的化學(xué)反應(yīng)，較安全地合成危險化合物[4]。由于微流控系統(tǒng)尺度較小，流體流動的特性不同于在宏觀下的表現(xiàn)形式。流體的擴散，表面張力，粘性變得更為重要，常表現(xiàn)為層流狀態(tài)[5,6]。微混合即是利用對微通道的設(shè)計，克服這種層流狀態(tài)，達到微小液體體積的混合的目的。微混合有以下的基本混合機理[3,7]：①剪切層流，流動截面之間產(chǎn)生相對運動，引起流體的變形、拉伸，增大混合流體的界面面積；②延伸流動，通道幾何形狀的改變而造成的流體加速；③分布混合，流體的分割重排再結(jié)合效應(yīng)；④分子擴散，根據(jù)Fick定理，可以得知當(dāng)混合流體處于同一微通道時，僅僅依靠分子擴散就可以在很短時間內(nèi)完成混合。

隨著微流控技術(shù)的迅速發(fā)展，研究者已經(jīng)設(shè)計出多種構(gòu)型的微流控混合，從單純的層流擾動[8]設(shè)計到微液滴受控混合[9,10]等，如連續(xù)微流動層流擴散混合途徑[11-13]、離散態(tài)的分段流混合途徑[14-17]以及微液滴混合方式[18-22]。目前，微混合通道制作工藝主要依賴于軟光刻工藝[23]，但是軟光刻工藝制作成本高昂，對實驗工作環(huán)境要求苛刻，三維微通道制作能力差。研究者一直在探索簡單易行的制作工藝，本論文采用微絲模塑工藝[24]制作微流動混合圓通道，設(shè)計出側(cè)壁溝通式T型交叉微圓通道裝置。微絲模塑法制作的微通道和軟刻法制作的通道相比有以下優(yōu)點：其一，制作工藝簡單，成本低；其二，微通道為圓形通道，比矩形通道具有更加簡單的流體參數(shù)，流體方程簡單；其三，通道在交叉點處有著三維的溝通通孔結(jié)構(gòu)，能夠造成更好的混合。論文對微圓通道的微流動混合狀況做了數(shù)值模擬分析，并且初步探索了該裝置的粒子合成能力。

1 T型微圓通道的微流動混合數(shù)值模擬

1.1 建立微圓通道的仿真模型

軟光刻法制作的微通道為矩形的結(jié)構(gòu)，一般情況下通道處于同一平面內(nèi)。而微絲模塑法制作微通道是以兩根不銹鋼絲交錯放置為模型，通過澆注PDMS形成微通道。因此，在微通道的交叉點處會形成具有立體結(jié)構(gòu)的“側(cè)壁溝通式”交叉通孔，如圖1。

圖1 微圓通道的溝通通孔和中心軸間距示意圖Fig.1 Illustration of crossing-through hole and distance d

上圖可以看出，交叉通孔處的兩微圓通道的中心軸并不在同一平面上，而是有一定的間距d，我們稱為中心軸間距d。中心軸間距直接決定了通孔的大小，而模擬實驗表明通孔的大小對微圓通道的混合效果有著影響。因此數(shù)值模擬實驗中我們設(shè)置了不同的中心軸間距，具體的微圓通道模型如下。

T型通道尺寸10 mm × 10 mm，三種不同直徑的模擬通道，分別為100、80和60 μm。交叉通孔處兩通道的中心軸距離為d，d的取值范圍為(Φ/2，Φ)，其中Φ為通道直徑。d取不連續(xù)的數(shù)值，每個數(shù)值相差10 μm。如直徑100 μm通道，則中心軸間距d分別取值為90、80、70和60 μm。采取這種建模的原因，其一是我們主要采用上述三個種直徑的微絲制作微通道；其二，由于微絲在交叉點處形成的通孔大小在一個范圍，而這范圍位于(Φ/2，Φ)之內(nèi)。

1.2 微流動混合數(shù)值模擬結(jié)果和分析

利用Gambit軟件構(gòu)建出通道模型，進行網(wǎng)格化處理(Elements: Hex; Type: Submap; Smoother: None.)，然后利用流體分析軟件Fluent進行解算。定義微通道流動材料為液態(tài)水，通道入口流速根據(jù)線流速推導(dǎo)得出（線流速等于體積流速除以截面面積）：

式中，v為微圓通道入口流速，cm/s；k為通過實驗參數(shù)計算得出的系數(shù)，值為2 123.14 cm/s；Qin為入口微注射泵（Longer Pump，LSP-2B，配備1 mL注射器）的流速，μL/min；Φ為微圓通道直徑，μm。實驗通常條件下，微注射泵流速為2～20 μL/min，三種不同直徑的微通道，可以計算得到入口流速在4～11 cm/s之間。因此，數(shù)值模擬入口流速設(shè)定為10 cm/s。

溝通通孔處的溶液流動狀況對整個通道的混合起到重要作用，因此我們在數(shù)值模擬實驗中主要觀察交叉通孔處的溶液速度矢量的分布情況。以該處速度矢量的雜亂程度和流速的快慢來衡量微圓通道混合的質(zhì)量。下面幾幅圖描述了直徑為100，80和60μm的通道在不同中心軸間距d值情況下，交叉通孔的速度矢量。

由圖2可以看出，在d取60～90 μm的值時，速度矢量圖中最高流速從0.371 cm/s上升到0.634 cm/s。這說明隨著d的增大，溶液從入口通道到出口通道經(jīng)歷的落差越大，產(chǎn)生的流速差也越大；溶液在溝通交叉點處的高落差，溶液流速從入口通道進入混合通道的急劇轉(zhuǎn)向，這都能夠加強溶液的微混合效果。但矢量圖中也可以觀察到，盡管溶液在通孔處產(chǎn)生了較大的流速，整個溶液的流動方向還是呈現(xiàn)出層流的狀態(tài)，尤其對于d值較小的通道。

圖2 直徑100 μm的T型通道交叉點速度矢量圖Fig.2 Velocity vector of T-type microchannel at crossing-through hole (Ф=100 μm)

圖3 直徑80 μm的T型通道交叉點速度矢量圖Fig.3 Velocity vector of T-type microchannel at crossing-through hole(Ф=80 μm)

由圖3可以看出，在d取50～70 μm的值時，溶液速度矢量總的還是體現(xiàn)出和100 μm通道相似的情形，溶液最高流速從d=50 μm時0.368 cm/s上升到d=70 μm時0.655 cm/s。不同的是，對于100 μm通道，當(dāng)d=70 μm時最高流速只有0.374 cm/s。這說明，同樣參數(shù)條件下直徑為80 μm的通道能夠產(chǎn)生更大的流速。

直徑80 μm的T型微圓通道，d=70 μm時，更為重要的兩個特點是：其一，在交叉通孔處我們觀察到溶液進入混合通道后有非常明顯的一個“反彈現(xiàn)象”，見圖4(a)；其二，改變角度觀察通孔處的溶液速度矢量，還可以看到溶液進入混合通道后還形成了一個沿著通道方向渦旋的速度矢量，見圖4(b)。這兩個現(xiàn)象都能極大促進溶液速度矢量的紊亂程度，增強混合效果。

圖4 直徑60 μm的T型通道交叉點速度矢量圖Fig.4 Velocity vector of T-type microchannel at crossing-through hole(Ф=60 μm)

圖4對應(yīng)直徑60 μm通道的交叉點速度矢量圖，圖中的數(shù)據(jù)顯示出，不論是流速大小還是速度矢量的紊亂程度都不及直徑80 μm的通道。

圖5 軟光刻矩形通道速度矢量圖Fig.5 Velocity vector of soft photolithography rectangular channel

我們將微絲模塑法圓通道和軟光刻法制作的矩形通道進行了對比。根據(jù)軟光刻通道的特點，設(shè)計的模型為：微通道橫截面為80 μm×80 μm的正方形，即深寬比為1:1；通道長度尺寸為10 mm×10 mm。數(shù)值模擬中采用了同樣的參數(shù)，圖5展示了通道在交叉通孔處的速度矢量，可以看出，溶液除了速度有明顯增加外，溶液速度矢量仍然為層流形式。圖中最大流速為0.286 m/s，而直徑為80 μm的圓通道，最大流速為0.655 m/s。

通過上述數(shù)值模擬分析，可以得出結(jié)論，微絲模塑法制作的微圓通道具有微混合的效果。在我們所進行的實驗中，直徑為80 μm的微圓通道，在中心軸間距為70 μm時，有溶液“反彈”和“渦旋”的現(xiàn)象，較其他的通道有著更好地造成溶液紊亂的效果，也有著更好的微流動混合效果。與軟光刻的矩形通道對比中，可以看出，軟光刻通道溶液的層流現(xiàn)象很明顯，微流動混合效應(yīng)不及本論文工作所描述的側(cè)壁溝通式T型微圓通道。

2 微圓混合通道制作

微絲模塑法制作微混合通道所使用的主要材料有：PDMS(Sylgard 184，Dow Corning公司生產(chǎn))，固化劑(Dow Corning公司生產(chǎn))，不銹鋼絲(材質(zhì)：316 L，大連索尼卡有限公司)，PTFE管，有機玻璃模具和玻璃基底；其中微絲是制作關(guān)鍵材料，實驗中的不銹鋼絲具有光滑的表面和較高的強度，這確保了微通道內(nèi)壁的光滑性和抽絲的易操作性。

構(gòu)建微通道有以下三個步驟：排布微絲，澆注固化，抽絲封裝。微絲模塑法構(gòu)建微通道的能力已經(jīng)發(fā)表在本小組之前的工作[24]中，構(gòu)建出了直通道陣列、十字交叉通道、螺線管圍繞的直通道；并且利用十字交叉通道連續(xù)地生成了微液滴和利用微螺線管圍繞的直通道研究了微液滴的蒸發(fā)行為。

前述工作為微混合通道的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。我們采用T型交叉通道構(gòu)建微混合通道。橫向通道長度和縱向長度均為10 mm，制作了不同直徑的微圓通道。不銹鋼絲是交錯放置，因此會造成不同于軟光刻結(jié)構(gòu)的交叉通孔。軟光刻兩條通道的中心軸是排布在同一個平面內(nèi)，而不銹鋼絲制作的微通道中心軸不處于同一平面，可以認為在交叉點處是“三維”結(jié)構(gòu)的通道。由于上述不同的制作工藝，微絲模塑法制作的T型通道較軟光刻法制作的T型通道有以下三點不同之處：

1）通道的基本構(gòu)型不同。微絲模塑工藝制作的微通道，橫截面為圓形的流通通道，而軟刻工藝制作的通道通常是矩形的通道截面。圓形通道具有更簡單的流體特性，能夠簡化理論分析；此外，軟刻通道不能制作出理想的矩形通道或者深寬比不能太大。

2）溝通通孔處的交叉點不同。微絲模塑工藝中，T型通道側(cè)壁溝通式這種“三維”的通孔結(jié)構(gòu)，流體在流經(jīng)該點時會產(chǎn)生不同于矩形通道的紊流，如渦旋，反彈；而矩形通道處于一個平面內(nèi)，更多的是層流。

3）可變的中心軸間距。微絲模塑工藝制作的通道，在交叉點處橫向和縱向通道的中心軸并不在同一平面內(nèi)，通過排布微絲時不同的工藝，能夠產(chǎn)生不同中心軸間距的微圓通道；而軟刻工藝中，通道均在同一平面內(nèi)。

從圖6可以看出，溝通通孔直徑的變化范圍較大。通孔直徑變化的原因，可以認為是當(dāng)中心軸間距d取不同值時，而引起的通孔直徑變化。溝通通孔可以通過超聲處理，使其擴大。通過這種處理，可以制作出數(shù)值模擬實驗中混合效果較好的通道。

圖7(a)為超聲處理前通孔面積占通道交叉點總面積僅0.075 8，圖7(b)為超聲處理后通孔面積和交叉點面積之比為0.352 5，恰好與數(shù)值模擬中通道中心軸間距為70 μm的通道通孔大小相吻合。圖像獲取工具為德國Leica DMI4000B倒置熒光顯微鏡，顯微鏡軟件系統(tǒng)獲取圖片后，通過 ImageJ圖像處理軟件進行后期計算處理。

圖6 微絲直徑和形成交叉通孔直徑的關(guān)系Fig.6 Relationship between microchannel diameter and crossing-through hole diameter

圖7 直徑80 μm交叉通孔超聲處理前后的變化Fig.7 Changes of crossing hole treatment with ultrasound (Ф=80 μm)

3 微圓混合通道應(yīng)用于粒子合成初探

微納米四氧化三鐵粒子的特殊理化性質(zhì)，使得其在實際中有廣泛的應(yīng)用[25]，研究者也越來越多的研究其制備方法。常規(guī)的制備方法有化學(xué)方法沉淀法，采用共沉淀法制得微納米粒子。共沉淀法是指兩種或者兩種以上的離子，在溶液中發(fā)生均勻沉淀反應(yīng)，再通過一定的脫水或熱分解而制的納米微粉。采用共沉淀法制取微納米鐵氧化物Fe3O4，水溶液中的離子沉淀反應(yīng)得到該物質(zhì)。反應(yīng)的基本原理如下：

傳統(tǒng)合成粒子方法涉及到復(fù)雜的合成設(shè)備、大量的試劑消耗，但所得粒子的參數(shù)并不完全理想，反應(yīng)時間在幾小時至數(shù)天?；谖⒘骺丶夹g(shù)的微混合過程相比于宏觀混合技術(shù)有許多優(yōu)勢，如可造成更短反應(yīng)時間，試劑消耗量低[26]。

基于微流動混合裝置，共沉淀法的粒子合成實驗中，采用直徑為80 μm，中心軸間距為70 μm的微圓通道，利用該通道進行共沉淀法合成粒子。圖8為微混合合成粒子的激光共聚焦顯微成像圖，通過對圖像的分析，可以發(fā)現(xiàn)粒子呈現(xiàn)較為均一的大小，粒徑在1 μm左右。這初步表明通過微絲模塑法制作的微圓混合通道，具有粒子合成能力，在選擇合適的流速和反應(yīng)液濃度的條件下，我們可以得到較為均一的粒子。

圖8 微流動混合合成微粒子激光共聚焦圖Fig.8 Confocal image of synthesized microparticles by micro-flowing mixing

3 結(jié) 論

本研究完成了基于微絲模塑法制作側(cè)壁溝通式微圓混合通道，并利用數(shù)值模擬方法輔助設(shè)計微混合通道，對微流動混合通道的粒子合成能力進行了初步探索。表征了微混合通道在溝通通孔處的速度矢量，借以設(shè)計微流動混合通道。實驗結(jié)果表明，微絲模塑法能夠制作出具有側(cè)壁溝通通孔的微圓混合通道；利用數(shù)值模擬輔助設(shè)計，得到了在微通道直徑為80 μm，中心軸間距為70 μm時，微流動混合達到最佳效果；成功的合成四氧化三鐵粒子，表明微流動混合通道可以提供一種新穎快捷的Fe3O4粒子合成途徑。

[1]Whitesides G M. The origins and the future of microfluidics [J]. Nature, 2006, 442 (7101):368-373.

[2]Mansur E A, Ye M X, Wang Y D, et al. A state-of-the-art review of mixing in microfluidic mixers [J]. Chinese Journal of Chemical Engineering,2008, 16(4):503-516.

[3]Jeong G S, Chung S, Kim C B, et al. Applications of micromixing technology [J]. Analyst, 2010, 135(3):460-473.

[4]Hartman R L, Jensen K F. Microchemical systems for continuous-flow synthesis [J]. Lab on A Chip, 2009, 9(17):2495-2507.

[5]Dittrich P S, Tachikawa K, Manz A. Micro total analysis systems. Latest advancements and trends [J]. Analytical Chemistry, 2006,78(12):3887-3907.

[6]Franke T A, Wixforth A. Microfluidics for miniaturized laboratories on a chip [J]. Chemphyschem, 2008, 9(15):2140-2156.

[7]Nguyen N T, Wu Z G. Micromixers-a review [J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2005, 15(2):R1-R16.

[8]Song Y J, Hormes J, Kumar C S S R. Microfluidic synthesis of nanomaterials [J]. Small, 2008, 4(6):698-711.

[9]Teh S Y, Lin R, Hung L H, et al. Droplet microfluidics (vol 8, pg 198, 2008) [J]. Lab on A Chip, 2009, 9(24):3604-3604.

[10]Shum H C, Abate A R, Lee D, et al. Droplet microfluidics for fabrication of non-spherical particles [J]. Macromolecular Rapid Communications,31(2):108-118.

[11]Karnik R, Gu F, Basto P, et al. Microfluidic platform for controlled synthesis of polymeric nanoparticles [J]. Nano Letters, 2008,8(9):2906-2912.

[12]Zhang S H, Yun J X, Shen S C, et al. Formation of solid lipid nanoparticles in a microchannel system with a cross-shaped junction [J].Chemical Engineering Science, 2008, 63(23):5600-5605.

[13]Ying Y, Chen G W, Zhao Y C, et al. A high throughput methodology for continuous preparation of monodispersed nanocrystals in microfluidic reactors [J]. Chemical Engineering Journal, 2008, 135(3):209-215.

[14]Yang C H, Huang K S, Chang J Y. Manufacturing monodisperse chitosan microparticles containing ampicillin using a microchannel chip [J].Biomedical Microdevices, 2007, 9(2):253-259.

[15]Yang C H, Huang K S, Lin P W, et al. Using a cross-flow microfluidic chip and external crosslinking reaction for monodisperse TPP-chitosan microparticles [J]. Sensors and Actuators B-Chemical, 2007, 124(2):510-516.

[16]Yun J X, Zhang S H, Shen S C, et al. Continuous production of solid lipid nanoparticles by liquid flow-focusing and gas displacing method in microchannels [J]. Chemical Engineering Science, 2009, 64(19):4115-4122.

[17]Yeh C H, Zhao Q L, Lee S J, et al. Using a T-junction microfluidic chip for monodisperse calcium alginate microparticles and encapsulation of nanoparticles [J]. Sensors and Actuators A-Physical, 2009, 151(2):231-236.

[18]Nisisako T, Torii T, Takahashi T, et al. Synthesis of monodisperse bicolored janus particles with electrical anisotropy using a microfluidic co-flow system [J]. Adv.anced Mater, 2006, 18(9):1152-+.

[19]Hung L H, Choi K M, Tseng W Y, et al. Alternating droplet generation and controlled dynamic droplet fusion in microfluidic device for CdS nanoparticle synthesis [J]. Lab on A Chip, 2006, 6(2):174-178.

[20]Frenz, El Harrak A, Pauly M, et al. Droplet-based microreactors for the synthesis of magnetic iron oxide nanoparticles [J]. Angewandte Chemie-International Edition, 2008, 47(36):6817-6820.

[21]Xu Q B, Hashimoto M, Dang T T, et al. Preparation of monodisperse biodegradable polymer microparticles using a microfluidic flow-focusing device for controlled drug delivery [J]. Small, 2009, 5(13):1575-1581.

[22]Xu S Q, Nie Z H, Seo M, et al. Generation of monodisperse particles by using microfluidics: control over size, shape, and composition [J].Angewandte Chemie-International Edition, 2005, 44(5):724-728.

[23]Whitesides G M, Ostuni E, Takayama S, et al. Soft lithography in biology and biochemistry [J]. Annual Review of Biomedical Engineering,2001, 3:335-373.

[24]賈月飛, 蔣稼歡, 馬曉東, 等. 基于微絲的PDMS微流動通道制作技術(shù) [J]. 科學(xué)通報, 2008, 53(17):2116-2124.Jia Yuefei, Jiang Jiahuan, Ma Xiaodong, et al. PDMS microchannel fabrication technique based on microwire-molding [J]. Chinese Science Bulletin, 2008, 53(17):2116-2124.

[25]Gijs M A M, Lacharme F, Lehmann U. Microfluidic applications of magnetic particles for biological analysis and catalysis [J]. Chemical Reviews, 2010, 110(3):1518-1563.

[26]董廣新, 蔣稼歡. 基于微流動混合的微納米粒子合成進展 [J]. 化工進展, 2010, 29(11):1010-1017.Dong Guangxin, Jiang Jiahuan. Recent progress in microfluidic mixing-based synthesis of micro/nanoparticles [J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2010, 29(11):1010-1017.

A Novel Microcircular Mixing Channel: Its Fabrication, Numeric Simulation and Primary Application

Dong Guangxin，Jiang Jiahuan
(College of bioengineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Micro-mixing channel plays an important role in microfluidics. Microcircular channel fabricated by microwire molding method features the exclusive wall-through hole. Velocity vectors at crossing hole were used to characterize the microflowing channel and aided design of micromixing channel. Synthesis of particles was primarily realized by the micromixing channel. The results showed that microciruclar channel, compared with microchannel fabricated via soft photolithography method, performed better in mixing two separate fluids and provided a novel way to synthesize particles.

microwire molding method; microcircular channel; numeric simulation; wall-through hole; particles synthesis

TM 344.1 文獻標(biāo)識碼：A

1001—7631 ( 2012) 01—0006—07

2011-10-10;

2012-01-19

董廣新(1985-)，男，碩士研究生；蔣稼歡(1967-)，男，教授，通訊聯(lián)系人。E-mail:jhuan@cqu.edu.cn

國家自然科學(xué)基金（30870607）；重慶市自然科學(xué)基金（CSTC2008BB5192）；科技部國際科技合作重點項目（2005DFA00190）；國家“111計劃”（B06023）資助