三維階梯結(jié)構(gòu)微混合器設(shè)計、制作及性能分析

張 賀，劉曉為，唐佳祿，韓小為，田 麗

(1.微系統(tǒng)與微結(jié)構(gòu)制造教育部重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學(xué)), 150001 哈爾濱；2. 黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，150001 哈爾濱)

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三維階梯結(jié)構(gòu)微混合器設(shè)計、制作及性能分析

張 賀1，劉曉為1，唐佳祿2，韓小為1，田 麗1

(1.微系統(tǒng)與微結(jié)構(gòu)制造教育部重點實驗室(哈爾濱工業(yè)大學(xué)), 150001 哈爾濱；2. 黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，150001 哈爾濱)

為改善微納尺度下流體的混合效果，在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基底材料上，設(shè)計制造了一款新型三維階梯結(jié)構(gòu)微混合器.混合器由一個T-型進樣溝道和6個三維階梯混合單元組成，采用超精密雕刻機在PMMA基片制作微米級結(jié)構(gòu)，利用有機溶劑混溶浸泡法，在低溫常壓條件下鍵合得到.數(shù)值仿真結(jié)果表明：混合器效率受到臺階結(jié)構(gòu)尺寸和流體速度的影響, 當(dāng)0.1≤Re≤5時，混合腔橫截面的濃度方差σ<0.1，接近充分混合; 當(dāng)流速在1～20 mL/h范圍內(nèi)時，將混合器用于微量溶液pH的調(diào)節(jié)取得了理想的結(jié)果.

微混合器；三維階梯結(jié)構(gòu)；混合效率；PMMA芯片制備；pH調(diào)節(jié)

微流控芯片是利用MEMS技術(shù)，將微溝道、微儲液池、混合器及檢測器等功能單元，集成在幾平方厘米大小的基底材料上，采用適當(dāng)?shù)逆I合方法將其封閉，從而實現(xiàn)對試樣的富集、混合、分離和檢測[1].與傳統(tǒng)的分析檢測方法相比，微流控芯片不但集成了如液體操控[2-3]、生化檢測[4-5]、成分分析[6-7]等諸多功能，還大幅度簡化了操作步驟，減少了試劑消耗.作為微流控芯片的重要組成部分，微混合器不但可以有效地控制擴散和混合，為后續(xù)的化學(xué)檢測和生物分析提供所需的條件，還縮短了試劑預(yù)處理時間，提高分析速度和操作效率[8-9].根據(jù)是否有外加能量場，微混合器可分為：主動式微混合器和被動式微混合器[10]兩大類.主動式微混合器是利用如電場、磁場、超聲等外部激勵來促進混合.被動式微混合器是利用微流體的擴散、對流作用，在沒有外部激勵的條件實現(xiàn)混合.除了驅(qū)動裝置，被動式混合器不需要其他輔助設(shè)備，因此，它更加易于集成在復(fù)雜的微流控系統(tǒng)中.

最簡單的被動混合器是T-型和Y-型混合器，它們結(jié)構(gòu)簡單，易于制作，主要依靠擴散作用混合，需要較長的混合通道，混合效率不理想.目前，T-型和Y-型混合器主要被當(dāng)作進液口，與其他混合器聯(lián)合使用[11-12].混沌混合是目前應(yīng)用最廣泛的被動式微混合器設(shè)計思想，它依靠精巧的微結(jié)構(gòu)，使流體發(fā)生分割、拉長、折疊和扭曲等現(xiàn)象促進混合進程[13-14].但隨著微流控芯片的功能日益完善，對微混合器的效率也提出了更高的要求.利用微結(jié)構(gòu)在三維空間的急劇變化，讓流體在不同維度均產(chǎn)生拉伸與折疊，可以在低雷諾數(shù)條件下誘導(dǎo)湍流的產(chǎn)生，并不斷加強這種形式的流動, 三維混沌混合器應(yīng)運而生.目前，最為常見的三維結(jié)構(gòu)芯片加工方法有：玻璃基材采用激光刻蝕工藝[15-17]加工，但玻璃芯片質(zhì)地硬脆不適合攜帶，且用于激光刻蝕工藝的飛秒激光器價格昂貴，因此玻璃芯片已經(jīng)逐步被聚合物芯片取代.聚合物材料主要分為柔性聚合物材料和剛性聚合物材料兩種.柔性聚合物基材(PDMS、SU-8)采用軟光刻(soft lithography)和注塑工藝[18-20]，并利用自身黏性鍵合.其優(yōu)點是圖形精度高，鍵合方法簡便，但材料質(zhì)地柔軟導(dǎo)致結(jié)構(gòu)極易變形，且加工成本高，不適合大規(guī)模生產(chǎn).硬質(zhì)聚合物基材(PMMA、PC)采用熱壓[21-22]與微機加工工藝制作微結(jié)構(gòu)，隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，圖形精度已經(jīng)可以與柔性聚合物材料相比，但鍵合工藝阻礙了其在三維結(jié)構(gòu)芯片中的應(yīng)用.傳統(tǒng)的熱壓鍵合，結(jié)構(gòu)形變量大[23]，而黏接法又容易導(dǎo)致溝道阻塞[24].因此，目前剛性聚合物多與其他材料共同使用，得到復(fù)合材質(zhì)芯片[25-26].因此只有解決鍵合問題，剛性聚合物才能在三維結(jié)構(gòu)微流控芯片中得到更廣泛的應(yīng)用.

本文設(shè)計并制作了一款三維階梯結(jié)構(gòu)微混合器.該混合器由一個T-型進樣溝道和6個階梯混合單元結(jié)構(gòu)組成，利用階梯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的混沌流，促使液體在低雷諾數(shù)條件下快速均勻混合.芯片使用超精密雕刻機在PMMA基材上制作微米級結(jié)構(gòu).采用有機溶劑混溶浸泡鍵合法[27]，在低溫常壓條件下，實現(xiàn)芯片的無損封合.整個制作過程無需大型設(shè)備和超凈環(huán)境，為三維結(jié)構(gòu)微流控芯片的推廣和普及提供了新思路.

1 混合器設(shè)計與制作

1.1 混合器設(shè)計

依據(jù)斯梅爾斯提出馬蹄變化思想[28-29]，本文從T-型混合器出發(fā)，經(jīng)過“擠壓拉伸”，“彎曲折疊”等流型變換，設(shè)計了一款階梯型微混合器.流體操作過程如圖1所示.

圖1 基于馬蹄變換的階梯混合器設(shè)計流程

本文通過COMSOL Multiphysics軟件研究了混合器的性能，并對混合器結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計.芯片中微流體的雷諾數(shù)(Re)為

(1)

式中：ρ為液體密度；u為液體流速；η為液體的動態(tài)黏滯系數(shù)，當(dāng)溝道中的液體為水溶液時，ρ=1 000 kg/m3，η= 0.001 Pa·s；L為流束的特征長度.

由于設(shè)計中的微溝道橫截面不是圓形，其特征長度為

(2)

式中：A為有效流經(jīng)面積，x為液體有效截面的周界長度.當(dāng)微溝道橫截面為300 μm×300 μm正方形時，其特征長度為L=300 μm.本文計算得到，當(dāng)流速為3.34 mm/s時，管道內(nèi)流體的Re=1，流動狀態(tài)為層流.

因此，可采用連續(xù)性假設(shè)和納維-斯托克斯方程為基礎(chǔ)建立臺階結(jié)構(gòu)微混合器數(shù)值仿真模型.為了表征混合器性能，同時建立經(jīng)典的蛇形混合器仿真模型.圖2是當(dāng)Re=1，蛇形混合腔與臺階混合腔表面、橫截面濃度分布圖.圖2中黑色與灰色分別代表兩種不同質(zhì)量分數(shù)的試劑，它們之間的顏色梯度代表混合的均勻程度.當(dāng)試劑經(jīng)過蛇形混合器后，分為上、下兩層，但流體間界面仍然非常清晰，混合并不徹底.而當(dāng)流體經(jīng)過階梯混合器后，流體界面模糊不清，顏色梯度也趨于一致，混合效率大幅提升.

圖2 混合腔表面及橫截面質(zhì)量濃度分布

引入混合腔橫截面上的組分質(zhì)量濃度方差σ來精確表征混合程度為

(3)

圖3 不同階梯混合腔結(jié)構(gòu)和質(zhì)量濃度方差曲線

隨后，以混合腔結(jié)構(gòu)A為模型，研究了Re對質(zhì)量濃度方差的影響.圖4為Re在0.1～5.0范圍內(nèi)變化時的質(zhì)量濃度方差曲線.從圖4中可以看出，質(zhì)量濃度方差曲線在Re=1.5的附近發(fā)生了轉(zhuǎn)折，當(dāng)Re<1.5時，隨著Re的增大，曲線呈下降趨勢；當(dāng)Re>1.5時，隨著Re的增大，曲線呈上升趨勢.這是因為在低流速條件下，分子擴散作用占據(jù)混合的主導(dǎo)地位.混合主要由時間和流體接觸面積決定，時間越長、接觸面積越大，混合效率越高.但隨著Re的增加，流體在混合腔內(nèi)的混合時間縮短，混合效率因此下降，并在Re=1.5附近降到了最小值.當(dāng)Re進一步增大，混沌流逐步占據(jù)了主導(dǎo)地位.此時，隨著Re的增大，混沌流增強，混合也隨之改善.

圖4 不同Re下的質(zhì)量濃度方差曲線

以圖3中的結(jié)構(gòu)A為模型，設(shè)計了混合器芯片.混合器芯片由兩塊帶有微結(jié)構(gòu)的PMMA基片組成，如圖5所示.其中T-型進樣溝道的截面尺寸為：寬×高=0.3 mm×0.3 mm，階梯混合腔的整體尺寸為：長×寬×高=12 mm×3 mm×2 mm.

圖5 三維階梯混合器結(jié)構(gòu)示意

1.2 混合器制作

微混合器芯片的制作主要包含：微結(jié)構(gòu)的制作和芯片的組裝.使用超精密雕刻機和微型銑刀(VIP3530，威力泰電子設(shè)備有限公司，北京)在PMMA(石金成金屬塑膠制造廠，東莞)基底材料上制作微米級三維結(jié)構(gòu).隨后使用有機溶劑混溶浸泡法對帶有微結(jié)構(gòu)的PMMA進行鍵合，鍵合所用無水乙醇、三氯甲烷等試劑均為分析純(天津科密歐化學(xué)試劑公司，天津).鍵合過程簡要描述如下：

1)將PMMA基片超聲清洗清洗干凈后(無水乙醇、去離子水各5 min)烘干備用；

2)按體積比V乙醇∶V三氯甲烷=10∶1配制無水乙醇與三氯甲烷混溶溶液；

3)將待鍵合基片在混溶溶液中潤濕，在顯微鏡下組裝并使用石英玻璃卡具固定.組裝過程中應(yīng)確保鍵合界面間沒有氣泡；

4)將芯片和卡具一同放入盛有混溶溶液的培養(yǎng)皿中，迅速將培養(yǎng)皿放入干燥箱.在40 ℃條件下，靜置10 min，即可完成芯片鍵合.圖6為芯片和混合腔結(jié)構(gòu)照片.

圖6 三維階梯混合器實物圖

2 結(jié)果與討論

2.1 混合器流體實驗

配制濃度為1 mol/L的異硫氰酸熒光素(FITC)和羅丹明B作為示蹤劑；使用微量注射泵為流體提供動力 (SN-50F6, 深圳圣諾醫(yī)療設(shè)備有限公司，深圳)；使用熒光顯微鏡觀察混合器內(nèi)的流體運動情況 (IX71, 奧林巴斯(中國)有限公司，北京)；使用開源軟件ImageJ完成圖像的后期處理.當(dāng)Re=1.5時，混合器內(nèi)的流體運動情況如圖7所示.圖7中顯示了6個階梯混合單元內(nèi)流體顏色變化情況.在混合單元1中，2種示蹤劑顏色鮮艷，界面清晰；在混合單元2中，液體界面仍然清晰但是示蹤劑顏色已經(jīng)不再鮮艷；混合單元3中，流體界面開始變得模糊；混合單元5中，界面幾乎消失，示蹤劑也已灰色為主，混合基本充分.

圖7 Re=1.5時的混合器熒光照片

2.2 pH控制

室溫(25 ℃ )下配制pH標(biāo)準(zhǔn)溶液：0.050 mol/L鄰苯二甲酸氫鉀，pH=4.01；0.025 mol/L混合磷酸鹽，pH=6.86；0.010 mol/L硼砂，pH=9.18.用磁力攪拌器(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司，上海)，將以上標(biāo)準(zhǔn)溶液等體積混合(10 mL)，充分混合后的pH為：鄰苯二甲酸氫鉀+混合磷酸鹽=5.11；鄰苯二甲酸氫鉀+硼砂=4.97；混合磷酸鹽+硼砂=7.71.以注射泵為動力，使用酸度計(PHS-2C，上海偉業(yè)儀器廠，上海)測試在不同流速下混合器對微量溶液pH的調(diào)節(jié)效果.從圖8中可以看出，5次測量的平均值分別為：鄰苯二甲酸氫鉀+混合磷酸鹽=5.142(標(biāo)準(zhǔn)偏差σ=0.09)；鄰苯二甲酸氫鉀+硼砂=5.07(σ=0.068)；混合磷酸鹽+硼砂=7.812(σ=0.068).可見隨流速的變化，階梯混合器仍可實現(xiàn)對溶液pH的精確調(diào)節(jié).而且值得注意的是當(dāng)試樣流速小于10 mL/h時，隨著流速進一步的增加，pH曲線的誤差也隨之增大；當(dāng)流速大于10 mL/h時，隨著流速的提高，pH曲線的誤差反而降低.這與圖4中Re與σ的關(guān)系曲線一致，當(dāng)液體的流速很慢時，擴散在混合過程中起主導(dǎo)作用，此時隨著流速的提高，混合效率會有所下降；當(dāng)流速提高到一定程度后，混沌流在混合過程中起主導(dǎo)作用，此時隨著流速的提高，混沌流增強，混合效率得到改善.

圖8 階梯混合器pH控制曲線

3 結(jié) 論

1)三維階梯結(jié)構(gòu)混合器由一個T-型進樣溝道和6個階梯混合單元結(jié)構(gòu)組成，利用階梯混合單元產(chǎn)生的混沌流，流體在0.1≤Re≤5時，充分混合距離小于10 mm.

2)階梯結(jié)構(gòu)微混合器芯片尺寸僅為長×寬=50 mm×40 mm，且芯片加工過程無需大型設(shè)備和超凈環(huán)境，順應(yīng)了微流控芯片低成本、易加工的發(fā)展趨勢.

3)利用熒光顯微鏡對微混合器芯片進行可視化測試，結(jié)果顯示當(dāng)經(jīng)過5個階梯結(jié)構(gòu)混合單元后，示蹤劑界面幾乎消失，說明混合基本充分.

4)使用酸度計對微量溶液pH的調(diào)節(jié)效果進行測試，結(jié)果顯示當(dāng)流速在1～20 mL/h范圍內(nèi)時，三維階梯結(jié)構(gòu)微混合器可以實現(xiàn)對pH的精確控制，標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過0.09.

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(編輯 張 紅)

Design,manufacture and investigation of 3D step structures mixer

ZHANG He1, LIU Xiaowei1, TANG Jialu2, HAN Xiaowei1, TIAN Li1

(1.Key Laboratory of Micro-systems and Micro-structures Manufacturing(Harbin Institute of Technology), Ministry of Education,150001 Harbin, China; 2.College of Electrical and Information Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, 150001 Harbin, China)

To improve the fluid mixing effect under micro-nano scale condition, we designed and manufactured a novel micro mixer with three-dimensional step structure based on the polymethyl methacrylate (PMMA) substrate material. The mixer was composed by one T-shaped inlet channel and six three dimensional step mixing units. The mixer was fabricated by using ultra-precision engraving machine and bonded by miscible organic solvents bonding method at the atmospheric pressure and low temperature conditions. Then, a series of numerical simulations were executed to optimize the step structures and investigate the mixing efficiency. The results showed that, when the Reynolds number was between 0.1 and 5, the concentration variance of mixing chamber cross section was less than 0.1. The reagent was close to the uniform mixture. When the flow rate within 1～20 mL/h, the mixer can achieve on precise regulation of solution pH. The micro machining technology and miscible organic solvents bonding method which were used for fabricate the 3D step micromixer are convenient and cost-effective. The mixer was conducive to the further promotion and application of microfluidic chips.

micromixer; three-dimensional step structure; mixing efficiency; PMMA chip preparation; pH adjustment

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.04.009

2014-11-17.

國家自然科學(xué)基金(61404036).

張 賀(1981—)，男，博士研究生；

劉曉為(1955—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

張 賀，zhanghe.hit@gmail.com.

TP273.4

A

0367-6234(2016)04-0054-06