（流体力学专业论文）微通道流场混合与分离特性的研究.pdf

浙江大学博士学位论文 2 0 0 8 4 摘要 本论文主要是用数值模拟的方法，对微通道流场中的流动和传质现象进行研 究，并在此基础上对流场中的混合和分离特性进行了深入的探讨。文中所得结论 对于微流体芯片的设计等应用具有一定的指导作用。 首先对与微通道流动相关的微流控芯片技术的发展做了全面的阐述。通过对 静态混合器和动态混合器的比较分析，研究了微流控芯片中微通道构型和微通道 表面特性对流场和化学反应的影响，指出了微流控芯片中层流和扩散效应所起的 作用。 其次，阐述了微流体力学的基础理论。从微机电系统出发，介绍了对流体模 型区域的划分以及微通道中的流体力学连续模型和基于分子的流动模型。在论述 了流体传质过程的基础上，提出了微通道对流扩散的控制方程和边界条件，对于 在分析化学中使用广泛的高效毛细管电泳，分析了微通道电渗流的基本方程和边 界条件。 接着论文介绍了用于微通道流场的计算机数值模拟方法即有限差分法和有 限体积法，提出了相应的边界处理办法。对于耦合物理量的求解，介绍了s i m p l e 方法。结合目前微流控芯片的结构和加工方法，对微通道中流体参数的测量技术 进行了介绍和分析。 在阐述弯曲微通道的电泳和分离的基础上，提出了u 形微通道电渗流场和 被动粒子运动计算的数学模型。结合微通道构型、样本离散率和对称率及壁面电 荷分布，提出了优化参数和优化法则。计算了不同情况下的流场分布和样本粒子 分布。 对于样本液和参考液在微通道中的混合，提出了基于截面质量分数分布均匀 度的混合效率指标，对s 型微通道流场进行了数值计算，研究考察了进口浓度、 进口速度对混合效率的影响，同时计算分析了样本液和参考液在进口的速度差异 对混合效率的影响。研究、比较了弯曲微通道几个特征截面的混合特性，并对导 致不同截面浓度分布差异性的原因进行了探讨和分析。 对三维构型微通道中的流体混合，提出了混合特性的比较方法。采用数值计 算的方法，分别研究了入口速度对混合效率的影响及结构几何参数对混合效率的 浙江大学博士学位论文 2 0 0 8 4 影响。在相同的基本参数下，对蛇形混合器和直线型及平面型混合器的混合效率 进行了比较研究，为微混合器的设计提供了重要的依据。 关键词：微通道，数值模拟，电渗流，混合，分离 i i 浙江大学博士学位论文 2 0 0 8 4 a b s t r a c t t h ef l o wa n dm a s st r a n s f e rp h e n o m e n o ni nt h em i c r o f l u i d i ec h i p sw a ss t u d i e di nt h i s t h e s i sw i t ht h eh e l po ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d i na d d i t i o n ，t h es e p a r a t i o n a n dm i x i n ge n c o u n t e r e di n t h em i c r o f l u i d i c sc h i pw e r ei n - d e p t h a n a l y z e da n d d i s c u s s e d s o m eo ft h ec o n c l u s i o n st a k ec e r t a i ng u i d i n gr o l ef o rt h ed e s i g no f m i c m f l u i d i cc h i p s i nt h i sp a p e r , t h ed e v e l o p m e n to fm i c r o f l u i d i et e c h n o l o g yw a sc o m p r e h e n s i v es t a t e d t h r o u g ht h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so fs t a t i cm i x e ra n dd y n a m i cm i x e r , t h ei m p a c t so f m i c r o c h a n n e lc o n f i g u r a t i o na n dm i c r o c h a n n e ls u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c so nt h ef l o wf i e l d a n dc h e m i c a lr e a c t i o n sw e r es t u d i e d l a m i n a ra n dd i f f u s i o ne f f e c tp l a yi m p o r t a n tr o l e f o rt h em i c r o f l u i d i cc h i p b a s e do nt h et h e o r yo fm i c r o f l u i dm e c h a n i c sa n dt h em i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ， t h e r e g i o n a l d i v i s i o no ff l u i dm o d e lw a si n t r o d u c e d t h em i c r o c h a n n e l a d v e c t i o n - d i f f u s i o ne q u a t i o na n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，a n da l s ot h ee l e c t r o o s m o t i c f l o we q u a t i o na n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sf o rt h ea n a l y s i so ft h em i c r o c h a n n e lf l o w w e r ep r o p o s e d t h i sp a p e ri n t r o d u c e sc o m p u t e rs i m u l a t i o nm e t h o d sf o rt h em i c r o c h a n n e lf l o wf i e l d ， t h a ti st h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o da n dt h ef i n i t ev o l u m em e t h o d t h ec o r r e s p o n d i n g b o r d e ra p p r o a c hw a sa l s og i v e n t h es i m p l em e t h o df o rt h es o l u t i o no fc o u p l i n g p h y s i c a lv a r i a b l e sw a si n t r o d u c e d f o rt h ec u r r e n tm i c r o f l u i d i cc h i pp r o c e s s i n g m e t h o da n dt h es t r u c t u r e ，t h em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yo ff l u i dp a r a m e t e r si n m i c r o c h a n n e lw a si n t r o d u c e da n da n a l y z e d b a s e do nt h ee l e c t r o p h o r e s i sa n ds e p a r a t i o ni nt h eb e n d i n gm i c r o c h a n n e lw e p r o p o s e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lf o re l e c t r o o s m o t i cf l o wf i e l d sa n dt h ep a s s i v es a m p l e s p a r t i c l e s c o m b i n e dw i t ht h em i c r o e h a n n e lc o n f i g u r a t i o n ，t h es a m p l ed i s c r e t er a t e ， s y m m e t r i cr a t ea n ds u r f a c ec h a r g ed i s t r i b u t i o n ，o p t i m i z a t i o np a r a m e t e r sa n do p t i m i z e r u l e sw e r ep r o p o s e d f l o wf i e l d sa n dt h es a m p l ep a r t i c l ed i s t r i b u t i o nw e r ec a l c u l a t e d u n d e rd i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e s i i i 浙江大学博士学位论文 2 0 0 8 4 f o rt h em i x i n go fs a m p l e sl i q u i da n dr e f e r e n c es o l u t i o ni nt h em i c r o c h a n n e l ，t h e m i x i n ge f f i c i e n c yi n d i c a t o rw a sp r o p o s e db a s e do nt h es e c t i o nu n i f o r m i t yo ft h em a s s f r a c t i o n t h es - t y p em i c r o c h a n n e lf l o wf i e l dh a sb e e nc a l c u l a t e d ，t h ei m p a c to f c o n c e n t r a t i o na tt h el o c a t i o ni m p o r t sa n di n l e tv e l o c i t yo nt h em i x i n ge f f i c i e n c yw a s a l s os t u d i e d c a l c u l a t i o na n da n a l y s i sw e r ec a r r i e do u tf o rt h ee f f e c t so ft h es p e e d d i f f e r e n c eo ft h es a m p l ea n dr e f e r e n c ei nt h ei m p o r t s w ec o m p a r e dt h em i x i n g c h a r a c t e r i s t i c so ns e v e r a lc r o s s s e c t i o n si nt h em i c r o c h a n n e l t h er e a s o n sf o rt h e d i f f e r e n c e so ft h ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o ni nt h ed i f f e r e n tc r o s s s e c t i o n sw e r e d i s c u s s e da n da n a l y z e d c o m p a r i s o nm e t h o do f m i x i n gc h a r a c t e r i s t i c sw a sp r o p o s e df o r t h ef l u i dm i x i n gi nt h e s e r p e n t i n em i c r o c h a n n e lw i t ht h r e e d i m e n s i o n a ls t r u c t u r e u s i n gn u m e r i c a lm e t h o d s ， w es t u d i e dt h ei m p a c to fi n l e tv e l o c i t ya n ds t r u c t u r eg e o m e t r i cp a r a m e t e r so nt h e e f f i c i e n c y i nt h es a m eb a s i cp a r a m e t e r st h em i x i n ge f f i c i e n c yo fs e r p e n t i n em i x e r , l i n e a ra n dp l a n a rm i x e rw a sc o m p a r e d t h a ts u p p l i e da ni m p o r t a n tb a s i sf o rt h ed e s i g n o fe f f i c i e n tm i c r o m i x e r k e yw o r d s ：m i c r o c h a n n e l , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e l e c t r o o s m o t i cf l o w , m i x i n g c h a r a c t e r i s t i c s ，s e p a r a t i o n i v 学号1 0 2 0 8 0 5 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 签字日期： p 矿年中月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签 导师签名：袁 硅怠 签字日期：加湃铲月厂夕日 签字日期：万年中月p 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：浙江科技学院 通讯地址：杭州留和路3 1 8 号 电话：8 5 8 5 3 0 0 3 邮编：3 1 0 0 2 3 祈江人学博十学位论文 1 1 微流控芯片技术 第一章绪论 晟近的研究发展表明，2 0 世纪9 0 年代初由瑞士的w a n z 和w i d m e r 提出的以 微机电系统( m i c r o e e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，w e w s ) 为基础的“微型全分析 系统”( m i n i a t u r i z e dt o t a la n a l y s iss y s t e m s ，或m i c r ot o t a la n a l y s i s s y s t e m s ，ut a s ) 预计在今后数十年内将发挥巨大的作用。ut a s 的目的是通 过分析设备的微型化与集成化，最大限度地把分析实验室的功能转移到便携的分 析设备中，甚至集成到方寸大小的芯片l 。由于这种特性，一个更为通俗的名称 “芯片实验室”( 1 a b o n a c h i p ，l o c ) 已经被日益广泛地接受。微流控芯片 ( m c r o f l u i d i cc h i p s ) ( 图1 1 ) 是ut a s 中当前晟活跃的领域和发展前沿；它 最集中地体现了将分析实验室的功能转移到芯片上的设想，其未来的发展将对上 述目标的实现起到至为关键的作用。目前，虽然距离真正实现这样的目标，把分 析实验室的主要功能转移到芯片上束，还有很多技术难关需要攻克，但一些关键 忭的技术已i 睨得重大突破。 图l1 微流控芯片 ut a s 是一个高度学科交叉的领域，它既依赖于许多分析技术的发展，又依 赖于微加工技术的支持与发展，同时还依赖于应用对象( 如生命科学) 的发展和 融入。除此之外，力学、机械、材料、电子、光学仪器、计算机等科学领域的发 展与融入也是ut a s 取得不断进展所不可缺少的条件。ut a s 在发展中还需要更 多 浙江大学博士学位论文2 0 0 8 4 多的基础理论来更深入地理解和掌握物质在微米尺度流动状态下的行为，例如微 米通道中的流动、传质、导热、吸附及微区域反应规律等。这些都对相关的理论 研究提出了新的课题。 在现代分析科学与分析仪器的发展中微流控芯片的出现有其历史的必然性。 分析系统的自动化、微型化趋势早在2 0 世纪5 0 年代后期、6 0 年代初期即已出 现，其发展动力主要来自于环境及材料科学的发展中对更多、更准、更快的获取 物质成分信息的需要。当时，s k e g g s 乜1 创始的间隔式连续流动分析( s e g m e n t e d c o n t i n u o u sf l o wa n a l y s i s ，s c f a ) 是这一时期发展的有代表性的成功范例。其 成功之处在于首次突破了延续了2 0 0 年的分析化学传统操作中以玻璃器皿和量 器为主要工具的操作模式，把分析化学转移到有液体连续流动的管道中。数毫米 内径、数米长的玻璃工聚合物管道不仅是化学反应的新容器，而且也成为分析操 作实现连续化、自动化的“传送带 ( 图1 2 ) 。连续流动分析的观念是对分析化 学，甚至是对整个化学实验室操作技术的一项革命性贡献。它极其广泛的影响， 绝不仅限于当前仍在使用的s c f a 领域，而且涉及到所有与溶液化学分析有关的 领域。以s c f a 为契机发展起来的溶液连续驱动手段一蠕动泵，也已成为许多技 术与研究领域，乃至工业生产中连续输送液体的常用工具。 虽然在溶液分析自动化方面s c f a 取得了成功，在分析操作所需面积的减小 方面也有所贡献，但在设备和试样、试剂消耗及微型化方面却进展不大，分析速 度比传统的手工操作也无显著提高。后者是因为限制分析速度的因素常常是化学 反应本身，而并非溶液操作过程。s c f a 的成功与局限促使r u z ic k a 与h a n s e n 于 1 9 7 5 年提出了流动注射分析( f l o wi n j e c t i o na n a l y s i s ，f i a ) 的概念h 1 。他们 在继承连续流动观念的同时，彻底放弃了s c f a 中要求在流动中必须实现物理平 衡( 完全混合) 与化学平衡( 反应完全) 的观念，去除了管道中同时起间隔与搅 拌作用的气泡，提出了在非平衡( 不完全混合，不完全反应) 条件下实现高重现 性定量分析的技术条件。他们利用了细管道( l m m ) 内径中液体层流状态的可 控性与重现性，加上准确的时间( 即流速) 控制，实现了重现、但非完全的混合 状态，并在此基础上来实现重现、而未必完全的化学反应。这一思想的提出大大 提高了分析速度，使每小时测定上百种试样成为可能，同时也促进了分析系统的 微型化。试样与试剂消耗从 l o m l 水平降低到1 0 - 2 0 0ul 水平。分析操作也从 2 浙江大学博士学位论文 简单的自动进样检测发展到包括溶剂萃取、柱分离、沉淀、共沉淀、气一液分 离、渗析等在内的试样多种前处理自动化。经过2 0 多年的发展，f i a 已经渗透 到涉及溶液分析的几乎所有分析科学领域，不仅促进了分析过程自动化和微型化 的发展，同时也为pt a s 的提出铺平了道路。事实上早在m a n z 与w i d m e r 提出 ut a s 的概念之前，r u z i c k a 与h a n s e n 于1 9 8 4 年，在当时f i a 发展的基础上， 就提出了集成化微管系统( i n t e g r a t e dm i c r o c o n d u i ts y s t e m s ，i w c s ) 的概念， 并且取得了一些重要突破”3 。 铲蝴 灿 、 二j f 图1 2 间隔式连续流动分析( s c f a ) 系统示意图( a ) 和 流动注射分析( f i a ) 系统示意图( b ) 由于工作的经历与学科背景不同，m a n z 从一开始就把当时在微电子领域已发 展成熟的艇淞作为其在流动分析的基础上实现微全分析目标的技术依托。尽管 如此，开始的发展并不顺利。m a n z 与w i d m e r 最初的尝试是首先把f i a 转移到微 , b r i m 芯片上来“。所形成的流动注射光度测定ut a s 装置为多层芯片结构，主 要是采用了单晶硅材料加工。装置的复杂性使人们对其未来发展前景不敢过于乐 观。m a n z 在1 9 9 1 年发表的的论文可反映出当时学术界对这一崭新领域的不同看 法与奄度“1 。然而，当时分析化学另一学科的迅速崛起为ut a s 提供了一个重要 的发展机遇。这就是毛细管电泳分离。一方面，毛细管电泳为ut a g 提供了方便 灵活的、在微尺度下的电渗驱动手段；另一方面在芯片上加工的毛细管电泳 一ut a s 又显示出比传统毛细管电泳更优良的性能。m a n z 与加拿大a l b e r t a 大学 的h a r r i s o n 通过卓有成效的合作，于1 9 9 2 年发表了其首篇在微加工芯片上完成 浙江大学博士学位论文 2 0 0 8 4 的毛细管电泳分离的论文，从而展示了ut a s 的发展潜力“。”1 。在此后一段时间 的发展中，研究者们迅速把pt a s 的发展重点定位在基于k i e m s 技术的平板玻璃 或石英芯片上的电渗驱动的毛细管电泳分离微流控系统。 美国橡树岭国学实验室以r a m s e y 为首的研究组”自1 9 9 4 年开始，在m a n z 工作的基础上发表了一系列论文，改进了芯片毛细管电泳的进样方法，提高了其 性能与实用性，引起了更广泛的关注。在此形势下，该年首届t a s 会议以工作 室的形式在荷兰思舍得( e n c h e d e ) 举行，起到了推广t a s 的作用。1 9 9 5 年美 国加州大学b e r k e l e y 分校的m a t h i e s 研究组在微流控芯片上实现了高速d n a 测 序“，微流控芯片的商业开发价值开始显现，而此时微阵列型的生物芯片已进入 实质性的商品开发阶段。同年9 月，首家微流控芯片企业，c a l i p e rt e c h n o l o g i e s 公司在美国成立。从1 9 9 5 年开始，美国啥佛大学的w h i z e s i d e s ( 美国科学院院 士) 研究组报道了一系列与微流控芯片9 b m 有关的新技术，大大促进了这一领域 的发展“。1 9 9 6 年，m a t h i e s 等又将基因分析中有重要意义的聚台酶链反应( p c r ) 扩增与毛细管电泳集成在一起o ”，展示了微流控芯片在试样处理方面的潜力。次 年，他们又实现了微流控芯片上的多通道毛细管电流d n a 测序，从而为微流控芯 片在基因分析中的实际应用提供了重要的基础“。 图1 3c a l i p e r 分析仪和l a bo nac h i p 杂志 与此同时，有关企业中的微流控芯片研究开发工作也在加紧进行：1 9 9 8 年 之后专利之战日益激烈；一些微流控芯片开发企业纷纷与世界著名分析仪器生产 厂家合作，利用各自的优势技术平台，抢先推出第一台微流控芯片商品化分析仪 浙江大学博士学位论文 2 0 0 8 4 器。1 9 9 9 年9 月惠普( 现a g i l e n t ) 与c a l i p e r 联合研制的首台微流控芯片商品 化仪器开始在欧美市场销售，至2 0 0 1 年8 月已可提供用于核酸及蛋白质分析的 5 6 种芯片。其他几家厂商也于2 0 0 2 年开始将其产品推向市场。人类基因组计 划的提前完成充分体现了阵列毛细管电泳在d n a 测序方面的强大威力，同时也为 已把毛细管电泳作为微型化首要目标的微流控芯片提供了新的发展动力。2 0 0 0 年5 月，第四届l it a s 会议在荷兰恩舍得举行。会议上虽然只宣读了1 4 0 多篇论 文( 其中9 0 以上涉及微流控芯片) ，但却有6 0 0 多人参加n ；仅相隔一年多， 第五届pt a s 会议又于2 0 0 1 年1 0 月在美国m o n t e r e y 召开n 引。两次会议尤其反 映出ut a s 中微流控分析的迅猛发展势头。会议上报道的许多成果预示着微流控 分析芯片一个更大的发展高潮即将到来。无疑也是为迎接这一高潮，由著名的英 国皇家化学会主编的，以“l a b o n a c h i p 为名称的新学术季刊已于2 0 0 1 年创 刊。 当前pt a s 可分为芯片式与非芯片式两大类；而且前无论从文献还是从商业 开发看，芯片式都是发展重点，在芯片式pt a s 中，依据芯片结构及工作机理又 可分为微流控芯片和微阵列( 生物) 芯片，它们都依托于微机电加工技术，目前 又都主要服务于生命科学，但前者以微通道网络为结构特征，后者则以微探针陈 列为结构特征。除此之外，在主要依托学科、发展历程及工作性能等多方面也均 有着本质的区别，微阵列芯片目前的应用对象主要是d n a 分析，所以也称为d n a 或基因芯片，其发展要稍早于微流控芯片，有关基础研究始于2 0 世纪8 0 年代末， 它主要是在生物遗传学领域发展起来的，其发展契机主要来自于现代遗传学的一 些重要发现，并直接受益于该领域的某些重要研究成果，即在载体上固定寡核苷 酸的基础上以杂交法测序的技术，这类芯片在前几年发展较快，在国外已实现深 度产业化，在我国已形成了发展规划，并获得国家各部门的多方面重视与支持， 几年来取得较大发展 1 9 o 微流控分析芯片是作为1 9 9 0 年提出的l jt a s 主要发展 方向，在2 0 世纪9 0 年代中期迅速崛起。跟踪其主要文献啪1 也不难看出，它主要 是在分析化学的学科领域发展起来的，微流控芯片的目标是把整个化验室的功 能，包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在可多次使用的微芯片 上，因此较微阵列芯片应有更广泛的适用性及应用前景。表1 1 中对微流控芯片 与微阵列芯片从几个方面作了比较。 5 浙江大学博士学位论文 2 0 0 8 4 表1 1 微流控芯片与微阵列( 生物) 芯片的比较 微阵列芯片微流控芯片 主要依托学科生物学、m e m s分析化学、m e m s 结构特征微探针阵列微管道网络 工作原理生物杂交为主微管道中流体控制 使用次数一般一次重复使用数十至数千次 前处理功能基本无多种技术供选择 集成化对象高密度杂交反应阵列全部化学分析功能 应用领域d n a 等专门生物领域全部分析领域 产业化程度高度产业化初始阶段 从表1 1 中对微流控芯片与生物芯片的比较中，可以看出二者之间应是互补 与相互融合、借鉴的关系，微流控芯片可成为微阵列芯片的进样与试样前处理系 统，而微阵列芯片可成为微流控系统的专用传感器，以此为指导思想将有利于两 种芯片的共同发展。 分析系统通过在微米级通道与结构中实现微型化，不仅带来分析设备尺寸上 的变化，而且在分析性能上也带来众多的优点，另一方面，微型化也带来了对设 备加工的特殊困难。 微流控分析系统具有极高的效率。许多微流控芯片可在数秒至数十秒时间内 自动完成测定、分离或其他更复杂的操作，分析和分离速度常高于相对应的宏观 分析方法一至二个数量级，其高分析或处理速度既来源于微米级通道中高导热和 传质速率( 均与通道直径平方成反l t ) ，也直接来源于结构尺寸的缩小；微流控 分析的试样与试剂消耗已降低到数微升水平，并随着技术水平的提高，还有可能 进一步减少，这既降低了分析费用和贵重生物试样的消耗，也减少了环境的污染； 用微加工技术制作的微流控芯片部件的微小尺寸使多个部件与功能有可能集成 在数平方厘米的芯片面积上，在此基础上可以较为容易地制造功能齐全的便携式 仪器，用于各类现场分析；微流控芯片的微小尺寸使材料消耗甚微，当实现批量 生产后芯片成本可望大幅降低，而有利于推广使用。 在目前发展阶段，微流控芯片仍存在着若干限制其发展的不利因素，主要有 以下几个方面： 作为1 tt a s 的主要发展前沿，当前的微流控芯片系统总体上既不够“微”， 6 浙江太学博士学位论文 分析功能也远达不到“全”，主要原因是集成度不够高，多数检测器的体积过大， 实现集成化还有很长的路要走：在目前加工条件下微控芯片制作的成本还难以满 足有关成果推广应用的要求，一块供研究用的标准玻璃芯片价值1 0 0 2 0 0 美元， 一块供分析1 2 个试样的一次性专用芯片售价1 0 美元；当前报道的大部分微流控 芯片分析系统不包括试样的前处理功能即功能不够全，为了解决实际试样的分 析，这方面的研究尚需在应用领域的实践过程中不断加强。 1 2 课题的研究背景和意义 与常规的分析系统相比，微流控分析系统的核心在于系统的微型化，由微型 化带来的优势包括分析速度快及试样、试剂消耗量低等，但同时，系统的微型化 也带来一些负面影响，如反应时间缩短，检测灵敏度下降，检出限升高等，而微 流控分析系统的目标应是分析性能的全面提高，至少要达到与常规系统相当的水 平，在微系统中，因通道长度和孔径的减小，增加了液体达到均匀混合的难度， 对于微系统中的混合反应体系，当混合速度小于反应速度时，混合时间成为决定 反应完成时间的决定因素，如混合不完全，则反应也不可能完成此时混合时间 成为限制反应时问以至整个系统分析时间的瓶颈这一点对芯片分离系统中的柱 前和柱后衍生化反应尤为重要，因此，在微尺度下如何进行流体的混合，是目前 一个重要的研究方向。 图14 微混合器 宏观体系中液流的混合通常包括两个步骤：第一步，在初混的非均相混合物 中产生微细区域分散结构；第二步，利用相邻微区间的分子扩散作用( 由于浓差 浙江大学博士学位论文 2 0 0 8 4 梯度的存在) 使混合物在分子水平上达到均相，在宏观体系中，通过扩散进行的 传质是一个相对较慢的过程，为获得较快的混合速度，流体分散单元的体积必须 降低到扩散作用占主导地位的程度，在宏观体系中，对于高雷诺数的低粘性流体， 通常采用产生湍流的方法，利用对流效应形成微区分散结构进行混合；而对于高 粘性流体，或微米尺度下通道内的流体，均以低雷诺数的层流形式流动，通道内 不易形成湍流，在此条件下，分子扩散成为粒子跨越流体问界面的主要方式。 如前所述，微流控系统一个不同于宏观体系的特殊性是由于通道尺度的降 低，而使其中分子扩散效应的影响变得非常显著，利用此效应有可能获得较快的 混合速度，但通常通道或窗口的尺度不应大于5 0 0um 。 在层流条件下，达到有效混合的方法有：拉长或剪切层流，以增大流体间的 接触面积；分流混合，即将大的液流分裂成多个小的液流，使流体的厚度大大降 低，以上目标可通过产生液流间的相对运动或改变流动通道的构型来达到。目前 使用较多的方法是根据微流体力学原理设计较为复杂的连续或平行流路系统，以 提高混合效率，减小混合所需的时间和空间。 1 9 9 9 年，b e s s o t h 等报道微混合器利用了分流混合的方法，该方法的基本原 理是：因扩散时间与扩散距离的平方成正比，通过将液流分裂成多个薄层液流， 可缩短液流间的扩散距离，显著降低混合时间，理论上，将液流分为n 个分支薄 层液流，将使混合时间加快n 2 倍，该微流控混合器结构呈夹层结构( 玻璃硅 玻璃) ，硅片双面加工微通道，有贯穿硅片的垂直通道连接两面的微通道，硅片 两侧再以玻璃片封闭通道，其混合过程是，液流a 和b 分别被逐次分为1 6 个分 支液流，而后，a 、b 各分支液流间首先进行两两汇流混合，最后各个分支混合 液流再逐次汇合成一个总的混合液流。 该系统的优点是混合器体积小，内部通道体积6 0 0 n l ；混合效率高，混合速 度极快，可在微小体积内完成毫秒( m s ) 级的混合( 在1 5 m s 内达到9 5 的混合) ； 两液流流速和流速比范围均较广，分别为1 - 2 0 0pl m i n ，1 ：1 0 0 1 0 0 ：1 ，但 其局限性是混合器及其通道的结构复杂，尤其是芯片采用多层立体结构，通道采 用高深宽比结构( 5 0 um 2 0 um ) ，2 n t 难度较大，且不易与芯片其他系统实现集 成化。 1 9 9 9 年，j a c o b s o n 等提出了微加工的平行和连续微混合器，平行混合器是 浙江人学博+ 学位论文 多个独立单元混合器的并列结构，完成混合的基本通道构型属于“t ”形交叉通 道模式，这是一种常规的混合通道模式，混合器的特点在于一个电压下实现多个 独立的微混合器的同时工作。 连续微混合器则采用的是多个单元混合嚣逐级混合的模式，其中，提出了 种基于“十”字交叉通道的新的分流型混合通道构型。其原理是试样在通道交叉 处被分成两路，一路进入试样分流通道，不参与混合操作：另一路与缓冲液流汇 台进入混合通道，此种通道构型用于进行在线稀释操作时，园可调节进入混合通 道的试样量，能达到较宽的稀释倍率范围，该混合器的另一特点是将多个单元 “十一# 通道分流型混合器串联接续，实现连续的逐级混合，在单元混合器基础 上可进一步增加稀释倍数。 该系统的另一主要特点是，各液流均以电渗驱动，而且系统仅需以一个固定 电压的电源提供多个通道内液流传输和混合的动力，此举大大简化了系统中的控 制部分，有利于实现系统的微型化，其具体方法是：以通道构型的变化，通过分 压的方法改变施加到各通道的驱动电压大小，利用荧光染料试样和缓冲液汇流的 混合稀释，考察系统的混合性能，在两种混合器中，实测的试样稀释比与理论计 算值( 根据通道长度，计算施加于合段通道的电压，进而计算出试样的稀释比) 有很好的致性，表明可通过改变通道构型，改变旌加电压，达到控制改变混台 比例的日的，以上也是利用通道构型进行微流体控制的一个实例。 图15c o m s o l 公司的电渗流微混合器示意阁 b e ( 2 0 0 1 ) 等报道了一种利用特殊设计的通道构型实现快速混合的微混合器， 系统以电渗流驱动力，混合器体积仅有2 0 0 p l ，微加工混合器采用多个通道交叉 的构型，其构型特点是混合器有宽、窄两种类型的通道，而各通道长度则各有不 同宽通道宽度2 7 i ti l l ，呈折线形结构：窄通道宽度为5um ，通道方向与整体液 浙江大学博士学位论文 2 0 0 8 4 流流向平行，以旁路分流形式与宽通道相连，各通道深度均为1 0pm ，在实验中 观察到在1 0 0pm 宽，3 0 0um 长的汇流型混合器中，两液流因层流的存在，几乎 完全依靠扩散进行混合，因而混合程度很小；而在新的混合器中，仅以2 0 0 l im 长的通道网络( 体积为l o o p l ，电渗流速度为3 0 0um s ) ，在1 s 时间内即可完成 完全混合。 该混合器的设计思想是基于以下两种考虑：以折线形宽通道增强横向混合， 同时在通道弯折处产生对流；以多个分流的不同长度的窄通道，加强纵向和汇流 混合，具体的工作原理是：大股液流在折线形的宽通道内流动，在其流过混合器 过程中，流动轨迹同时在横向( 多次) 和纵向方向上穿越整个混合器，虽然电渗 流的驱动方向为纵向，但宽通道从一侧到另一侧的交替流动会产生纵向对流区 域；小股液流进入窄通道内流动，流经不同长度的通道，在出口又与大股液流汇 流混合，该结构的主要特点是加强了混合器中的横向混合，同时产生对流混合， 增强扩散混合。 微混合器不仅可以应用于反应液流的混合，还可用于其他较为复杂的操作。 2 0 0 1 年d e r r i n g e r 等报道的一种微流控通道网络在通道中产生具有复杂构型的 浓度梯度，其梯度形状包括线性、抛物线、周期性曲线等，该混合器的通道构型 为多层次的通道网络，每一层次由多个并行的分支蜿蜒通道( 4 5i lm 宽，4 5um 深，9 2 5 r a m 长) 构成，并行的通道数逐级增加，最后各分支通道再同时汇合于 较宽的通道( 宽度范围9 0 0 2 2 0 0i lm ) 中，在通道网络中，初始各液流经多次 的逐级分流、汇合，最后在出口宽通道中形成垂直于流动方向的浓度梯度。系统 中使用的基本混合方式是相邻液流的扩散混合，产生浓度梯度的方法是利用多层 次的分流、汇流混合方法，即先将初始液流分流，而后再与其他相邻始液流的分 流汇合，此汇合液流再进行下一步分流及与相邻液流的汇流，如此循环往复操作， 最后众多浓度不同的分支液流并行汇合，形成横向的浓度梯度。除此之外，通过 改变通道网络的构型设计及初始液流的浓度和组合顺序，可获得其他各种复杂的 梯度构型。 物质在毫米尺度下扩散速度相对较慢，在宽通道( 宽度范围9 0 0 - - 2 2 0 0um ) 内浓度梯度可维持数十秒，长于液流通过通道的时间，因此，由于微通道内层流 的稳定性和溶液连续不断的更新，该系统可以在通道中维持一个长时间稳定的浓 1 0 浙江大学博士学位论文2 0 0 8 4 度梯度空间构型，最长可维持数小时，这是其他系统所难达到的，提供了一个利 用复杂微通道网络实现复杂操作的实例。 2 0 0 2 年，s t r o o c k 等报道了一种基于新的混合原理的混合器混沌混合器 ( c h a o t i cm i x e r ) 。系统主要用于微通道内压力驱动的低雷诺数液流的被动混 合，其主要原理是在微通道内产生横向的液流混合，以加速混合过程，具体方法 是在通道底部加工各种构型的凸脊，凸脊与通道轴向成一定的夹角，凸脊对于不 同流向的低雷诺数流体具有不同的阻力，与垂直流向的液流相比，沿与凸脊平行 方向流动的液流受到凸脊的阻力较小，由此产生液流在通道内的螺旋式流动，改 变凸脊的构型和排列方式，可获得不同的混合效果，在增加微通道内混合速度的 方法上，该系统提供了一个新思路。 1 3 微流体混合的系统设计 微流控系统，或者芯片实验室，可定义为“可完成任何分析实验室的多种任 务的高度功能化、集成化的系统 。这些任务包括样品注射、样品预处理、分离、 稀释、混合、化学反应和检测等。虽然在此领域已取得巨大进展，但是仍有很多 限制条件需要注意，其中之一是反应物的混合。快速混合中的困难存在于以下两 点：1 ) 系统经常限制在层流区域( 雷诺数r e 2 0 0 0 ) ，2 ) 特征尺寸太小，以至 于不能选择传统的混合方法。因此，在微流体系统应用方面，混合非常关键且很 有挑战性。人们投入很大精力研究微流体混合，并提出了许多可以改善混合效率 的新方法。这些方法通常可分为被动式和主动式两种。 一方面，被动式混合不需要额外的能量源，混合完全依赖于扩散或者湍流效 果；另一方面，主动混合则普遍要求额外的能量源。除去运输流体之外，被动型 微流体混合不需要任何其他装置，操作简单稳定，易于整合进复杂系统。根据外 部能量源的不同，主动混合可分为时间脉冲型交叉流、电力作用、超声作用、磁 力作用和其他外界因素。虽然能达到较高的混合效果，主动微混合器的结构通常 比较复杂，且需要复杂的制造工艺。此外，在操作微混合器时，还需要额外的能 量源。因此，在微流体系统中整合主动型混合器既复杂又昂贵。微混合方法在过 去的一段时间有了较大的进展。 按照不同的微混合类型，我们来探讨这些微混合器的控制条件。特别需要注 浙江大学博士学位论文 2 0 0 8 4 意一些无量钢参数，例如雷诺数( r e y n o l d sn u m b e r ) r e 和佩克莱特数( p e c l e t n u m b e r ) p e ，雷诺数代表动能和粘性摩擦作用的比值： r e = u l i v ( 1 1 ) 超过某一个临界值( 宏观上大约2 3 0 0 ) 的高雷诺数表明是湍流。在绝大多数微 流体例子中，流动雷诺数很低，流体是层流心川。 佩克莱特数代表由于对流导致的质量输送和由于扩散导致的质量输送之间 的比率。在微通道流场较低的佩克莱特数下，扩散输送起着重要的作用。 p e = 观d ( 1 2 ) 佩克莱特数在设计流动注射分析微系统中很有用。知道微通道的佩克莱特数 和它的尺寸规格，设计者就能区别两种主要的情况。首先，如果佩克莱特数比1 小得多，那么扩散在微流体流动中占优势，而定向流动处于次要地位。第二，如 果佩克莱特数比1 大得多，那么分子流动主要是由外部施加的驱动力而定，而扩 散具有较小的影响。在微系统中，流动速度通常比较小。决定佩克莱特数的关键 变量是通道长度l 。对于一个足够长的通道，佩克莱特数通常大于1 ，因此流动 通常是定向的。 包含佩克莱特数的不同流动类型之间的区别是泰勒流动和纯对流流动之间 的差异。如果佩克莱特数比微通道的长与宽的比值( l d ) 小得多，那么可以观 测到泰勒分散。如果佩克莱特数比长与宽的比值大得多，则扩散不是分散的主要 形式。两种情况是不同的，因为一个相对狭窄的微通道允许横向扩散起重要作用， 而在相对较宽的通道中则不会发生。一旦设计者决定了分离系统的长度、宽度和 流动速度，他们能够通过选择通道的深度来调节微通道的容积。 进择 图1 6 一个t 形连接中两种液体扩散混合的示意图 1 2 浙江大学博士学位论文 2 0 0 8 4 现在让我们来考虑在一个微流体装置内，使用层流和扩散来实施功能要素和